外包粘鋼法加固柱在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

武 莽,崔熙光,王 帥

(1.沈陽建筑大學,遼寧 沈陽 110168; 2.遼寧省建筑設(shè)計研究院,遼寧 沈陽 110015)

鋼筋混凝土是耐久性較好的一種材料,但如果設(shè)計、施工中存在缺陷,結(jié)構(gòu)長期處于耐腐蝕環(huán)境中,以及正常使用中的材料老化、構(gòu)件開裂等,都將導致結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部損壞或破壞。在建筑結(jié)構(gòu)工程中常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)補強加固方法有加大截面加固法、外貼碳纖維加固法、噴射混凝土技術(shù)加固法、外包鋼加固法、外包粘鋼加固法等[1]。其中,外包粘鋼加固法由于具簡單、快速、不影響結(jié)構(gòu)外形,施工時對生產(chǎn)和生活影響較小等優(yōu)點。在建筑及公路橋梁中應(yīng)用廣泛。本文僅對外包粘鋼加固技術(shù)進行研究。

針對鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固法的試驗以往已做過一些[2]、[3],但由于灌漿料的不同,其試驗結(jié)果也有一定的差別。本文采用 CGM(一種灌漿料,其特點如下:塑性膨脹和硬化期膨脹的雙重效應(yīng);大流動度、不泌水、不離析,保證施工更加簡便快捷,確保施工質(zhì)量;早強、高強,灌漿 24 h后確保設(shè)備正常運行;不腐蝕鋼筋,抗油滲,耐久性好)水泥基灌漿料來進行試驗,以論證采用鋼板和 CGM填料加固混凝土柱的可行性。

1 混凝土短柱外包粘鋼加固試驗

1.1 試驗目的

主要研究混凝土柱短時間軸心受壓時的力學性能和強度承載力。通過分析外包粘鋼加固混凝土柱承載力的計算方法,對不同形式鋼板套筒加固方法的效果進行比較,論證采用鋼板和 CGM填料加固混凝土柱的可行性。

1.2 試驗加載

本試驗屬于結(jié)構(gòu)單調(diào)靜載試驗,是結(jié)構(gòu)試驗中最常用的一種試驗方式。結(jié)構(gòu)單調(diào)靜載試驗是指在短時間內(nèi)對試驗對象進行平穩(wěn)地一次連續(xù)施加荷載,荷載從零開始一直加到結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞,或是在短時期內(nèi)平穩(wěn)地施加若干次預定的重復荷載后,再連續(xù)增加荷載直到結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞。其加載是在萬能試驗機上進行。

1.3 試件制作

為了驗證上述加固方法的加固效果,應(yīng)進行鋼筋混凝土的短柱軸壓試驗?？蛇x擇配置了縱筋和箍筋的短柱作為未加固試件,其截面尺寸選為 150 mm×150mm,柱長為 600 mm,配有 46縱筋,箍筋采用 6@100,如圖 1所示。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。

圖1 短柱試件尺寸及配筋

1.3.1 試件尺寸及制作

(1)原混凝土柱的截面為 b×h=150mm×150mm,柱高為 600mm。

(2)混凝土養(yǎng)護 28 d后,對混凝土柱進行外包粘鋼加固。在原混凝土柱的四周用厚度為2mm不同尺寸的鋼板包住,再在鋼板與原混凝土柱試件之間加灌漿料,如圖 2所示。將試件分成 4組: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。試件加固形式及立方體抗壓強度見表1。

?

?

1.3.2 加固施工步驟

鋼板套筒采用 3種不同的橫截面,分別是邊長為 180 mm、188mm的正方形和直徑為 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 188 mm的正方形與直徑為 212mm的圓形,使柱橫截面面積增加了 57%,如圖 2所示。

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。加固柱除原鋼筋混凝土柱貼應(yīng)變片外,鋼板外套筒也貼有應(yīng)變片[4]。

圖2 短柱試件加固后的橫截面

1.4 試驗結(jié)果與分析

將每 3根一組的試件在壓力試驗機上做軸壓試驗,應(yīng)變值為前后兩面應(yīng)變結(jié)果,取均值。極限承載力由 3根一組的結(jié)果取均值得到。試驗得到的承載力。結(jié)果見表2。

?

(1)試驗加載過程中發(fā)現(xiàn),未加固柱和加固柱的破壞形態(tài)各不相同,差異較大。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。

(2)由應(yīng)變片的讀數(shù)可知,在荷載不大時,柱子的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變與軸壓力大致成正比;當荷載增大到一定程度時,軸壓力與應(yīng)變的變化不再成正比,應(yīng)變增加比荷載增加要快;最后應(yīng)變失效,表明未加固短柱中混凝土的微裂縫迅速發(fā)展。

(3)鋼板套筒與混凝土柱共同工作情況良好。當軸壓力小于 600 kN時,鋼板套筒與混凝土柱的軸向應(yīng)變同步增加;當軸壓力大于 600 kN時,兩者軸向應(yīng)變差別明顯。其原因可能是鋼板套筒與混凝土柱的長短不一致造成的。從鋼板套筒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),當軸壓力大于 600 kN時,橫向應(yīng)變顯著增加或應(yīng)變片失效。

(4)在鋼筋混凝土短柱上采用方形鋼板套筒和圓形鋼板套筒進行加固,所增加的柱橫截面面積相同,圓形鋼板套筒加固使短柱的承載力提高更加顯著。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 213%,圓形鋼板套筒加固短柱的承載力提高了 369%,可見加固效果非常顯著。

(5)從表 2中二、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,加固的效果越佳。

2 結(jié)論

(1)原混凝土柱強度越低,加固后效果越顯著對不同強度等級的混凝土柱用同規(guī)格的方形鋼板套筒加固發(fā)現(xiàn),原混凝土柱強度越低,加固后承載力提高的百分比越大,即加固效果越顯著。

(2)外包粘鋼結(jié)構(gòu)與混凝土柱的結(jié)合情況良好,CGM填料以水泥作為結(jié)合劑,具有高流態(tài)、微膨脹、防離析、強度高等優(yōu)點,從混凝土柱與鋼板的應(yīng)變規(guī)律看,外包粘鋼結(jié)構(gòu)與混凝土柱的共同工作情況良好。

(3)用圓形加固方案加固,用鋼量少,且可以大大提高承載力,加固效果更佳,在增大同樣橫截面面積的情況下,圓形加固方案比方形加固方案用鋼量少而承載力卻高出一半。

[1]CECS25:90混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S]

[2]劉勻,張林緒,姜維山.鋼筋混凝土柱外包鋼加固試驗報告[R].西安建筑科技大學結(jié)構(gòu)所,1998

[3]林友勤,龔光,宗周紅.外包鋼加固短柱軸心抗壓實驗研究[J].福州大學學報,2002(4):221-224

[4]Marco Arduini Angelo Di Tom Maso,Antonio Nanni.Brittle Failure Plate and Sheet Bonded Beams[J].ACI St Ructural Journal,1997,94(4):363-370