大截面框架柱加固方法及案例分析
2013-12-24
1引言
工程質(zhì)量是關(guān)系國家財產(chǎn)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(zhì)量事故，引起了全國上下極大的關(guān)注。1996年10月。建設(shè)部組織召開了全國建設(shè)工程質(zhì)量工作會議，對工程質(zhì)量狀況進(jìn)行了全面分析，提出了關(guān)注工程質(zhì)量綜合治理的措施。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)前應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)型式，若鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于種種原因不能滿足安全性、適用性、耐久性的要求，且經(jīng)過建筑物可靠性鑒定為c級或d級的，必須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理[1]。
柱是建筑結(jié)構(gòu)中的基本受力構(gòu)件之一，氣承載力的大小對結(jié)構(gòu)的俺去昂適用起著至關(guān)重要的作用。柱是壓彎構(gòu)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(jié)構(gòu)的主要承載部分，柱子破壞將引起嚴(yán)重后果，不易修復(fù)甚至引起結(jié)構(gòu)倒塌。為此，在鋼筋混凝土框架設(shè)計中，要控制梁柱的相對強(qiáng)度，使塑性鉸先在梁端出現(xiàn)，盡量避免或減少柱子中的塑性鉸【2】。國內(nèi)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(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固，一級對震損結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)常常是結(jié)構(gòu)工程師的主要工作內(nèi)容。在抗震設(shè)計和加固中，尤其要求對鋼筋混凝土柱這一主要承重構(gòu)件進(jìn)行局部加強(qiáng)，使其滿足有關(guān)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(yīng)用越來越多，本文結(jié)合鋼筋混凝土大截面柱加固的工程實(shí)例，將其較為常用的加固方法進(jìn)行對比分析，為今后這種構(gòu)件加固及其進(jìn)一步的研究提供參考【3】。
2框架柱加固的特點(diǎn)及常用方法
我國從50年代就開始了結(jié)構(gòu)的加固處理，及時年來，國內(nèi)許多混凝土結(jié)構(gòu)的加固工程實(shí)例，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。90年代初我國即頒布了《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》（CECS25；9），總結(jié)了我國成熟的加固技術(shù)，適用于多種原因造成的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)加固處理，對推動加固技術(shù)的發(fā)展起到很大作用。而無論從工廠應(yīng)用還是從接結(jié)構(gòu)理論上來看，柱的加固，近年來尤其是框架結(jié)構(gòu)柱的加固，都是結(jié)構(gòu)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(shè)計錯誤，施工粗糙，使用不當(dāng)，變更用途徑和遭遇自然災(zāi)害等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)柱加固與新建工程框架結(jié)構(gòu)的設(shè)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(xiàn)存條件進(jìn)行加固設(shè)計與施工。往往是在不停產(chǎn)或盡量少停產(chǎn)的條件下施工，要求施工速度快、工期短。且施工現(xiàn)場狹窄、擁擠，常受生產(chǎn)設(shè)備、管道和原有結(jié)構(gòu)的制約，大型施工機(jī)械難以發(fā)揮作用，還往往對原有的和相鄰的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件有不良影響。框架結(jié)構(gòu)柱加固施工常分段、分期進(jìn)行，還會因各種干擾而中斷，施工較繁瑣復(fù)雜，并常常存在許多不安全因素?？蚣芙Y(jié)構(gòu)柱加固設(shè)計包括原結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算和加固設(shè)計計算，要求考慮新、舊接哦股強(qiáng)度、剛度、適用壽命的均衡，以及新、舊結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)工作。
有框架結(jié)構(gòu)柱加固工程的特點(diǎn)，根據(jù)幾十年來建筑物加固的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前常用的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)柱加固方法有：改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法、預(yù)應(yīng)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(diǎn)及適用范圍，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以選用【4】。
改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法是指通過增設(shè)支點(diǎn)（柱或托架）的辦法，使結(jié)構(gòu)受力體系（即計算簡圖）得以改變，從而改善框架柱受載及內(nèi)力情況的加固方法。由于增加了支點(diǎn)，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(shè)支點(diǎn)赫爾托梁撥柱法兩種形式。此方法對框架結(jié)構(gòu)柱的補(bǔ)強(qiáng)加固效果較好，但對建筑物的空間使用影響較大，且施工復(fù)雜程度也較高。
預(yù)應(yīng)力加固法即用預(yù)應(yīng)力型鋼撐桿對框架結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行加固的方法。可分為單側(cè)預(yù)應(yīng)力撐桿加固（適用于偏心受壓柱加固）和雙側(cè)預(yù)應(yīng)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(yù)制、減少凈空很少、基本不要求停產(chǎn)進(jìn)行及施工簡便的優(yōu)點(diǎn)。但此種方法不適用于高溫環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，另外需要特別注意盡量減少預(yù)應(yīng)力的損失。
加大截面加固法即通過增大框架結(jié)構(gòu)柱的截面面積和配筋，提高其強(qiáng)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(diǎn)也是比較顯著，主要是現(xiàn)場作業(yè)工作量 大，等于生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(gòu)件四周，型鋼于構(gòu)件間無任何連接，或雖塞填水泥砂漿但仍不能滿足結(jié)合面剪力傳遞要求。以乳膠水泥或環(huán)氧樹脂化學(xué)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(diǎn)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(jìn)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(lǐng)域出現(xiàn)了各式各樣的新型材料，如各種高強(qiáng)度混凝土，纖維增強(qiáng)材料等。其中碳纖維布由于其強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、耐久性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固領(lǐng)域的應(yīng)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(gòu)件表面的補(bǔ)強(qiáng)方法。碳纖維布加固鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)柱具有如下很多的優(yōu)點(diǎn)：適用面廣；高強(qiáng)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(zhì)量易于保證等。當(dāng)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(yīng)用前景。
3大截面柱加固工程實(shí)例分析
下面我們通過一工程實(shí)例，來對框架結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土大截面柱的加固方法進(jìn)行對比分析。某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)住宅樓，開始擬建15層，設(shè)計施工亦照此進(jìn)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度等級為C30.
