大學生科技創(chuàng)新項目 異形柱在火災后的加固方法

張鑫洪 張嘉鋮 孔海華 李淑欣 黎泉旭

（華南農(nóng)業(yè)大學，廣東 廣州 510642）

1 概述

異形柱是異形截面柱的縮略稱號，異形截面是指異形柱的幾何形狀截面與一般普通的矩形截面相比有較大的差異。一般來說，異形柱的幾何形狀截面多為 L形、T形及十字形，并且截面上各肢的肢高肢厚比不大于4。混凝土異形柱在受力性能上比普通的混凝土柱要好，但它的延性跟普通柱相比要遜色幾分，最重要的是異形截面柱與一般框架柱相比，它的截面面積小，可以避免室內(nèi)局部柱突出的現(xiàn)象，室內(nèi)可使用面積較大，為建筑設計及使用功能提供了更多的選擇。近年來，異形柱的研究在各大高校和研究機構(gòu)普遍展開，對于異形柱的結(jié)構(gòu)特點以及受力性能和抗火性能等的研究成果較多，這些研究成果使得異形柱的使用更加廣泛和合理，一系列研究成果也使得異形柱的優(yōu)點被更大程度的利用，同時也對異形柱結(jié)構(gòu)本身存在的一些問題提供了解決和處理方法。綜上所述,異形柱憑借其突出的自身優(yōu)點,從而在當今的民用建筑領域獲得了極為廣泛的應用和發(fā)展前景。

2 異形柱的適用條件

自20世紀70年代，國內(nèi)為了貫徹環(huán)境保護的政策，開始在建筑業(yè)內(nèi)禁止使用燒結(jié)黏土磚，多稱為“紅磚”，在這樣的環(huán)境下，建材改革是不可避免的，異形柱就是該改革的重要產(chǎn)物之一。鑒于其功能上的優(yōu)越性，于上世紀八十年代改革開放初期，廣東地區(qū)的6-9層商品住宅區(qū)大量使用異形柱，取得了豐富的研究數(shù)據(jù)和設計成果。異形柱的大量使用在空間使用方面極大的滿足了人們的需求，但值得注意的是早期大部分異形柱在建造時使用的是普通的鋼筋混凝土，并未使用防火材料，經(jīng)過30多年，大部分房屋已經(jīng)老化，發(fā)生火災的概率大幅提升，且在經(jīng)歷火災之后，柱的結(jié)構(gòu)性能會大幅下降而對整棟建筑造成影響，尤其是異形柱本身在截面較小，保護層較薄，導致其性能下降更加明顯和嚴重。因此火災后對異形柱的加固是十分有必要的。

3 加固方法

目前在加固領域內(nèi)，已有且較為成熟的加固方法有：鋼板加固法、CFRP材料加固法、預應力加固法等。本文對以上三種方法進行調(diào)研分析，對其加固施工流程、加固效果及使用范圍進行總結(jié)。

3.1 鋼板加固

首先，柱外包鋼加固法是指將型鋼材料外包于混凝土柱的兩角或四角，將角鋼焊在扁鋼箍上，以達到使其剛度和受力性能增強的一種加固技術；柱外包鋼加固法施工流程：結(jié)構(gòu)面清理放線→打磨混凝土浮層→打磨鋼板→進行組裝焊接→埋管注膠→養(yǎng)護→驗收；其次，粘鋼加固法是指用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面，以達到使其結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力提高的一種加固技術。粘鋼加固法施工流程：打磨處理粘貼面→準備加壓固定和卸荷系統(tǒng)→進行膠黏劑調(diào)配→進行涂膠、粘貼→固化、卸加壓固定系統(tǒng)→驗收。

鋼板加固方法的適用范圍：

1.此加固法適用于只受靜力作用的一般受彎及受拉構(gòu)件。

2.不宜使用此加固法加固混凝土等級小于C15的構(gòu)件。

3.加固過程使用的膠及膠黏劑需達到國家等級要求。

4.此加固法應在溫度小于60℃、濕度小于70%環(huán)境使用，若超過此范圍，應采取相應的防護措施。

3.2 CFRP材料加固

CFRP是指一種新興的碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)，它的特點是輕質(zhì)并且高強。CFRP作為最近新興的一種加固材料，它的比重小，質(zhì)強比大，抗拉強度可以達到鋼筋的10倍。

