大截面框架柱加固方法及案例分析
2013-12-24
1引言
工程質量是關系國家財產和人民生命安全的一件大事。今年來，我國連續(xù)發(fā)生了幾起重大的工程質量事故，引起了全國上下極大的關注。1996年10月。建設部組織召開了全國建設工程質量工作會議，對工程質量狀況進行了全面分析，提出了關注工程質量綜合治理的措施。鋼筋混凝土結構是當前應用最多的結構型式，若鋼筋混凝土結構由于種種原因不能滿足安全性、適用性、耐久性的要求，且經過建筑物可靠性鑒定為c級或d級的，必須進行補強加固處理[1]。
柱是建筑結構中的基本受力構件之一，氣承載力的大小對結構的俺去昂適用起著至關重要的作用。柱是壓彎構件，受很大的軸力，這種受力狀態(tài)決定了柱的延性較小，而作為結構的主要承載部分，柱子破壞將引起嚴重后果，不易修復甚至引起結構倒塌。為此，在鋼筋混凝土框架設計中，要控制梁柱的相對強度，使塑性鉸先在梁端出現，盡量避免或減少柱子中的塑性鉸【2】。國內歷次大地震中，有鋼筋混凝土柱失效造成的震害是很多的。我國也是個多地震國家，許多地區(qū)都處在地震區(qū)，在這些地區(qū)中，對建筑結構進行抗震加固，一級對震損結構的修補常常是結構工程師的主要工作內容。在抗震設計和加固中，尤其要求對鋼筋混凝土柱這一主要承重構件進行局部加強，使其滿足有關承載力和延性要求，這就需要有一些行之有效的加固措施。今年來隨著高層超高建筑的興起，大截面柱應用越來越多，本文結合鋼筋混凝土大截面柱加固的工程實例，將其較為常用的加固方法進行對比分析，為今后這種構件加固及其進一步的研究提供參考【3】。
2框架柱加固的特點及常用方法
我國從50年代就開始了結構的加固處理，及時年來，國內許多混凝土結構的加固工程實例，積累了豐富的實踐經驗。90年代初我國即頒布了《混凝土結構加固技術規(guī)范》（CECS25；9），總結了我國成熟的加固技術，適用于多種原因造成的結構、構件的補強加固處理，對推動加固技術的發(fā)展起到很大作用。而無論從工廠應用還是從接結構理論上來看，柱的加固，近年來尤其是框架結構柱的加固，都是結構加固工程中一個十分重要的組成部分。
造成鋼筋混凝土柱承載力不夠的原因大致有設計錯誤，施工粗糙，使用不當，變更用途徑和遭遇自然災害等?？蚣芙Y構柱加固與新建工程框架結構的設計不盡相同，主要針對已建的工程，受客觀條件所約束，針對具體現存條件進行加固設計與施工。往往是在不停產或盡量少停產的條件下施工，要求施工速度快、工期短。且施工現場狹窄、擁擠，常受生產設備、管道和原有結構的制約，大型施工機械難以發(fā)揮作用，還往往對原有的和相鄰的結構、構件有不良影響?？蚣芙Y構柱加固施工常分段、分期進行，還會因各種干擾而中斷，施工較繁瑣復雜，并常常存在許多不安全因素。框架結構柱加固設計包括原結構的驗算和加固設計計算，要求考慮新、舊接哦股強度、剛度、適用壽命的均衡，以及新、舊結構的協(xié)調工作。
有框架結構柱加固工程的特點，根據幾十年來建筑物加固的實踐經驗，當前常用的鋼筋混凝土框架結構柱加固方法有：改變結構傳力途徑加固法、預應力加固法、加大截面加固法、外包鋼加固法以及粘貼碳纖維加固法等。各種加固方法都有其各自的優(yōu)缺點及適用范圍，應根據實際情況加以選用【4】。
改變結構傳力途徑加固法是指通過增設支點（柱或托架）的辦法，使結構受力體系（即計算簡圖）得以改變，從而改善框架柱受載及內力情況的加固方法。由于增加了支點，減小了計算跨度，因而能夠較大幅度的提高柱的承載能力，減小和限制柱的變形。此種方法主要有增設支點赫爾托梁撥柱法兩種形式。此方法對框架結構柱的補強加固效果較好，但對建筑物的空間使用影響較大，且施工復雜程度也較高。
