密封胶粘接加固受损钢筋混凝土梁的影响分析

陈双 莫忧 张琴

摘 要：建筑安全性为发展的重点，建筑结构工程钢筋混凝土梁加固设计和建筑稳定程度具有密切关系，并且和建筑安全性相关。钢筋混凝土梁在受损后的加固工作对建筑修复至关重要，关系着建筑经济效益和安全性。在损伤后进行修复和加固的使用质量、寿命等具有密切关系。所以，国内外对钢筋混凝土梁损伤进行了大量研究。研究分析了密封胶粘加固损伤钢筋混凝土梁的性能，对损伤钢筋混凝土梁密封胶粘加固的性能进行分析。从而能够为钢筋混凝土梁的损伤加固提供针对性建议。

关键词：钢筋混凝土梁；密封胶；粘结性能

中图分类号：TQ436+.6

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0004-05

Effect analysis of damaged reinforced concrete beams strengthened with sealed adhesive

CHEN Shuang1，MO You2，ZHANG Qin1

（ 1.Guangan Vacational & Technical College，Guangan 638000，Sichuan China;2.Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China

）

Abstract：Aiming at the safety problem in the construction process，the test of reinforced concrete beam sealing adhesive reinforcement performance was proposed.ANSYS software was used to create the bond reinforcement model，simulate the process of the reinforced concrete beam from the beginning to the structural damage， and select raw materials for testing.We discussed the influence of the size on the bearing capacity of the beam tilt surface. The test results show that the plasticity of reinforced concrete is good，and the deformation ability of the concrete beam will be affected by the strength of the concrete，and it is easy to use，and can be applied in various construction projects.

Key words：reinforced concrete beam; sealant; adhesion property

加固钢筋混凝土损伤能够使建筑安全性得到增强，使建筑使用寿命延长，并且节约资源，使经济效益得到提高［1］。密封胶材料装修中的粘合力比较强，并且使用方便，不会损伤到墙面，备受建筑领域青睐。混凝土热膨胀系数比较高，所以建筑留有接缝，接缝处密封材料的选择为混凝土工程主要问题［2］。大部分混凝土工程将聚氨酯、沥青、聚硫胶等作为接缝密封材料，但是此种材料容易流淌、脆裂，导致出现开裂、脱粘等情况。密封胶的耐老化性能和抗位移能力良好，在钢筋混凝土梁加固工作中使用比较广泛。在加固钢筋混凝土过程中，混凝土材料为密封胶的受用对象，属于多微孔和碱性的材料，对比石材、金属和玻璃幕墙存在差别，所以对密封胶材料具有较高的要求。钢筋混凝土梁具有较大的尺寸，所以对于密封胶变形适应能力与粘结力的要求比较高。另外，钢筋混凝土和密封胶的粘接性能能够保证加固作用。因此，本文对损伤钢筋混凝土梁密封胶粘加固性能进行分析，针对此方面的研究具有重要作用［3］。

1 钢筋混凝土梁加固对密封胶的要求

1.1 水密和气密性能

在钢筋混凝土梁加固中使用密封胶的时候，气密性和水密性的性能尤为重要。在钢筋混凝土损伤加固过程中，如果具有较差气密性与水密性，就会导致渗漏情况的出现，外界因素也会对钢筋混凝土梁质量造成影响。只有使用良好气密性和水密性的密封胶，才能够在钢筋混凝土梁損伤加固中实现连续不渗透层的创建，对损伤钢筋混凝土梁进行修复与保护，使建筑安全性得到提高［4］。

1.2 蠕变性和力学性能

钢筋混凝土梁在受到温度、荷载和收缩等因素影响的时候，就会出现位移。另外，粘接面因为拉伸受力影响，密封胶在钢筋混凝土梁损伤加固过程中具有一定蠕变性和弹性，受到外界因素影响会出现位移，密封胶也不会直接开裂导致粘接破坏，满足位移变化需求，自由伸缩。还能够恢复，在外界影响消失或者减弱的时候恢复原状［5］。

1.3 耐候性

部分建筑钢筋混凝土结构常见在外部环境中暴漏，会受到温度、空气和水分等影响。所以，在钢筋混凝土梁加固中使用密封胶的时候，就会长时间暴漏在阳光下，受到风雨雷电、紫外线等影响。另外，具有热胀冷缩原理，会对密封胶造成伤害。在损伤钢筋混凝土梁加固中使用密封胶，此因素会伤害到密封胶。所以，密封胶在实现损伤钢筋混凝土梁加固过程中要具备耐久性和耐候性，使其寿命得到延长［6］。

