鋼管約束混凝土法加固鋼筋混凝土柱的工程應用

鄒勇，全學友，曹淑上

（1重慶市建筑科學研究院，重慶 400042；2重慶大學土木工程學院，重慶 400044）

0 引言

鋼管約束混凝土柱是近年來在鋼管混凝土柱、箍筋約束混凝土柱的基礎上發(fā)展起來的一種新型組合構件，具有承載力高、延性好、施工方便、經(jīng)濟性能顯著等優(yōu)點。本文通過借鑒鋼管約束混凝土柱在新建結構中的研究應用成果，提出了一種適用于加固改造工程的新方法——鋼管約束混凝土加固法。

鋼管約束混凝土加固法是指利用約束混凝土的概念，采用外包鋼管方式對鋼筋混凝土柱在未卸載情況下進行加固，具有以下優(yōu)點：

（1）可以較大幅度提高抗壓承載力，且不改變抗側剛度；

（2）可根據(jù)需要，僅對某一層或缺陷段進行加固處理，無需再向上、向下延伸一層；

（3）加固施工前無需架設支撐體系對框架柱進行卸載；

（4）加固施工工期較短，施工過程中安全風險較小，加固施工費用相對較低；

（5）加固施工完成后不影響原建筑使用空間。

1 工程概況

某新建超高層建筑由塔樓和裙房組成，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，地下室為7層，地上：塔樓為34層（高度約150m），裙房為6層（高度約40m），其主要功能為商業(yè)、辦公及酒店。結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，耐火等級為一級。

該工程在施工過程中，檢測機構在對已建部分結構實體進行常規(guī)檢測時，發(fā)現(xiàn)裙房地下室有5根框架柱在其一定高度范圍內(nèi)混凝土表觀顏色存在異常且強度存在偏低現(xiàn)象。隨后檢測機構采用回彈法和鉆芯法對上述5根框架柱的混凝土強度進行了詳細檢測，檢測結果見表1。由表1檢測結果可知，上述5根框架柱在層高范圍內(nèi)部分區(qū)段混凝土強度偏低，不滿足設計要求，存在安全隱患，需進行加固處理。

表1 缺陷框架柱原設計基本情況及檢測結果表

存在缺陷框架柱的軸線位置、截面尺寸、配筋情況及軸力設計值見表1。裙房地下室結構平面布置示意圖見圖1。

圖1 裙房地下室結構平面布置示意圖

2 加固方法選擇

2.1 工程特點

該工程具有以下特點：

（1）該工程為在建工程，發(fā)現(xiàn)框架柱混凝土強度缺陷時，已施工至±0.000層，地下室（總共7層）主體結構已完工；

（2）根據(jù)現(xiàn)場檢測結果可知，框架柱在層高范圍內(nèi)僅局部區(qū)段存在混凝土強度掉標現(xiàn)象，缺陷段混凝土為密實狀態(tài)，但混凝土強度較低（由C60掉標至C30）；

（3）該工程為重點示范工程，為減小負面影響，建設單位要求加固施工工期越短越好，且加固處理不能占用建筑使用空間。

2.2 加固方法比選

對鋼筋混凝土柱進行加固處理的常見方法有很多，如增大截面加固法、置換混凝土加固法、外粘型鋼加固法、粘貼纖維復合材加固法等，但上述加固方法均有如下缺點[1-2]：

（1）增大截面加固法：柱截面尺寸增大后會占用建筑使用面積；為保證新舊混凝土之間能整體工作、共同受力，需在新舊混凝土結合面上設置抗剪鋼筋或抗剪鍵；對中間樓層混凝土柱進行加固處理時，加固范圍需從本層向上延伸一層、向下延伸至基礎頂面；另外，柱增大截面加固后會造成其剛度變大，從而改變整體結構的剛度分配并造成整體結構在地震力作用下的內(nèi)力重分布，進而對其他構件的安全使用產(chǎn)生影響，故除對存在缺陷的框架柱進行加固處理外，還需進行整體建模計算復核并對不滿足抗震要求的其他構件進行加固處理。

（2）置換混凝土加固法：置換前需對加固區(qū)域范圍內(nèi)相關構件采取支頂?shù)却胧?，并進行卸載；對于復雜工程，加固施工前需制定專項支撐方案及加固施工順序，在加固施工過程中需進行變形監(jiān)測和控制；故該加固方法施工難度較大、施工周期較長、施工措施費用較高。

（3）外粘型鋼加固法：同增大截面加固法類似，對中間樓層混凝土柱行加固處理時，加固范圍需從本層向下、向上至少各延伸一層（如遇偏心梁柱節(jié)點時，角鋼在上下層之間無法保持連續(xù)，梁柱節(jié)點處細節(jié)處理較為復雜）；同樣，柱外粘型鋼加固后會造成其剛度變大，從而改變整體結構的剛度分配，故除對存在缺陷的框架柱進行加固處理外，還需進行整體建模計算復核并對不滿足抗震要求的其他構件進行加固處理。

（4）粘貼纖維復合材加固法：承載力提高幅度受柱截面形狀及截面尺寸的影響，且承載力提高幅度不大。

綜上所述并結合該工程特點，原有常見加固方法在該工程中已不適用；基于鋼管約束混凝土加固法具有施工方便（無需架設支撐及卸載）、施工工期短、施工費用低以及加固后可較大幅度提高抗壓承載力且不改變抗側剛度等優(yōu)點，故該工程選用鋼管約束混凝土加固法對存在缺陷的鋼筋混凝土柱進行加固處理。

