鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固技術(shù)應(yīng)用.doc

鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固技術(shù)研究與應(yīng)用1. 概述 混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一門新興的學(xué)科，結(jié)構(gòu)試驗研究、理論分析及規(guī)范編制等基礎(chǔ)理論工作，近年來均有很大進(jìn)展。日本在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補技術(shù)方面，較系統(tǒng)全面，編制了混凝土工程裂縫調(diào)查及補強加固技術(shù)規(guī)程；原蘇聯(lián)在工業(yè)廠房加固設(shè)計構(gòu)造方面，積累了較為豐富的經(jīng)驗，出版有結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造圖集；英國、德國在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷修補、防水及防腐處理技術(shù)方面，也取得了不少成功經(jīng)驗。我國近幾年，在混凝土結(jié)構(gòu)抗震加固舊房改造及工程事故處理方面，進(jìn)行了大量的工程實踐與試驗研究，在國內(nèi)發(fā)表了大量論文，出版了不少著作，并且編有混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范（CECS25：90）。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題已越來越引起人們的關(guān)注。美國學(xué)者用“五倍定律”形象地說明耐久性的重要性，特別是設(shè)計對耐久性問題的重要性。設(shè)計時，對新建項目在鋼筋防護(hù)方面，每節(jié)省1美元，則發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時采取措施多追加5美元，混凝土開裂時多追加維護(hù)費用25美元，嚴(yán)重破壞時多追加維護(hù)費用125美元。這一可怕的放大效應(yīng)，使得各國政府投入大量資金用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與加固的研究。除了耐久性外，還有施工質(zhì)量問題，許多新建的建筑工程也存在較嚴(yán)重的工程質(zhì)量問題和質(zhì)量事故，這些建筑的加固在整個加固工作中，也占有相當(dāng)大的比例。對老化或有病害的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是提高其耐久性、延長其使用壽命較有效的辦法，其主要方法有以下幾種：加大截面加固法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、增設(shè)支撐加固法、粘鋼加固法、托梁拔柱技術(shù)、增設(shè)支撐體系及剪力墻加固法、增設(shè)拉結(jié)連系加固法、裂縫修補技術(shù)等。其中，粘鋼加固法是比較新穎的一種加固方法，它是在混凝土構(gòu)件表面用特別的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法。該方法始于60年代，優(yōu)點是簡單、快速、不影響結(jié)構(gòu)外形，施工時對生產(chǎn)和生活影響較小。在國際上它是一種適用面較廣的先進(jìn)的加固方法。不僅在建筑上使用，而且在公路橋梁也普遍采用。外包鋼加固法也是一種使用面較廣的傳統(tǒng)加固方法，分濕式與干式兩種情況。兩者相比，干式外包鋼施工更為簡便，但承載力提高量、整體工作性能及受力特點也不如濕式外包鋼有效。濕式外包鋼加固施工較為復(fù)雜。本文擬將濕式外包鋼加固技術(shù)與粘鋼加固技術(shù)結(jié)合起來，用新型結(jié)構(gòu)膠代替乳膠水泥和環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿，這可給施工帶來較大方便，且型鋼能與原混凝土結(jié)構(gòu)共同受力，同時發(fā)揮了外包鋼加固技術(shù)與粘鋼加固技術(shù)的優(yōu)點。