1.4 粘接性

密封胶在钢筋混凝土梁损伤加固的过程中，粘接性能尤为重要，能够对密封胶好坏进行评价。在加固钢筋混凝土梁损伤过程中，使用密封胶的性能良好，实现修复、防水等作用。其粘接性能如果不好，就无法实现密封防水作用，还会导致钢筋混凝土梁损伤效果降低。另外，多种因素都会对密封胶粘结性造成影响，钢筋混凝土具有较大的孔洞，对于密封胶粘接性能会有所影响［7］。

2 粘接加固有限元模型创建

2.1 加固试验梁的有限元模型

钢筋混凝土有限元模型包括整体式与分离式，本文使用分离式模型模拟。将钢筋和混凝土使用不同单元处理，钢筋和混凝土在小单元中划分，通过二者刚度矩阵求解。因为是对称结构，将一半的梁作为研究体。混凝土使用Slid65单元，外粘钢板使用Solid45单元，梁内钢筋使用Link8单元，将辅助网络定义为Mesh200单元。使用结构胶实现混凝土与钢结构的粘接，粘接良好［8］。

2.2 有限元基本假设

（1）在梁受弯之后，梁内混凝土、钢筋、钢板要满足平截面假设；

（2）將双线性等向强化模型应用到钢筋中，钢板具备理想化弹塑性本构关系。混凝土的本构关系具备多线性的特点，为了充分展现出混凝土的行为，要关闭混凝土压碎选项，裂缝的张开和闭合剪力传递系数分别设置为0.4和1；

（3）钢筋和混凝土充分粘接，并没有滑移，能够满足变形协调方程需求［9］。

2.3 网格划分

混凝土使用Soid65单元，此单元为8点6面体，在划分单元过程中使用混凝土剖面网格划分之后，根据梁的跨度方向拉伸构成混凝土体单元。钢筋使用Link8单元，在混凝土模型中应用，在合并节点和压缩之后，使混凝土、钢板与钢筋的单元节点重合。钢板使用实体建设，为了更好收敛使用自由化分网格。钢板与混凝土利用接触向导实现接触单元常数的设置，使接触单元和目标单元区分［10］。

2.4 有限元加固梁模型参数

钢筋混凝土梁跨度为2 000 mm，净跨度为1 800 mm，设置断面尺寸为（120×200）mm，支座范围为100 mm，使用HPB235级钢筋。混凝土强度等级设计C35，混凝土保护层厚度设置为20 mm，表1为各材料的特性。

3 原材料和试验方法

3.1 原材料

碱激发剂：使用水玻璃，工业生产模数设置2.79，波美度为46.5，含固量为36.8%。

偏高岭土：在770 ℃将高品位天然高岭土煅烧10 h，冷却之后使用球磨机磨45 min。

石膏：化学试剂，分析纯；粉煤灰：I级底盖粉煤灰；

硅灰：Elken凝聚态硅灰；

玻璃纤维布：弹性模量设置为100 GPa，拉伸模量设置2 800 MPa。

3.2 试验方法

3.2.1 确定凝结时间

根据相关标准对凝结时间进行测定，固定固相比例为10∶1，使石膏产量改变，根据相应的标准调整用水量，从而制作凝结时间测定试样。每隔5 min测定初凝时间，每隔15 min测定终凝时间，最终得出凝结时间的改变曲线［11］。

3.2.2 面内剪切强度

以试验和相应的理论，在承受荷载的时候，混凝土界面和FRP受力为剪切状态，最终破坏形式为剪力破坏。所以，对混凝土界面和FRP中面内剪切性能为研究基础。

设置玻璃纤维布与混凝土的粘接面积为70×80 mm，利用混凝土试件开展试验，养护混凝土28 d，实现面内剪切制作，在设置温湿度中进行养护，然后进行混凝土的强度测试。

3.2.3 钢筋混凝土梁加固试验

钢筋混凝土梁在设置加固试件尺寸中为（100×150×1 100）mm，加载跨长度为900 mm。设置混凝土梁底2条钢筋，玻璃纤维尺寸设置（80×800）mm，设置两层加固层数，在常压、常温下养护7 d开展加载试验［12］。