考慮本工程的實(shí)際情況，由于此樓一層為門面房，故改變結(jié)構(gòu)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(shí)用?？紤]到新舊兩部分共同工作的因素，本工程采用預(yù)應(yīng)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(shè)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(shí)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(jīng)驗(yàn)符合要求[6].采用橫向張拉，預(yù)壓應(yīng)力控制值確定為80Mpa。
施工時為了保證上述壓應(yīng)力控制值，在進(jìn)行橫向張力的同時對型鋼撐桿的應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時觀測，至應(yīng)變?nèi)缦聰?shù)值時結(jié)束張拉：
（5）
按照上述加固方案進(jìn)行施工，基本不影響結(jié)構(gòu)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(shí)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(shè)計荷載就比較大，而采用預(yù)應(yīng)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(shí)驗(yàn)表明，混凝土的力學(xué)性能與所處的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，對靜水壓力較為敏感，在兩向或三向受壓作用下強(qiáng)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?jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》（GBJ10-89）中如下公式進(jìn)行計算：
N= （6）
其中，為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，Acor為柱的核心截面面積，為所配縱筋強(qiáng)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(jù)建筑使用要求，纏繞鋼絲網(wǎng)，分層抹灰高強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(wǎng)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(qiáng)度，充分發(fā)揮了原有大截面框架柱混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，這樣可以增加柱的受壓承載能力二到三
倍。這是預(yù)應(yīng)力撐桿結(jié)構(gòu)法的改進(jìn)，也是其應(yīng)用在大截面框架柱中優(yōu)于其他加固方法的地方。
但是，預(yù)應(yīng)力撐桿加固法容易導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力受損，且較難控制撐桿的預(yù)應(yīng)力值，易使被加固構(gòu)件的上端產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)局部破壞。通常為防止鋼材因環(huán)境潮濕而腐蝕導(dǎo)致承載力下降的問題，還要進(jìn)行定期的維護(hù)，從而加大了加固的費(fèi)用。
前面提到，適用碳纖維布加固有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，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(gòu)件的表面，約束混凝土的橫向變形，從而達(dá)到對柱構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善構(gòu)件受力性能的目的，其受力機(jī)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(diǎn)、破壞過程及計算公式等的研究已經(jīng)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(yù)應(yīng)力撐桿加固法的各種優(yōu)點(diǎn)外，還可避免預(yù)應(yīng)力撐桿加固法的前述弊端，無疑是框架機(jī)構(gòu)鋼筋混凝土大截面柱加固的一種很有應(yīng)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(jìn)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(shí)測混凝土立方體強(qiáng)度，為碳纖維的折剪抗拉強(qiáng)度， =2/3其中2/3為考慮到約束混凝土在達(dá)到極限強(qiáng)度時，實(shí)測碳纖維布的應(yīng)變僅為其極限應(yīng)變的2/3左右而引入的折剪系數(shù)。為柱的穩(wěn)定系數(shù)，、Ac分別為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值及柱的截面積，、分別為鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值及所配縱筋的面積。
當(dāng)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(yù)期的效果【7】
4結(jié)語
本文結(jié)合工程實(shí)例，針對框架結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土大截面柱，對傳統(tǒng)的常用的結(jié)構(gòu)加固方法進(jìn)行了分析對比，指出了各種加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況，為今后此類結(jié)構(gòu)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(qiáng)高效材料，對框架結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土大截面柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固這種應(yīng)用前景十分廣闊的新型加固方法，為工程加固設(shè)計提供了新的思路。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張有才，段敬民.建筑物的檢測、鑒定、加固與改造[M].北京：地震出版社，1997
[2]方鄂華，多層及高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京地震出版社，1999.
[3]Design and Construction Failures-Lesson from Forensic Investingations,Dov Kaminetzky[M].1991
[4]卓尚木，季直倉.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)事故分析與加固[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997
[5]劉聲揚(yáng)，鋼結(jié)構(gòu)[M].武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1992
[6]CECS 25：:9.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1992
[7]艾德武，碳纖維布加固鋼筋混凝土柱抗壓試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用[D].解放軍理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，南京，2001.06