在進行CFRP材料加固之前，應該將原結(jié)構(gòu)的部分荷載盡可能地卸去，使CFRP材料加固施工時原結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的荷載作用能夠降低到最低程度。CFRP材料加固施工工序為：基底處理混凝土→涂抹底層涂料→進行殘缺修補（用環(huán)氧膩子）→貼CFRP→進行養(yǎng)護→進行涂裝→驗收。

適用范圍。適用于各種形式的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的加固補強

施工主意事項：

1.施工環(huán)境的溫度不宜低于5℃，環(huán)境相對濕度不宜大于85%，若環(huán)境未達到適宜，則難以取得較好的加固效果。

2.施工時應將CFRP材料防治在遠離可能放電的地方，涂料應避免陽光直射。

3.作業(yè)人員施工時要佩戴齊全安全防護用品，保持施工現(xiàn)場環(huán)境通風良好。

4.施工時若涂料掉落在皮膚上,應馬上用肥皂水沖洗,若濺入眼內(nèi)則清水清洗或及時就醫(yī)。

3.3 預應力加固

預應力加固法是指通過采用型鋼撐桿或者外加預應力鋼拉桿的形式，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件或整體進行加固的一種方法。它原理是通過加入預應力的手段作用后使得外加的撐桿或拉桿受力，從而達到使原結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布改變和原結(jié)構(gòu)應力水平降低的效果，可以完全消除一般加固結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的應力應變滯后現(xiàn)象。

外加預應力加固法工藝流程：清理原結(jié)構(gòu)表面→劃線確定預應力桿需要施加→預應力桿制作→鑿毛清理需要安裝錨具的混凝土→界面的處理→安裝連接和錨固件→相關張拉裝置的安裝→張拉力控制→完工驗收。

預應力加固技術的適用范圍：

1.使用預應力加固法的原混凝土構(gòu)件的截面尺不得大于一定的限值；構(gòu)件的上部荷載可能會在后續(xù)工程中繼續(xù)增加；原本的使用功能需要進行一定的改變；原結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于高應力的狀態(tài)，并且上面的荷載很難卸載。

2.當原梁、板混凝土構(gòu)件的正截面受彎承載力不足時，可選擇采用外加預應力鋼拉桿的形式；若承載力不足的桁架結(jié)構(gòu)的也可以選擇采用外加預應力鋼拉桿的形式。

3.宜在環(huán)境溫度小于60℃的環(huán)境下施工，否則應采取有效措施防護。

4 結(jié)論

通過本文前面的總結(jié)，下表是對上述加固方法的直觀對比。

加固方法 優(yōu)點 缺點 成本分析images/BZ_312_1863_2451_2184_2495.pngimages/BZ_312_1855_2497_2193_2540.png較低images/BZ_312_1982_2543_2065_2586.png、images/BZ_312_1855_2614_2193_2657.png 較高images/BZ_312_1921_2660_2126_2703.png高、后期維護處理難度較大 較高images/BZ_312_1863_2731_2184_2774.png堅固耐用、施工快速、鋼板加固 簡潔輕巧、靈活多樣、經(jīng)濟合理強度高、施工方便迅速CFRP材料加固 施工空間無限制、抗酸堿、耐腐蝕預應力加固 施工便捷、材料可以單獨進行更換、經(jīng)濟可靠

綜上所述，異形柱框架結(jié)構(gòu)從使用層面因其獨特的優(yōu)勢已大量使用但從其結(jié)構(gòu)層面來說存在一定的缺陷，從現(xiàn)實使用層面來說現(xiàn)有異形柱需要考慮火災后的加固。因此本文所列出各種加固方法及其施工工藝、優(yōu)缺點、成本。以供相關人員在充分分析實際工程特點后進行選擇。