4 试验结果和分析

4.1 试验现象和分析

在疲劳荷载作用下，4根试验梁存在相似破坏过程：（1）初始加载到最大疲劳载荷的时候，试验梁加载点存在多条裂缝，裂缝指的是试验梁原本的损伤裂缝，并且裂缝形态为两边窄，中间宽，表示使用的材料对试验梁底部的混凝土存在约束作用；（2）加载到试验梁疲劳寿命的时候，加载现场就会出现剧烈噼啪声；（3）在疲劳试验的过程中，裂缝状态为一张一合，还会产生新的裂缝。主要裂缝在加载点附近出现，并且裂缝宽度随着加载次数增加不断的增大，在到达一定数值的时候，主裂缝根部两侧材料存在可视剥离，在加载次数不断增加的过程中，朝着两端发展［13］。

各个试验梁的破坏模式为：其（1）JGL-1梁的加载次数为100万次的时候，2个加载点底部存在交叉状斜裂缝，最大的裂缝宽度为1 mm，CFRP布存在局部可视剥离，剥离的长度为382 mm。加载次数为142万次的时候，能够完全剥离；其（2），JGL-2梁在加载119.3万次的时候，2个加载点存在裂缝，最大裂缝的宽度为1.2 mm，存在局部可视剥离。玻璃快速的朝着两端发展，并且存在噼啪声；其（3），JGL-3梁在加载50万次的时候，试验梁底部具备交叉状斜裂缝，最大为1.02 mm；其（4），JGL-4梁在加载到3.98万次的时候，距离试验梁跨中40 cm处的裂缝增加到0.8 mm，存在局部可视剥离［14］。

4.2 材料属性和本构关系

4.2.1 混凝土单元

ANSYS中默认混凝土本构关系为线弹性，也就是在压碎之前的应力为线性应变关系，无法使钢筋混凝土结构从受到荷载作用到破坏的分析需求得到满足。所以，将能够反应本构关系的特性添加到材料中。本文使用多线性随动强化模型对混凝土应力应变关系进行定义，结果如图1。混凝土强度准则使用SOLID65进行定义，张开裂缝剪切传递系数设置0.4，闭合裂缝剪切传递系数设置1。因为ANSYS软件实现钢筋混凝土梁非线性有限元计算，假如对混凝土压碎破坏进行考虑，即便是达不到压碎应力，也无法实现计算收敛。所以，在正常使用过程中计算，并不会对混凝土压碎破坏进行考虑，也就是将单轴抗压强度选项关闭［15］。

4.2.2 钢筋单元

利用双折线随动强化模型定义钢筋应力应变关系，图2为主筋应力应变关系。

4.2.3 垫块单元

在对钢筋混凝土梁开展有限元分析的过程中，由于加载点与支点混凝土出现压碎、开裂等情况，导致分析提前终止，模拟不争功。在创建有限元模型时，将弹性垫块设置到加载点或者支点中，以此避免出现集中的应力。弹性垫块通过3D实体单元设置，利用SOLID45单元实现分析，避免出现集中应力。利用3D单元设置弹性垫块，根据SOLID45单元实现分析，设置泊松比0.3，弹性模量为3.3×104  MPa。

通过分析表示，加固梁加载在钢筋屈服中，曲线不同于普通钢筋混凝土梁，并且没有混凝土开裂第一拐点。在承载力设置为150～160 kN的时候，荷载-扰度和荷载-碳纤维布的应变曲线存在拐点［16］。在有限元分析过程中使用混凝土、钢筋单元的共用节点，对两者进行建模，利用碳纤维布的作用将其转变成为钢筋作用。结果表示，钢筋屈服后使用碳纤维加固后梁承载力通过碳纤维布和钢筋承担。使用碳纤维布能够对钢筋受力状态进行改善，并且因为钢筋通过加载屈服之后卸载，能够强化钢筋，提高屈服强度［17］。