3 加固設計

3.1 承載力計算

框架柱的計算長度、截面尺寸、配筋情況按原設計取值，框架柱缺陷段的混凝土抗壓強度按表1中檢測結果取值，外包鋼管選用Q235級鋼材。按照公式[3]8.2-1計算約束混凝土的抗壓強度設計值fcc，計算結果見表2。由表2計算結果可知，框架柱缺陷段采用鋼管約束混凝土法加固后，缺陷段約束混凝土的抗壓強度設計值fcc大于原混凝土抗壓強度設計值fcc，即采用鋼管約束混凝土法加固框架柱后，其受壓承載力能滿足原設計要求。

表2 鋼管約束混凝土法加固缺陷框架柱的受壓承載力計算結果表

3.2 加固大樣圖

鋼管約束混凝土法加固鋼筋混凝土柱大樣圖見圖2。

3.3 構造要求

（1）框架柱缺陷段的長度應根據(jù)現(xiàn)場檢測結果確定，外包鋼管長度應在缺陷段兩端分別延伸不小于500mm；

圖2 鋼管約束混凝土法加固鋼筋混凝土柱大樣圖

（2）外包鋼管區(qū)段，混凝土表面應進行踢打處理，踢打深度為20～30mm；踢打混凝土前，應采用切割機在分界線處進行切割處理，切割深度為20mm，以保證踢打分界處混凝土表面為平整面；

（3）外包鋼管采用鋼板焊接拼接時，焊縫應保證全熔透，焊縫質量等級應為一級；

（4）外包鋼管與混凝土柱之間的縫隙應采用磷酸鎂水泥漿壓力灌實，以保證加固后的框架柱具有鋼管約束混凝土柱的工作特征。壓力注漿前，應對混凝土基層進行充分潤濕。

4 加固施工流程及工藝要求

4.1 加固施工流程

4.2 加固施工工藝要求

（1）現(xiàn)場復核

加固設計以既有資料和現(xiàn)場檢測為基礎，由于測量誤差，以及結構本身的隱蔽性，材料強度、結構性狀抽樣檢測或檢查的局限性，加固施工前，相關單位需現(xiàn)場對框架柱的軸線位置和缺陷混凝土的高度進行再次確認，如明顯與本加固設計數(shù)據(jù)不符，需另行調整設計方案。

（2）表面處理

設計圖中應給出框架柱加固區(qū)段的高度范圍，現(xiàn)場施工時應根據(jù)設計要求在實體結構上畫線標識。踢打混凝土前，必須采用手提式砂輪機預先在清除范圍邊界上進行水平切割，切割深度為20mm，但應嚴防傷及柱內(nèi)鋼筋。清除表層混凝土可采用人工方式，也可使用輕型電動工具。清除混凝土的深度應均勻，并確保后期鋼板能順利拼裝。根據(jù)設計要求完成柱表面混凝土清除后，應采用高壓水沖洗，表面不得留有浮灰以及松動的混凝土塊；清洗完成的混凝土面在后續(xù)施工過程中不得污染。

（3）鋼管拼裝

鋼管采用鋼板拼裝焊接時，焊縫應保證全熔透，焊縫質量等級為一級，且焊縫應進行探傷檢測，焊接過程應滿足相關現(xiàn)行規(guī)范、標準的要求。為保證鋼管拼裝焊接完成后，其外表面與原混凝土柱表面平齊，鋼板的尺寸應根據(jù)現(xiàn)場實測尺寸下料。鋼管拼裝完成后，需對鋼管上、下邊緣進行封縫處理，封縫必須飽滿，以滿足后期壓力注漿要求。

（4）基層浸潤

壓力注漿前應封閉所有孔口、槽口，然后向鋼管與混凝土柱之間的空隙內(nèi)注滿清潔水，并保水24h，使混凝土基層充分潤濕。然后打開鋼管底部的預留排水孔，使鋼管內(nèi)的水完全排出，并確保鋼管內(nèi)不留明水。

（5）壓力注漿

壓力注漿前，應對磷酸鎂水泥漿進行試配，確保漿液的和易性、流動性，以及漿液工作時間不短于25min，并檢驗注漿設備的可靠性。鋼管與混凝土柱之間的空隙內(nèi)用于潤濕混凝土基層的清潔水放空后，應立即對鋼管與混凝土柱之間的空隙采用磷酸鎂水泥漿進行灌注。水泥漿應同時通過對稱設置在鋼管底部的兩根灌注孔進入，灌注過程不宜過快，并應確保一次成型，注漿過程不應出現(xiàn)間斷停歇。出漿口應高出鋼管上邊緣300mm，當出漿口溢出水泥漿時可停止灌注，同時關閉注漿管防止?jié){液回流。

（6）防火涂裝

外包鋼管表面應按相關規(guī)范要求進行抗火設計，根據(jù)相應的建筑耐火等級及耐火時間選用防火涂料以及確定防火涂料涂刷厚度。

（7）養(yǎng)護及驗收

根據(jù)工程特點及相關規(guī)范要求對加固后框架柱進行養(yǎng)護及驗收。

5 結論

本文通過借鑒鋼管約束混凝土柱在新建結構中的研究應用成果，提出了一種適用于加固改造工程的新方法——鋼管約束混凝土加固法，并通過工程案例詳細介紹了鋼管約束混凝土法加固鋼筋混凝土柱的設計方法、構造要求、施工流程及工藝要求等。鋼管約束混凝土加固法具有施工方便（無需架設支撐及卸載）、施工工期短、施工費用低以及加固后可較大幅度提高抗壓承載力且不改變抗側剛度等優(yōu)點，在加固改造工程中具有廣泛的應用前景。