粘贴钢板加固法是修复受损钢筋混凝土构件并延长其剩余使用寿命的常用加固方法，在广泛采用的同时存在着诸多耐久性问题。在公路桥梁的加固工程中，补强结构不仅要承受静荷载，还要承受重复循环荷载，往往在长期循环荷载作用下产生疲劳破坏^[1]。而在湿热环境中，在水、温度及各种介质的协同作用下，加固材料湿热老化，使外贴钢板和混凝土构件力学性能的劣化过程更容易进行^[2]。尤其是地处南方地区的桥梁，荷载和湿热环境耦合作用加速了加固结构的湿热老化过程。湿热老化环境引起钢筋混凝土结构的碳化、钢筋锈蚀，同时，结合层在持续荷载下处于较高应力状态，使得结构带裂缝工作，侵蚀介质更快地渗入，这对加固结构的耐久性极为不利。因此，开展荷载与湿热环境下粘钢加固钢筋混凝土梁的耐久性研究，对南方地区的推广运用具有重要意义。

近年来，国内外学者采用试验方法和有限元模拟^[3]对粘钢加固混凝土结构的界面剥离行为^[4]、抗弯承载能力^[5]、抗剪性能^[6]、疲劳性能^[7]进行了研究，但考虑荷载与环境影响的耐久性研究还未涉及。而对纤维粘贴加固的耐久性研究较多：黄培彦等^[8]考虑了温度对碳纤维薄板（CFL）补强钢筋混凝土梁（RC）梁极限承载力的影响；Shrestha等^[9]通过潮湿环境作用下的纤维补强聚合物（FRP）与混凝土试样，研究了湿度对界面粘结强度及组成材料耐久性的影响；任慧韬等^[10]研究了碳纤维增强聚合物（CFRP）补强混凝土在冻融循环下分别与30%、60%极限荷载共同作用，对CFRP片材的耐久性能进行分析并提出剩余强度损伤模型；李杉^[11]考虑了荷载分别与干湿交替、湿热的双因素作用对FRP耐久性的影响。然而，对粘钢加固结构的耐久性试验研究较少涉及，尤其是荷载与湿热环境这两种因素耦合作用下的劣化机理研究较少。

为了探明荷载与湿热环境耦合作用对粘钢加固结构耐久性能造成的损伤，以外贴钢板加固钢筋混凝土梁为研究对象，在高温高湿状态下分别进行加固梁的空载、静载、交变荷载的湿热老化试验，分析试验梁的耐久性能，并结合试验结果及梁体受力特性，分析湿热老化机理，为粘钢加固结构的耐久性设计提供参考。

试验梁尺寸为1 850 mm× 100 mm×200 mm，计算跨径为1.6 m，采用HPB335级普通光圆钢筋，受拉纵筋2Φ10 mm，架立钢筋2Φ8 mm；箍筋Φ8@100 mm，在全梁布设。粘贴加固采用重钢生产的热连轧普碳钢板Q235B，抗拉强度440 MPa，弹性模量210 GPa，尺寸为1 580 mm×50 mm×3 mm。试验梁的粘结胶层采用CH−2C手涂饰环氧粘钢A、B胶，按重量比10∶3配制。

参照《普通混凝土配合比设计规范》确定试验梁混凝土配合比为水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.38∶1.11∶2.72，水泥采用525号普通硅酸盐水泥，混凝土强度等级为C30，粗骨料为粒径5～20 mm的碎石，细骨料为细砂，试验前试件洒水养护28 d。

根据中国西南地区高温、潮湿、多雨的大气环境，选取特征温度60 ℃、特征湿度95%RH代表高温高湿环境，采用上海多禾试验设备有限公司生产的DSCR–53–40–P–A型步入式高低温环境试验箱提供湿热环境。

通过未加固梁BS–0kN–0d的三点弯曲疲劳试验结果，确定交变荷载的上限取试验梁极限荷载51.05 kN的60%，即30 kN，并以此作为静载加载时的荷载；下限取为0 kN，模拟试验梁空载时仅承受自身荷载的情况；空载、静载的交替用于模拟梁体受到车辆后轴集中力反复作用的状态，能够较为真实地反映结构在服役环境中受到的车辆、行人不断交替的低频疲劳荷载；采用自制反力架作为加载装置，利用双用空心液压千斤顶、超高压电动机泵配以标定后的荷载传感器进行控制，每4 h在试验梁跨中部位实现交变荷载上限与下限的转换，以贴合工程实际的环境，图1为交变荷载一天内的加载方式。

图1(Fig. 1)