4.3 承载力分析

表3为试验梁试验结果。

由表3可知，试验梁抗弯与抗剪加固之后，能够提高极限荷载与开裂荷载。抗弯加固梁L2与L3在加固之后的开裂荷载比与对照梁L1对比，有所提高。极限荷载也有所提高，以此表示CFRP加固层数越多，抗弯加固之后混凝土梁的极限荷载与开裂荷载的提高幅度也在不断的增加，但是提高程度和加固层数并不是正比关系。此和研究结果中CFRP抗弯加固混凝土梁试验结果是一样的，所以在加固过程中要多经济、加固率等要求结合，对加固层数合理选择。预裂梁L4在抗弯加固之后，极限荷载与开裂荷载也有所提高，以此表示，在加固之后能够对预裂梁初始裂缝扩展进行约束，使承载力得到提高。但是和相同参数梁对比，极限荷载与开裂荷载有所降低。以此表示，预裂梁抗弯加固之后的极限承载力也有所降低［18］。

4.4 疲劳加载次数变化

在试验加载疲劳幅度小于0.5的时候，加载点CFRP布的应变随着加载次数变化划分成为3个阶段：其（1），CFRP布-混凝土界面粘接性能退化与初始剥离裂缝构成阶段，在CFRP布应变随着加载次数不断增加的过程中，也在不断的增长；其（2），此阶段属于剥离裂缝稳定发展的阶段，CFRP布应变在加载次数增加速度中逐渐变换；其（3），剥离破坏阶段。在此过程中，CFRP布在加载次数不断增加过程中逐渐增大，在达到剥离破坏的时候，CFRP布的最大应变为0.007。

在试验加载疲劳幅值比0.5要大的时候，第1个阶段并不明显，只是展现出后两个阶段的剥离破坏，在玻璃破坏时候的CFRP最大应变为0.011 1。另外，在加載次数相同的时候，JGL-1梁的CFRP布要比JGL-2梁小。比如，在加载到10万次的时候，JGL-1梁的CFRP布应变为0.001 7，JGL-2为0.007 0。以此表示，在相同疲劳幅值作用下，试验梁损伤的程度越小，说明加固之后的CFRP布应变就会越小。JGL-4梁的CFRP布比JGL-3梁要大，比如加载次数为1万次的时候，应变为0.038。以此可以看出来，假如试验梁的损伤程度相同，在加载次数相同的时候，所施加疲劳幅值越大，表示CFRP布的应变就会越大。也就是说，疲劳幅值大小会对CFRP布加固试验梁疲劳寿命具有一定的影响［19］。

4.5 载荷-应变分析

对每级加载荷载的混凝土与碳纤维布应变进行记录，抗弯加固梁梁底黏贴CFRP加固之后在相同荷载水平，混凝土最大压变出现降低。以此表示，抗弯加固能够对混凝土变形和加固梁扰度进行降低。主要是因为抗弯加固之后的CFRP和试验梁变形分担部分应力，增加刚度。抗弯梁在对CFRP加固之后，具有明显的约束效果。预裂抗弯加固梁的梁底黏贴CFRP，降低了混凝土最大应变，但是和刚开始加载时候的相同参数梁并没有明显的差别。在架在你后期，因为初始裂缝影响，变形发展速度比较快。针对抗剪加固梁，对照梁混凝土最大压应变改变不大。但是在逐渐破坏的时候，混凝土的强度越大，就会使扰度变化和压缩应变缩小。在试验梁进行抗剪加固后，在最开始加载的时候并不会影响到混凝土压应变。但是，在钢筋屈服后能够使抗剪加固混凝土应变得到降低，梁侧使用CFRP加固之后并不会对混凝土强度梁最大混凝土应变造成影响。

在抗弯加固梁加载初期，能够对混凝土变形进行抑制，促进应变增长，但是应变增长趋势并没有太大的差别。在加载后期，抗弯加固梁的CFRP应变比其他梁要小，说明加固层数越多，就会使碳纤维使用率得到降低。在预裂抗弯加固梁过程中，由于原始损伤会导致CFR应变增长比较快，说明加固梁原始状态对于纤维布和加固效果的利用率具有较高的影响［20］。

5 结语

钢筋混凝土的可塑性良好，并且使用方便，在各建筑工程中使用。由于受到建筑设计、施工与使用等因素影响，国内外研究学者对钢筋混凝土结构质量问题越来越重视。另外，在损伤后进行修复和建筑的使用质量、寿命等具有密切关系。所以，国内外对钢筋混凝土梁损伤进行了大量研究。本文分析了密封胶粘加固损伤钢筋混凝土梁的性能，从而能够为钢筋混凝土梁的损伤加固提供针对性建议。

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