預應力加固法即用預應力型鋼撐桿對框架結構柱進行加固的方法?？煞譃閱蝹阮A應力撐桿加固（適用于偏心受壓柱加固）和雙側預應力撐桿加固（適用于軸心受壓柱加固）。這種加固方法具有可預制、減少凈空很少、基本不要求停產進行及施工簡便的優(yōu)點。但此種方法不適用于高溫環(huán)境下的混凝土結構，另外需要特別注意盡量減少預應力的損失。
加大截面加固法即通過增大框架結構柱的截面面積和配筋，提高其強度、剛度、穩(wěn)定性及抗裂性，滿足正常適用要求。這種加固方法的缺點也是比較顯著，主要是現場作業(yè)工作量 大，等于生產生活影響較大及影響房屋外觀凈空等。、
外包鋼加固法即在框架結構柱四周以型鋼以提高其承載力。又可分為干式和濕式兩種。干式外包鋼加固即將型鋼直接外包于被加固構件四周，型鋼于構件間無任何連接，或雖塞填水泥砂漿但仍不能滿足結合面剪力傳遞要求。以乳膠水泥或環(huán)氧樹脂化學灌漿等方法粘貼型鋼時，稱為濕式外包鋼加固。此種加固方法優(yōu)點是可大幅度提高柱承載能力，施工簡便，工期短。但外包鋼必須進行防腐處理，防止高溫環(huán)境，以提高其耐久性。
近年來，土木工程領域出現了各式各樣的新型材料，如各種高強度混凝土，纖維增強材料等。其中碳纖維布由于其強度高、重量輕、耐腐蝕、耐久性好等諸多優(yōu)點，在混凝土結構補強加固領域的應用發(fā)展尤為迅速。碳纖維加固法是指用碳纖維布配套用膠將碳纖維布粘貼于混凝土構件表面的補強方法。碳纖維布加固鋼筋混凝土框架結構柱具有如下很多的優(yōu)點：適用面廣；高強高效；具有極佳的耐腐蝕性、抗?jié)B性及耐久性能；抗疲勞性能和減震性能好；施工便捷、質量易于保證等。當然，此種方法的理論研究目前還不是很成熟，但無疑具有較為廣闊的應用前景。
3大截面柱加固工程實例分析
下面我們通過一工程實例，來對框架結構鋼筋混凝土大截面柱的加固方法進行對比分析。某鋼筋混凝土框架結構住宅樓，開始擬建15層，設計施工亦照此進行。后欲加建兩層，改為17層，因而需采取牟宗加固措施來提高結構的承載能力。本文主要介紹一層柱的加固，一層柱高3.8米，700*600mm矩形截面，受力縱筋為20根直徑為25mm的鋼筋，箍筋采用間距為100mm直徑為10mm的鋼筋，混凝土強度等級為C30.
考慮本工程的實際情況，由于此樓一層為門面房，故改變結構傳力途徑加固法、加大截面加固法這類影響房屋凈空及外觀的方法就不太實用?？紤]到新舊兩部分共同工作的因素，本工程采用預應力撐桿加固法
由L0/b=6.3,查表可得： =1，則原柱承載力N0為【5】:
N0= （1）
加層后，設計荷載N共為10576KN，則需由撐桿承受的受壓承載力N2為：
N2=N-N0=1233KN （2）
則角鋼截面積計算為：
==6523mm2 （3）
選擇4L110 8，其截面積為 =6896mm2。實際提高值為：
N==1303KN （4）
另外，選用軸心間距為200mm寬為60mm厚為6mm的綴板，經驗符合要求[6].采用橫向張拉，預壓應力控制值確定為80Mpa。
施工時為了保證上述壓應力控制值，在進行橫向張力的同時對型鋼撐桿的應變進行實時觀測，至應變如下數值時結束張拉：
（5）
按照上述加固方案進行施工，基本不影響結構的凈空及外觀，且施工不簡潔，不要求停工，還可以使新舊部分能較好地共同工作，可其不失為此類工程加固的一種較為實用的方法。