图1 试验梁24小时交变荷载 Fig. 1 24 hours alternating load of test beams

本试验共制作7片钢筋混凝土梁，其中：1根粘贴钢板加固梁做空载试验，作为参考对比梁并得到梁的极限荷载；2根用于加固梁的空载腐蚀疲劳试验；2根用于静荷载的腐蚀疲劳加载；2根用于交变荷载的腐蚀疲劳加载。腐蚀疲劳后的力学性能试验设为三点弯曲加载，加载点在跨中线。如图2所示。加载试验在Q235B自平衡反力架上进行，利用机械式螺旋千斤顶配以标定后的荷载传感器控制荷载。采用单点分级加载，5 kN为1级以30 kN持载稳定后以3 kN为1级，每级荷载稳定3 min后用记号笔标记裂缝开展情况，加载至梁破坏，停止加载，卸载至零，测量极限荷载、钢板应变、跨中钢筋和混凝土的应变、梁的挠度。数据采集频率为10 Hz，应变测点布置如图3所示。

图2(Fig. 2)

图2 加固梁及加载示意图 Fig. 2 Reinforced beam and loading schematic diagram

图3(Fig. 3)

图3 应变测点布置 Fig. 3 Measurement points arrangement of strain

表1列出试验方案及结果。极限荷载代表了湿热作用下，持荷与没有持荷工况的粘钢加固钢筋混凝土梁极限强度随湿热天数的变化关系；由于所有试件剥离破坏后，大部分胶层保留在混凝土粘结面上，故而破坏位置在胶层与钢板粘结面，表1中初始剥离荷载代表了胶层与钢板的粘结强度。

钢板作为一种脆性材料，剥离破坏时存在很强的离散性，随着湿热环境作用时间的持续，钢板剥离破坏时的脆性和混凝土材料及试验测试的离散性增强，部分数据存在跳跃。从表1中可以看出：1）仅在湿热作用下，未持荷水平的加固梁经过15、30 d湿热老化后，同对比梁相比极限强度分别下降了3.88%、7.82%，表明高温高湿状态引起了极限强度退化；2）随着腐蚀天数的增加，空载、持荷60%极限荷载交替变化作用下，加固梁的极限承载强度呈下降趋势。30 d老化后，空载、静载和交变荷载工况下，较对比梁分别降低了7.29%、10.38%、17.26%；3）随着持荷水平的增加，极限荷载下降，并且交变荷载下的极限强度降低更快，30 d湿热老化后最大达到17.26%。4）荷载与湿热环境耦合作用对试验梁初始剥离荷载的影响，同极限荷载相似，湿热老化使钢板与胶层协同工作能力下降，荷载作用又加剧了这一影响。

从总体上看，湿热作用对粘钢加固钢筋混凝土梁的极限强度有不利影响，荷载作用则加速了极限强度的退化，并且交变荷载作用较静载时，退化速度更快，湿热老化天数的增加会使这种劣化趋势更显著。

图4为试验梁受力全过程中实测的荷载F与跨中挠度w的关系曲线。不同工况下的F–w曲线具有相似的特点，梁的受力和变形全过程分为3个阶段：第1阶段，荷载很小时，梁没有混凝土裂缝阶段，挠度随着荷载的增加而不断增长，两者基本上成比例；第2阶段，梁体的混凝土裂缝出现于开展阶段，当荷载达到7 kN时，梁体跨中下部开始观察到竖向裂缝，此后，挠度比荷载增加更快并逐渐出现若干条新裂缝；第3阶段，纵向受力钢筋屈服并保持屈服强度不变，裂缝迅速开展，为梁破坏阶段。当荷载使纵向受拉钢筋屈服，在梁截面受压区边缘混凝土未被压碎之前，裂缝急剧增加使得钢板与胶层出现剥离，直至钢板屈服，整个加固结构破坏不能继续承受荷载。

图4(Fig. 4)

图4 加固梁荷载–挠度（F–w）曲线 Fig. 4 Load–deflection curves of reinforced beam

从不同持荷工况看，相同湿热处理的加固梁，同一荷载等级下，持荷作用的试验梁会产生更大的挠度，即梁体更容易产生变形。受拉区混凝土开裂前，持荷与未持荷加固梁相比，梁体抗弯刚度有所下降，但不明显，此阶段截面上的拉应力几乎由混凝土完全承受；受拉区混凝土开裂后至纵向受力钢筋屈服前，持荷梁跨中截面挠度较对比梁有所增大，同时交变荷载湿热耦合下的梁体裂缝更多，纵向钢筋屈服荷载最低，这表明荷载湿热作用下受拉钢筋更早进入屈服阶段，与钢板的协同作用削弱；随着荷载增加，裂缝继续发展，试验梁塑性破坏。湿热老化15、30 d后，加固梁BS–0kN–15d、BS–0kN–30d极限荷载分别为49.07、47.33 kN，而极限挠度分别为17.55、17.90 mm，30 d作用的加固梁在更小的极限荷载作用下，产生更大的极限挠度，梁体更易变形，这说明了湿热老化天数对弯曲性能的劣化作用。而在同一试验周期30 d内，空载试验梁的极限挠度较对比梁变化不大，持荷60%极限荷载和交变荷载作用下的试验梁极限挠度下降得更为显著，分别为5.69%、17.12%，这也表明荷载作用使得梁体变形增大，抗弯刚度较对比梁显著降低，而腐蚀环境侵蚀又加速了粘结胶层的老化，致使加固梁极限挠度减小，梁体刚度变小、弯曲性能退化。

