鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固技術研究與應用

鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固技術研究與應用       
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　　摘要：　本文通過鋼筋混凝土短柱的外包粘鋼加固的試驗，將包鋼與粘鋼方法結合起來，加固后的外包粘鋼與原混凝土之間能共同工作，并在原混凝土內形成二向應力狀態，大大提高了結構整體承載力，并且空間占用較小，現場加固工藝簡便，工期短，對周圍環境影響小的優點。在廣東省電力一局萬益鋼結構廠主廠房鋼筋混凝土柱加固的實際工程應用中，保證了工廠能夠按期完成鋼結構生產任務，取得了良好的經濟效益與社會效益。
　　關鍵詞：　混凝土柱 包粘鋼 加固        
　        
1. 概述
　　混凝土結構加固技術是一門新興的學科，結構試驗研究、理論分析及規范編制等基礎理論工作，近年來均有很大進展。日本在混凝土結構裂縫修補技術方面，較系統全面，編制了《混凝土工程裂縫調查及補強加固技術規程》；原蘇聯在工業廠房加固設計構造方面，積累了較為豐富的經驗，出版有結構加固構造圖集；英國、德國在混凝土結構缺陷修補、防水及防腐處理技術方面，也取得了不少成功經驗。我國近幾年，在混凝土結構抗震加固舊房改造及工程事故處理方面，進行了大量的工程實踐與試驗研究，在國內發表了大量論文，出版了不少著作，并且編有《混凝土結構加固技術規范》（CECS25：90）。
　　鋼筋混凝土結構的耐久性問題已越來越引起人們的關注。美國學者用“五倍定律”形象地說明耐久性的重要性，特別是設計對耐久性問題的重要性。設計時，對新建項目在鋼筋防護方面，每節省1美元，則發現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費用25美元，嚴重破壞時多追加維護費用125美元。這一可怕的放大效應，使得各國政府投入大量資金用于鋼筋混凝土結構的耐久性與加固的研究。除了耐久性外，還有施工質量問題，許多新建的建筑工程也存在較嚴重的工程質量問題和質量事故，這些建筑的加固在整個加固工作中，也占有相當大的比例。
　　對老化或有病害的鋼筋混凝土結構進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、預應力加固法、增設支撐加固法、粘鋼加固法、托梁拔柱技術、增設支撐體系及剪力墻加固法、增設拉結連系加固法、裂縫修補技術等。
　　其中，粘鋼加固法是比較新穎的一種加固方法，它是在混凝土構件表面用特別的建筑結構膠粘貼鋼板，以提高結構承載力的一種加固方法。該方法始于60年代，優點是簡單、快速、不影響結構外形，施工時對生產和生活影響較小。在國際上它是一種適用面較廣的先進的加固方法。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雜。本文擬將濕式外包鋼加固技術與粘鋼加固技術結合起來，用新型結構膠代替乳膠水泥和環氧樹脂化學灌漿，這可給施工帶來較大方便，且型鋼能與原混凝土結構共同受力，同時發揮了外包鋼加固技術與粘鋼加固技術的優點。本文就是要通過對這種新型結構膠的外包粘鋼柱的模型試驗，探討這種加固技術的受力性能。并還針對廣東省電力一局萬益鋼結構加工廠出現的質量問題，把其作為工程加固研究實例，分析其結構受損的原因，提出結構加固的方案及施工措施，并評價加固效果，進一步說明把上述外包粘鋼技術用于工程結構加固的可行性。
2. 鋼筋混凝土短柱膠凝混凝土外包粘鋼加固試驗
　　2.1 試驗目的與試件制作
　　試驗目的為了滿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，使原混凝土柱產生良好的三向應力狀態，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結成整體。
　　為了驗證上述加固方法的加固效果，進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150×150m，柱長600mm，配有4Ф6縱筋，箍筋采用Ф4@150，見圖1（a）。預制四組不同等級的鋼筋混凝土柱，組試件數9根，另外三組試件數均為6根，共預制了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壁做粘接前的表面處理，再二者表面涂上WSI界面膠，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，在組試件的中部貼有橫向和縱向應變片，應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變片，見圖1（c）。
　　組試件數為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 試驗結果
　　將每3根一批的試件在壓力試驗機上做軸壓試驗，應變值為前后兩面應變結果采取均值。極限承載力由3根一批的結果取均值得到。
　　圖2顯示出了未加固柱的軸壓力和應變關系曲線；圖3示出了方形套筒加固柱的軸壓力和應變關系曲線；圖4示出了圓形套筒加固柱的軸壓力和應變關系曲線。
　　試驗得到的承載力結果見表1、表2
表1 試件的試驗結果

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