本文就是要通過對這種新型結(jié)構(gòu)膠的外包粘鋼柱的模型試驗，探討這種加固技術(shù)的受力性能。并還針對廣東省電力一局萬益鋼結(jié)構(gòu)加工廠出現(xiàn)的質(zhì)量問題，把其作為工程加固研究實例，分析其結(jié)構(gòu)受損的原因，提出結(jié)構(gòu)加固的方案及施工措施，并評價加固效果，進(jìn)一步說明把上述外包粘鋼技術(shù)用于工程結(jié)構(gòu)加固的可行性。2. 鋼筋混凝土短柱膠凝混凝土外包粘鋼加固試驗2.1 試驗?zāi)康呐c試件制作試驗?zāi)康臑榱藵M足實際工程中提出的在柱子加固時既要大幅度提高其承載力，又要使柱子的橫截面積增大不多，還要整體性強，可靠性高等要求。我們在鋼筋混凝土柱原有的加固方法的基礎(chǔ)上，提出了鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固法。該方法用高強膠凝混凝土少量增大柱子截面，并外包粘角鋼和包粘鋼板，在新增加截面的部分提高柱子承載力的同時，還因新增鋼板箍的橫向約束作用，使原混凝土柱產(chǎn)生良好的三向應(yīng)力狀態(tài)，因而可以大幅度提高柱子的承載力。另因粘的效果還使外包鋼套、高強膠凝混凝土與原柱之間可靠地聯(lián)結(jié)成整體。為了驗證上述加固方法的加固效果，進(jìn)行了鋼筋混凝土的短柱軸壓試驗。未加固的試件為配置了縱筋和箍筋的短柱，截面尺寸150150m，柱長600mm，配有46縱筋，箍筋采用4150，見圖1（a）。預(yù)制四組不同等級的鋼筋混凝土柱，第一組試件數(shù)9根，另外三組試件數(shù)均為6根，共預(yù)制了27根短柱，四組試件混凝土立方體抗壓強度依次為14.7N/mm2、22.6N/mm2、23.6N/mm2、26.0N/mm2。由于柱子尺寸不大，將外包角鋼和鋼板箍用外包鋼板套筒代替。加固步驟是先預(yù)制好鋼筋混凝土短柱，用2mm厚的A3鋼板做好鋼板套筒，要求鋼板套筒與柱子等長，然后將混凝土短柱表面和鋼板套筒內(nèi)壁做粘接前的表面處理，再二者表面涂上WSI界面膠，最后將短柱置于鋼板套筒中，在鋼板套筒與柱之間澆筑高強膠凝細(xì)石混凝土。鋼板套筒采用三種不同的橫斷面。它們分別是邊長為180mm的正方形，邊長為188mm的正方形和直徑212mm的圓形。用邊長為180mm的正方形使柱橫截面面積增加了44%，用邊長為188mm的方形與直徑為212mm的圓形，均使柱截面面積增加了57%，見圖1（b）。為了觀測試件在軸向加載過程中的變形和鋼板箍的橫向約束效果，在第一組試件的中部貼有橫向和縱向應(yīng)變片，應(yīng)變片在前后兩面對稱布置。加固柱除原混凝土柱貼片外，鋼板外套筒也貼有應(yīng)變片，見圖1（c）。第一組試件數(shù)為9根，其中3根不加固，3根按方型截面加固，3根按圓型截面加固。另外三組，每組6根試件。其中3根不加固，3根按方型截面加固。鋼板與混凝土柱間澆筑高強膠凝細(xì)石混凝土的立方體抗壓強度2.2 試驗成果及其分析2.2.1 試驗結(jié)果將每3根一批的試件在壓力試驗機(jī)上做軸壓試驗，應(yīng)變值為前后兩面應(yīng)變結(jié)果采取均值。極限承載力由3根一批的結(jié)果取均值得到。圖2顯示出了未加固柱的軸壓力和應(yīng)變關(guān)系曲線；圖3示出了方形套筒加固柱的軸壓力和應(yīng)變關(guān)系曲線；圖4示出了圓形套筒加固柱的軸壓力和應(yīng)變關(guān)系曲線。試驗得到的承載力結(jié)果見表1、表2表1 試件的試驗結(jié)果組號短柱混凝土的立方體抗壓強度未加固短柱的承載力方形箍筒的承載力提高百分比圓形箍筒加固的承載力提高百分比114.7N/mm2289kN835kN195%1308kN353%222.6N/mm2418kN970kN132%323.8N/mm2440kN990kN125%426.0N/mm2477kN1033kN117%圖1 試件設(shè)計圖2 未加固短柱的軸壓力和應(yīng)變關(guān)系圖3 方形套筒加固短柱的軸壓力與應(yīng)變關(guān)系圖4 示出了圓形套筒加固柱的軸壓力和應(yīng)變關(guān)系表2 試驗值與理論值比較組號未加固短柱的承載力（kN）方形箍筒的承載力（kN）圓形箍筒加固的承載力（kN）理論值試驗值理論值試驗值理論值試驗值1292289935853119013082427418982970344744010029904486477104110332.2.2 試驗結(jié)果分析（1）由第一組未加固短柱的試驗結(jié)果可知，荷載不大時，柱子的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變與軸壓力大致成正比。