采用式（1）计算受拉主筋及钢板的屈服应变：

式中： $\sigma_{\rm s}$ 为受拉主筋、钢板屈服强度，取333.3、285 MPa；E_s为弹性模量，分别取204、210 GPa。

由式（1）计算出受拉主筋和钢板的初始屈服应变为1.634×10^–3、1.357×10^–3，与实测曲线如图5的屈服应变差距不大，从而确定各阶段的受力特性。从图5可得：受力区混凝土开裂前，纵向受拉钢筋和钢板的应变值相差不大；受拉区混凝土开裂后至纵向受力钢筋屈服前，钢板应变值比钢筋应变值增长更快；继续加载，纵向钢筋屈服，丧失了阻止裂缝发展的能力，量测到更多的钢筋应变。此时，量测的钢板应变值也急剧增加，裂缝截面的拉应力通过混凝土纤维层传递给钢板与混凝土的结合层，由钢板承受外部荷载；最终，因结合层抗剪强度不足而引起钢板–混凝土界面局部剥离破坏，加固结构失效。

图5(Fig. 5)

图5 跨中截面钢板/钢筋荷载–应变曲线 Fig. 5 Load–strain curves of steel plate/steel bar in midspan

从表1得出：不同工况下，钢筋的极限应变变化不大，而钢板极限应变比参考梁都有不同程度的降低。30 d腐蚀后试验梁钢板应变比15 d腐蚀下降更为严重，空载、静载和交变荷载作用下的加固梁的钢板极限应变分别下降了21.21%、30.65%、41.92%，这表明荷载和湿热作用使钢板承受的力减小了，荷载作用下加固结构更快地退出工作，进而削弱了钢板与混凝土的协同工作能力。

表1(Tab. 1)

表1 试验方案及结果 Tab. 1 Test scheme and results

表1 试验方案及结果 Tab. 1 Test scheme and results 试验梁编号 试验环境 加载/kN 加载天数/d Pmax/kN 下降程度/% Ps/kN δ1/10–1 δ2/10–1 极限挠度/mm 破坏形态 BS–0kN–0d 室温条件 0 0 51.05 0 49.06 14 033 8 106 17.23 跨中竖向裂缝，钢板剥离 BS–0kN–15d 60 ℃、95%RH 0 15 49.07 3.88 47.01 11 835 8 803 17.55 跨中竖向裂缝，钢板剥离 BS–30kN–15d 60 ℃、95%RH 30 15 47.06 7.82 43.68 10 486 8 612 12.74 跨中竖向裂缝，钢板剥离 BS–XkN–15d 60 ℃、95%RH 0、30 15 44.43 12.97 40.79 9 496 8 051 11.17 跨中竖向裂缝，钢板剥离 BS–0kN–30d 60 ℃、95%RH 0 30 47.33 7.29 44.03 11 056 8 376 17.90 跨中竖向裂缝，钢板剥离 BS–30kN–30d 60 ℃、95%RH 30 30 45.75 10.38 41.92 9 732 8 030 16.25 跨中竖向裂缝，钢板剥离 BS–XkN–30d 60 ℃、95%RH 0、30 30 42.24 17.26 37.27 8 151 7 533 14.28 跨中竖向裂缝，钢板剥离 　　注：Pmax为试验梁破坏时的极限荷载值，Ps为钢板初始剥离荷载，δ1为钢板的极限应变，δ2为受拉主筋的极限应变。

图6为各工况下，跨中截面钢板的应变随荷载增加的变化趋势。从图6中可知：荷载作用下的加固梁的跨中截面的钢板适应荷载能力较空载作用的加固梁下降凸显，其承受荷载及极限应变都有不同程度地降低；同时，交变荷载湿热环境作用下的加固梁的钢板的初始屈服荷载、应变，与其余3种工况相比是最低的。这表明荷载、湿热共同作用下的加固梁的跨中截面钢板抵抗外部荷载的能力降低，交变荷载作用下的加固梁，随腐蚀时间延长，劣化的趋势更为显著。

图6(Fig. 6)

