鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)柱加固中的應(yīng)用研究

李京玲 宋 偉

0 引言

隨著建筑物向大跨度、超高度的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)已不能完全滿足需要。而鋼結(jié)構(gòu)由于耐腐蝕性差、耐火性差等問題適用性也受到一定制約，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮兩種結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。此外組合結(jié)構(gòu)在已有建筑物的維修、改造和加固等方面也有其獨(dú)特優(yōu)勢，與其他加固方式比，具有節(jié)約鋼材、增加建筑空間、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度和承載力、抗震性能好、改善結(jié)構(gòu)疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，在工程加固領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展前景。

柱作為重要的承重體系，隨時(shí)間推移及周圍環(huán)境影響，其結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性可能受到威脅，須進(jìn)行加固才能繼續(xù)維持結(jié)構(gòu)壽命。以下主要介紹柱加固的方法及計(jì)算方法。

1 常見結(jié)構(gòu)柱加固方法

1)角鋼加固法:以型鋼(一般為角鋼)外包于構(gòu)件四角(或兩角)、型鋼(一般為角鋼)之間用綴板相連接的加固方法，見圖1。其優(yōu)點(diǎn)是能大幅度提高承載力，受力較為可靠，施工簡便，現(xiàn)場無濕作業(yè)，工作量小，對截面尺寸和外觀影響小;缺點(diǎn)是耐火性、耐腐蝕性差，需要做專門的防火防腐處理。

2)鋼板加固法:在鋼筋混凝土柱外封閉包一層鋼板，用螺栓將其固定在原混凝土柱上，或采用膠粘劑粘貼在原混凝土柱上，見圖2。其優(yōu)點(diǎn)是能滿足強(qiáng)度、剛度要求，施工速度快、現(xiàn)場無濕作業(yè)或僅有抹灰等少量濕作業(yè)，對結(jié)構(gòu)外觀和原有凈空無顯著影響;缺點(diǎn)是加固效果和施工質(zhì)量及粘膠工藝密切相關(guān)，需要專業(yè)的施工操作，耐火耐腐蝕性較差，需要做專門的防火防腐處理。

3)增大截面面積加固法:剝?nèi)ゾ植靠v筋保護(hù)層，再焊上按計(jì)算求得的新增受力筋，最后澆筑混凝土，見圖3。其優(yōu)點(diǎn)是具有成熟的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，施工工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng);缺點(diǎn)是現(xiàn)場施工的濕作業(yè)時(shí)間長，對結(jié)構(gòu)自重影響大，加固后對建筑物凈空有一定的影響。

圖1 角鋼加固法

圖2 鋼板加固法

圖3 增大截面積加固法

4)碳纖維布加固法:柱外包碳纖維布形成環(huán)向封閉箍，以提高柱的抗剪能力及延性。其優(yōu)點(diǎn)是施工周期短，施工簡單、迅速、方便，在幾乎不增加結(jié)構(gòu)重量的前提下達(dá)到高效加固的目的;缺點(diǎn)是需要專門的施工單位施工，造價(jià)相對較高。

本文主要討論鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)加固混凝土柱中的角鋼及鋼板加固法。

2 結(jié)構(gòu)柱加固基本計(jì)算方法

某部隊(duì)辦公樓，4層框架結(jié)構(gòu)，交付使用后經(jīng)檢測⑤軸框架柱原混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，由于施工養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，而實(shí)際檢測強(qiáng)度僅為C20。該柱計(jì)算高度為4500 mm，截面為450 mm×500 mm，對稱配筋，每邊為。

1)原柱安全性驗(yàn)算:C20混凝土fco=9.6 N/mm2，二級鋼筋fyo'=300 N/mm2，l0=4500 mm，l0/b=4500/450=10，φ =0.98，Aco=450 ×500=225000 mm2，Aso'=1822 mm2。

軸向力設(shè)計(jì)值:N=1.2Gk+1.4Qk=1.2 ×850+1.4 ×2250=4170 kN。

承載力設(shè)計(jì)值:Nu=0.9φ(fcoAco+fyo'Aso')=0.9 ×0.98 ×(9.6 ×225000+300 ×1822)=2387.2212 kN。

2)角鋼加固法:N≤0.9φ(fcoAco+fyo'Aso'+αafa'Aa')。

選用Q235∠100×14型號的角鋼，每米重量為20.6 kg，所以每根柱需用角鋼:

20.6×4×4.5=370.6 kg。

3)鋼板加固法:計(jì)算方法同角鋼加固法得Aa'=10965 mm2，選用7 mm厚Q235鋼板。一根柱鋼板用量為(500+450)×2×7 ×4500 ×10－9×7.8 ×103=466.83 kg。

4)增大截面加固法:假定截面各邊增大100 mm，加固后截面為550×600。

所以所選碳纖維復(fù)合材層數(shù)為1，所選厚度為4。

3 各種加固方式特點(diǎn)的比較

經(jīng)計(jì)算可得以上四種加固方法的單根柱加固經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 柱加固經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

由表1可知四種加固方法均可以滿足承載力要求。方法三造價(jià)最少，但是自重較其他方法大很多，現(xiàn)場濕作業(yè)量大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長，需要較大增加截面面積，對建筑物凈空影響較大。方法四增加自重最小，簡單、迅速、方便、施工周期短，但造價(jià)明顯高于其他方法，且施工難度較大。采用方法一、方法二現(xiàn)場工作量小、施工周期短、對結(jié)構(gòu)空間影響小、方便快捷，雖然造價(jià)較方法三高一些，但是自重較方法三小很多。

綜上，方法一、方法二即鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)加固法，在技術(shù)、施工、綜合效益方面有明顯的優(yōu)勢。

4 加固結(jié)論

本工程的改造實(shí)踐證明，采用鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)可以達(dá)到大幅度提高結(jié)構(gòu)承載力的要求，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益明顯優(yōu)于其他方法。需要加固的柱如外觀要求較高，采用方法二加固較優(yōu);外觀要求不高的柱，方法一更加經(jīng)濟(jì)，且自重小，更加適用。該法可以推廣到使用功能改變荷載需要大幅度提高或使用年限過高承載力下降的建筑加固，對建筑加固技術(shù)的發(fā)展具有重要的參考借鑒意義，值得推廣應(yīng)用。

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