當(dāng)荷載增大到一定程度，軸壓力與應(yīng)變的變化不再成正比例，應(yīng)變增加比荷載增加要快，最后應(yīng)變失效，表明柱中混凝土的微裂縫迅速發(fā)展。（2）當(dāng)軸壓力小于600kN時，鋼板套筒與混凝土柱的軸向應(yīng)變同步增加，表明鋼板套筒與混凝土柱共同工作情況良好。當(dāng)軸壓力大于600kN時，兩者軸向應(yīng)變差別明顯，分析其原因可能是鋼板套筒與混凝土柱的長短不一致造成的。從鋼板套與混凝土柱的橫向應(yīng)變看，兩者的應(yīng)變也基本同步增加。與軸向應(yīng)變對應(yīng)，當(dāng)軸壓力大于600kN時，橫向應(yīng)變顯著增加或應(yīng)變片失效。（3）第一組按圓形箍加固的短柱軸壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系和橫向應(yīng)變關(guān)系，從軸向與橫向應(yīng)變看，當(dāng)軸壓力小于800kN時，兩者按比例增加。當(dāng)軸壓力大于800kN時，應(yīng)變比軸壓力增加要快，且鋼板套筒與混凝土柱的軸向應(yīng)變相差明顯，原因同方板箍加固，也是三種情況。（4）從最后破壞形態(tài)看，未加固短柱混凝土被壓碎而破壞，方形鋼板套筒加固柱破壞時中部向外凸起，鋼板縱向失穩(wěn)，圓形鋼板套筒加固柱因套筒軸向受壓屈服，起皺失穩(wěn)而破壞。（5）比較第一組試件的極限承載力，方形鋼板套筒加固短柱的承載力比未加固短柱提高了195%，圓形鋼板套筒加固短柱的承載力提高了353%，可見加固效果非常顯著。（6）由第二、三、四組的試驗結(jié)果可以看出，對于不同強度等級的混凝土柱采用相同的加固方法，其混凝土的強度越低，加固后提高的百分比越大，加固的效果愈佳。3. 外包粘鋼柱的承載力計算3.1 短柱未加固的承載能力原柱混凝土的立方體抗壓強度。混凝土的棱柱體抗壓強度由經(jīng)驗公式得：混凝土的橫截面積A=22500mm2。鋼筋的屈服強度鋼筋的橫截面積AS=113mm2當(dāng)短柱達(dá)到極限受壓狀態(tài)時，混凝土的強度達(dá)到了棱柱體的抗壓強度，鋼筋的壓應(yīng)力達(dá)屈服強度，則未加固的鋼筋混凝土短柱的極限承載力（1）第一組混凝土的，則，鋼筋的，混凝土截面面積為22500mm2，鋼筋面積為113N/mm2，代入上式得Nc=292kN。3.2 方形鋼板套筒加固的短柱不考慮套筒的橫向約束，則方形套筒加固的極限承載力為（2）加固用的膠凝細(xì)石混凝土立方體抗壓強度，棱柱體抗壓強度，細(xì)石混凝土截面積A1=1842-1502=11356mm2，A3鋼鋼板的屈服強度，鋼板套筒的橫截面積AS1=41862=1488mm2，代入上式得Nc=935kN3.3 圓形鋼板套筒加固的短柱不考慮套筒的橫向約束，則圓形套筒加固的極限承載力為（3）細(xì)石混凝土截面積A1=1042-1502=11479mm2，鋼板套筒的橫截面積AS1=2102=1319mm2，代入上式得Nc=898kN。3.4 考慮圓形套筒的橫向約束時，可依照韓林海等著鋼管混凝土力學(xué)中的計算公式進(jìn)行混凝土軸壓強度承載力計算：（4）式中：ASC=AC+AS鋼管混凝土截面積，為鋼管混凝土組合軸壓屈服強度極限。通過大量回歸分析計算，得：（5）式中：B=0.1759fy/235+0974，C=0.1038fck/20+00309，為套箍系數(shù)：（6）其中AS為鋼管截面積，AC為混凝土截面積。該計算公式只適用于鋼管內(nèi)為同一種混凝土材料，與本加固試件有差別。