但是，我們可以看到，對于此類工程這樣的大截面柱，加固前柱的設計荷載就比較大，而采用預應力撐桿加固法加固的幅度相對來說就顯得較低，撐桿的承載力與整個加固后的柱子承載力之比為1303/（1303+9343）=0.12。各種研究和實驗表明，混凝土的力學性能與所處的應力狀態(tài)相關，對靜水壓力較為敏感，在兩向或三向受壓作用下強度和延伸性有大幅度提高，可考慮減小綴板間距，處理好原柱于綴板間局部剪力傳遞，發(fā)揮綴板約束混凝土橫向變形的作用?？筛鶕痘炷两Y構設計》（GBJ10-89）中如下公式進行計算：
N= （6）
其中，為混凝土軸心抗壓強度，Acor為柱的核心截面面積，為所配縱筋強度，為所配縱筋截面面積，為間接鋼筋的截面面積，Asso為間接鋼筋的換算截面面積，由下式計算：
Asso= （7）
其中，dcor為柱的核心直徑，Assl為單根間接鋼筋的截面面積，s為沿柱軸線方向間接鋼筋的間距。
另外，可根據建筑使用要求，纏繞鋼絲網，分層抹灰高強度水泥砂漿。這樣不但利用了撐桿直接承受軸向力，而且挖掘了撐桿結構約束混凝土柱橫向變形能力，充分利用了加固材料的作用。鋼絲網筒殼即可解決撐桿防銹蝕和防火的問題，又能起到箍緊混凝土柱子的作用。通過約束混凝土柱橫向變形，提高了核芯混凝土的受壓強度，充分發(fā)揮了原有大截面框架柱混凝土的軸心抗壓強度，這樣可以增加柱的受壓承載能力二到三
倍。這是預應力撐桿結構法的改進，也是其應用在大截面框架柱中優(yōu)于其他加固方法的地方。
但是，預應力撐桿加固法容易導致預應力受損，且較難控制撐桿的預應力值，易使被加固構件的上端產生應力集中而出現局部破壞。通常為防止鋼材因環(huán)境潮濕而腐蝕導致承載力下降的問題，還要進行定期的維護，從而加大了加固的費用。
前面提到，適用碳纖維布加固有許多獨特的優(yōu)點，在約束混凝土方面也能夠收到很好的效果。碳纖維布加固加固鋼筋混凝土柱的原理是用粘貼劑把碳纖維布粘貼在柱構件的表面，約束混凝土的橫向變形，從而達到對柱構件補強加固及改善構件受力性能的目的，其受力機理累死螺旋箍筋混凝土與鋼管混凝土等約束混凝土。螺旋箍筋混凝土和鋼管混凝土的受力特點、破壞過程及計算公式等的研究已經較為成熟，而碳纖維布加固鋼筋混凝土柱在正截面受荷載時的力、變形與約束混凝土的情況是一致的，可以引用已有的約束混凝土的分析方法來討論碳纖維布對鋼筋混凝土柱的約束作用。而且粘貼碳纖維布加固法除了具有預應力撐桿加固法的各種優(yōu)點外，還可避免預應力撐桿加固法的前述弊端，無疑是框架機構鋼筋混凝土大截面柱加固的一種很有應用前景的方法。
碳纖維布就柱承載力的初步計算可找下式進行：
N= （8）
其中，為含有纖維特征，為反映碳纖維相對用量的一個與箍筋特征值相似的無量綱量，，為碳纖維布與約束混凝土的體積比，為實測混凝土立方體強度，為碳纖維的折剪抗拉強度， =2/3其中2/3為考慮到約束混凝土在達到極限強度時，實測碳纖維布的應變僅為其極限應變的2/3左右而引入的折剪系數。為柱的穩(wěn)定系數，、Ac分別為混凝土的抗壓強度設計值及柱的截面積，、分別為鋼筋的抗壓強度設計值及所配縱筋的面積。
當然，粘貼纖維布加固方法還只是一種新興的尚不成熟的加固方式，其受力原理，尤其是界面的受力情況研究還不是很完善。另外，一定要采取足夠的錨固措施，防止碳纖維布與混凝土的粘貼面發(fā)生剝離破壞，只有這樣，才能高中碳纖維布加固能取得預期的效果【7】
4結語
本文結合工程實例，針對框架結構鋼筋混凝土大截面柱，對傳統(tǒng)的常用的結構加固方法進行了分析對比，指出了各種加固方法的優(yōu)缺點及適用情況，為今后此類結構柱的加固提供了參考。此外，本文還介紹了碳纖維布這種新型高強高效材料，對框架結構鋼筋混凝土大截面柱進行補強加固這種應用前景十分廣闊的新型加固方法，為工程加固設計提供了新的思路。
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