图6 跨中截面钢板荷载–应变曲线 Fig. 6 Load–strain curves of steel plate in midspan

7片加固梁都表现为混凝土与钢板粘结面局部剥离剪切破坏。如图7所示。在加载试验前，荷载作用下的钢筋混凝土梁已有裂缝产生。随着荷载增加，梁体下部受拉裂缝扩展，钢板–混凝土界面的粘结滑移量增加，当荷载达到纵向受拉钢筋屈服强度，钢板承担主要荷载；裂缝进一步扩展，梁体弯曲变形增大，当裂缝宽度超过了胶层与混凝土界面允许的粘结滑移量，跨中裂缝附近处胶层开裂；继续加载，由于胶层与裂缝交界面的切向应力小于混凝土与胶层的粘结抗剪强度，却超过了钢板与胶层的粘结强度，钢板开始剥离；同时，锚固在钢板上的栓钉限制了钢板与混凝土的竖向位移，间接地抑制了胶层纵向开裂及梁体裂缝的扩展。最终，“咔嗒一声”，胶层出现裂缝，钢板与梁体发生粘结层的局部剥离破坏，钢板屈服，大部分胶层保留在混凝土粘结面上。剥离后，跨中产生竖向贯通裂缝，顶部混凝土压酥，无法继续加载，梁体破坏。

图7(Fig. 7)

图7 加固梁破坏形态 Fig. 7 Failure modes of reinforced beams

荷载作用使得钢筋混凝土梁带裂缝工作，交变荷载循环作用下的加固梁更易产生疲劳裂纹，这为环境中的侵蚀介质扩散提供了更快的途径，湿热腐蚀环境中的CO₂、H₂O或潮气更易扩散到混凝土中，与混凝土中的Ca（OH）₂发生作用生成CaCO₃和H₂O，使这部分混凝土由强碱性变为中性，混凝土碳化速度加快。同时，湿热环境二氧化碳浓度、环境温度和环境湿度促使水分子扩散到应力较大的胶层粘结面，降低了胶层的致密性，加速粘结层老化，导致粘钢界面抗剪粘结能力下降，直接影响到粘钢加固结构的效果，这也进一步说明荷载湿热环境加剧了加固结构的耐久性损伤。

在荷载和环境双重作用下，荷载湿热腐蚀的加固梁与未经腐蚀的试验梁相比，宏观力学试验结果存在很大的不同，对耐久性能的劣化过程更容易进行，造成的损伤更为严重。因为荷载作用会在梁体产生微裂缝，带裂缝工作的RC梁削弱了钢板–混凝土界面结合层胶体传递荷载的能力；另外，裂缝的产生为腐蚀介质向胶体内部的扩散提供了捷径，缩短了水汽渗透到界面的时间，加速了界面的水解，导致界面微裂缝的快速发展。当比较空载、持荷60%极限荷载和交变荷载的加固梁，可以发现持荷梁的极限强度、挠度降低程度比未加载试验梁更大。尤其是在交变应力作用下，加固梁跨中钢板的屈服强度最低，极限应变退化最严重，使加固结构更快地退出工作。

对于粘钢材料在湿热作用下的耐久性，现有研究表明，钢材耐湿热性能较好，造成粘钢结构力学性能下降的原因是胶体的退化，主要是：1）胶体和混凝土具有不同的热膨胀系数，吸水老化后的胶体会在结合层产生应力，引起界面粘结力退化；2）在高温高湿的状态下，环境中大量的水分子热作用加速，进入钢板与混凝土粘结界面的微小孔隙，扩散进入树脂后与环氧树脂大分子相结合，产生新的关联而引起大分子溶胀，使树脂材料变脆，进而产生裂缝，宏观力学性能表现在粘钢界面粘结性能的退化，导致极限强度降低，直接影响到粘钢加固结构的效果。随着腐蚀时间延长，扩展的裂缝引起结合层粘结强度退化，胶体强度下降更为显著，本研究从试验梁的宏观力学行为证明了这一点。

1）荷载和湿热环境耦合作用对粘钢加固钢筋混凝土结构的力学性能产生了明显的不利影响，经过湿热老化后，钢板屈服荷载更低，更快退出工作；加固梁的极限强度、极限挠度、钢板极限应变有较大程度的下降。

2）加固梁在荷载与湿热环境耦合作用下的破坏模式为混凝土与钢板粘结面剥离破坏，全过程分为混凝土开裂、裂缝发展、钢板剥离破坏3个阶段。

3）相同湿热环境下，荷载作用下的加固梁受力性能较对比梁呈下降趋势。交变荷载作用的加固梁与空载、静载作用的试验梁相比，承载能力有明显下降，随着时间的延长，降低幅度更大。

4）荷载和湿热环境耦合对粘钢加固RC梁耐久性有较大的不利影响，其实质是由于腐蚀介质渗入到粘结界面和粘结剂湿热老化后性能退化，荷载作用为腐蚀介质提供了更快的扩散路径，进一步降低了加固结构的耐久性。