為了能用該公式計算，取鋼管內(nèi)的混凝土強度為橫截面積的加權(quán)平均值，且用混凝土的棱柱體抗壓強度代替混凝土的標(biāo)準(zhǔn)強度進(jìn)行計算，于是得：柱內(nèi)混凝土的平均強度=15.9N/mm2B=0.1759240/235+0.974=1.1536C=0.103815.9/20+0.0309=0.05177=0.0388240/15.9=0.584732.57N/mm2考慮柱內(nèi)鋼筋，則3.5 試驗值與計算值比較把（1）式的計算結(jié)果與表1的試驗結(jié)果比較可知，未加固短柱實驗值與理論值非常接近，而方形鋼板套筒加固試驗值比計算值偏低。相對而言，圓形箍板（曲面）的局部穩(wěn)定性較方形箍板（平面）的局部穩(wěn)定性要好，且內(nèi)部混凝土的橫向變形使鋼板套筒環(huán)向受拉，也有利于鋼板套筒的軸向穩(wěn)定性。反過來鋼板套筒的橫向約束使內(nèi)部混凝土具有良好的三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，也提高了混凝土的軸壓強度。從鋼板套筒的失穩(wěn)現(xiàn)象看，最后鋼板只是縱向屈服局部失穩(wěn)，鋼板套筒充分發(fā)揮了軸向抗壓強度。試驗結(jié)果比不考慮橫向約束的計算值高出46%，說明了混凝土的二向受壓應(yīng)力效應(yīng)明顯。與考慮橫向約束的計算結(jié)果比較，試驗值高出計算值10%說明了混凝土內(nèi)部的整體性好，該加固方法達(dá)到了預(yù)期的目的。4. 結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在萬益鋼結(jié)構(gòu)廠廠房加固中的應(yīng)用4.1 萬益鋼結(jié)構(gòu)廠工程簡介及損壞現(xiàn)狀工程概況：萬益鋼結(jié)構(gòu)加工廠是廣東省電力一局安裝公司進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)制造安裝的專門加工廠，該廠位于廣州番禺萬頃沙濱海處的軟土地基上，廠房結(jié)構(gòu)于96年4月建成，96年10月投入使用。在使用過程中，逐漸發(fā)生基礎(chǔ)沉降，經(jīng)過一年的細(xì)致觀測與檢查，除發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)沉陷外，還發(fā)現(xiàn)柱子出現(xiàn)水平裂縫，天車梁及牛腿處均有破損現(xiàn)象，地梁破損嚴(yán)重。廣東省電力一局質(zhì)量檢測中心站于97年10月至11月對廠房構(gòu)件進(jìn)行全面檢測。檢測結(jié)果表明：該廠房存在如下問題：1、基礎(chǔ)沉降問題：首先是最大絕對沉降量大，其絕對沉降量達(dá)350mm，單基礎(chǔ)最大絕對沉降量達(dá)365mm，最小絕對沉降量達(dá)348mm，其次是相對沉降量大，沉降不均勻，最大相對沉降量達(dá)17mm。另外，沉降時間長期難以穩(wěn)定。2、吊車梁質(zhì)量問題：廠房的108根吊車梁中，混凝土強度滿足設(shè)計要求的僅有27根，其余75%的天車梁均不合格。3、柱子的質(zhì)量問題：柱子設(shè)計混凝土強度為C25，檢測結(jié)果表明符合設(shè)計要求的僅為50根，不符合設(shè)計要求的有70根。柱子的破損現(xiàn)狀首先是有些柱已產(chǎn)生水平裂縫，裂縫是明顯的偏心受壓性質(zhì)，水平裂縫由一邊開裂擴(kuò)展，裂縫由寬到窄，有的裂縫使柱橫截面三分之二裂開，最大裂縫寬度達(dá)0.5mm，牛腿與梁連接處發(fā)生四處局部破壞，其中一處為破碎性破壞。4.2 損壞原因分析造成萬益鋼結(jié)構(gòu)廠車間廠房目前這種損壞現(xiàn)象，可以認(rèn)為是下列幾個方面原因造成的：4.2.1 設(shè)計方面的原因：（1）基礎(chǔ)設(shè)計對地基情況了解不夠，采用的樁型、規(guī)格不能有效地滿足承載力要求；（2）樁長設(shè)計為25m，造成部分樁沒有打入巖層，不能承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載；（3）灌入度設(shè)計規(guī)定偏松；（4）原設(shè)計的柱子對5t吊車梁的牛腿處理不當(dāng)；（5）柱子的另一側(cè)10t吊車梁直接放置在柱子上；（6）副車間的屋架梁與柱子的結(jié)點為固定結(jié)點，形成一個剛架，在剛架薄弱處的混凝土容易被拉裂。4.2.2 施工方面的原因。（1）基礎(chǔ)打樁未按圖紙和規(guī)范規(guī)定進(jìn)行施工，造成基礎(chǔ)不均與沉降。（2）上部結(jié)構(gòu)混凝土澆筑強度嚴(yán)重不合格，施工現(xiàn)場混凝土澆筑振搗不密實，強度多數(shù)達(dá)不到圖紙要求，而且在許多地方出現(xiàn)表面混凝土疏松與脫落。4.3 加固方案廠房的整體加固方案原則上是先考慮地基基礎(chǔ)，再處理上部結(jié)構(gòu)。截至1997年12月的觀測資料發(fā)現(xiàn)，各柱的沉降量以達(dá)到規(guī)范規(guī)定的允許沉降范圍內(nèi)，表明廠房基礎(chǔ)已趨于穩(wěn)定，于是取消了原加固地基基礎(chǔ)的方案，只針對上部進(jìn)行加固處理。根據(jù)萬益鋼結(jié)構(gòu)廠房柱混凝土回彈試驗結(jié)果，即使把原設(shè)計的混凝土強度等級C25降低標(biāo)準(zhǔn)使用，降到強度等級為C20，仍有22根柱達(dá)不到要求，占實測數(shù)的30%。其中A、D列柱有6根達(dá)不到要求，B、C列柱有16根達(dá)不到要求，其中B18柱實測強度僅為12.4N/mm2，其它柱則在14.9N/mm2以上。可知加固的工程量很大，為了不影響生產(chǎn)，只能采取邊生產(chǎn)邊加固的方法。顯然傳統(tǒng)的加固方法無法滿足上述要求，一般的外部粘鋼加固技術(shù)也不適合該廠房的加固。前面已提到，鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固法，用高強膠凝混凝土少量增大柱子截面，并外包粘角鋼和包粘鋼板，在新增加截面的部分提高柱子承載力的同時，還因新增鋼板箍的橫向約束作用，使原混凝土柱產(chǎn)生良好的三向應(yīng)力狀態(tài)，因而可以大幅度提高柱子的承載力。另因粘的效果還使外包鋼套、高強混凝土與原柱之間可靠地聯(lián)結(jié)成整體。外包粘鋼加固方法不僅能滿足廣東省電力一局提出的在柱子加固時既要大幅度提高其承載力，又要使柱子的橫截面積增大不多的要求，而且具有整體性強，可靠性高等優(yōu)點。第二章的試驗也證明，在萬益鋼結(jié)構(gòu)廠采用這種方法加固鋼筋混凝土柱，在理論上是可行的，在實際操作上簡便易行，加固時對萬益廠生產(chǎn)影響較小，且工期短，見效快。這種加固方法較好地解決了萬益鋼結(jié)構(gòu)廠的加固上的技術(shù)難題和并緩解了因加固影響生產(chǎn)的矛盾。由此可見，選擇外包粘鋼加固方案是較為合適的。萬益鋼結(jié)構(gòu)廠的柱網(wǎng)平面圖及外包粘鋼方案見圖5、圖6。對上述加固方案進(jìn)行了計算。A、D柱列的6根不合格柱中最低的混凝土溫度為17.1N/mm2，加固后承載能力可達(dá)到6.0106N，而按C20混凝土計算的承載力僅為12.4N/mm2，加固后的承載力經(jīng)計算可達(dá)到7.6106N；可知，加固后的柱均可在降低使用標(biāo)準(zhǔn)的前提下滿足要求。4.4 加固施工及檢驗4.4.1 常規(guī)粘鋼施工要點粘鋼加固的效果主要取決于粘結(jié)施工質(zhì)量。粘鋼加固施工應(yīng)嚴(yán)格按下列工藝流程進(jìn)行，并由專業(yè)化施工隊伍施工。表面處理（）粘貼固定及加壓固化檢驗防腐處理4.4.2 柱子外包粘鋼加固施工步驟（1）實際測量柱子各細(xì)部尺寸。（2）根據(jù)加固設(shè)計圖紙及柱子實際尺寸，進(jìn)行材料（鋼板和型鋼）剪裁。（3）在地面上將各種鋼材焊接起來，形成幾個部分。（4）通過定滑輪將各部分幣裝在柱子上，通過焊工，將各部分型鋼焊接起來，形成加固柱子的框架。（5）由下而上分別焊接地腳板、加力板、拉勁板。（6）對需要灌界面膠泥砂漿的部分，進(jìn)行混凝土表面處理，鋼板除銹及涂刷界面膠劑。（7）灌界面膠泥砂漿時，應(yīng)每焊接一塊高50cm鋼板就灌漿一次，保證所灌的結(jié)構(gòu)膠泥砂漿密實。（8）焊接完畢后，對加固的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理。4.4.3 外包粘鋼施工檢驗內(nèi)容（1）粘鋼混凝土表面清理干凈，呈新混凝土表面，無粉塵，