大截面框架柱加固方法及案例分析
2013-12-24
1引言
工程质量是关系国家财产和人民生命安全的一件大事。今年来，我国连续发生了几起重大的工程质量事故，引起了全国上下极大的关注。1996年10月。建设部组织召开了全国建设工程质量工作会议，对工程质量状况进行了全面分析，提出了关注工程质量综合治理的措施。钢筋混凝土结构是当前应用最多的结构型式，若钢筋混凝土结构由于种种原因不能满足安全性、适用性、耐久性的要求，且经过建筑物可靠性鉴定为c级或d级的，必须进行补强加固处理[1]。
柱是建筑结构中的基本受力构件之一，气承载力的大小对结构的俺去昂适用起着至关重要的作用。柱是压弯构件，受很大的轴力，这种受力状态决定了柱的延性较小，而作为结构的主要承载部分，柱子破坏将引起严重后果，不易修复甚至引起结构倒塌。为此，在钢筋混凝土框架设计中，要控制梁柱的相对强度，使塑性铰先在梁端出现，尽量避免或减少柱子中的塑性铰【2】。国内历次大地震中，有钢筋混凝土柱失效造成的震害是很多的。我国也是个多地震国家，许多地区都处在地震区，在这些地区中，对建筑结构进行抗震加固，一级对震损结构的修补常常是结构工程师的主要工作内容。在抗震设计和加固中，尤其要求对钢筋混凝土柱这一主要承重构件进行局部加强，使其满足有关承载力和延性要求，这就需要有一些行之有效的加固措施。今年来随着高层超高建筑的兴起，大截面柱应用越来越多，本文结合钢筋混凝土大截面柱加固的工程实例，将其较为常用的加固方法进行对比分析，为今后这种构件加固及其进一步的研究提供参考【3】。
2框架柱加固的特点及常用方法
我国从50年代就开始了结构的加固处理，及时年来，国内许多混凝土结构的加固工程实例，积累了丰富的实践经验。90年代初我国即颁布了《混凝土结构加固技术规范》（CECS25；9），总结了我国成熟的加固技术，适用于多种原因造成的结构、构件的补强加固处理，对推动加固技术的发展起到很大作用。而无论从工厂应用还是从接结构理论上来看，柱的加固，近年来尤其是框架结构柱的加固，都是结构加固工程中一个十分重要的组成部分。
造成钢筋混凝土柱承载力不够的原因大致有设计错误，施工粗糙，使用不当，变更用途径和遭遇自然灾害等。框架结构柱加固与新建工程框架结构的设计不尽相同，主要针对已建的工程，受客观条件所约束，针对具体现存条件进行加固设计与施工。往往是在不停产或尽量少停产的条件下施工，要求施工速度快、工期短。且施工现场狭窄、拥挤，常受生产设备、管道和原有结构的制约，大型施工机械难以发挥作用，还往往对原有的和相邻的结构、构件有不良影响。框架结构柱加固施工常分段、分期进行，还会因各种干扰而中断，施工较繁琐复杂，并常常存在许多不安全因素。框架结构柱加固设计包括原结构的验算和加固设计计算，要求考虑新、旧接哦股强度、刚度、适用寿命的均衡，以及新、旧结构的协调工作。
有框架结构柱加固工程的特点，根据几十年来建筑物加固的实践经验，当前常用的钢筋混凝土框架结构柱加固方法有：改变结构传力途径加固法、预应力加固法、加大截面加固法、外包钢加固法以及粘贴碳纤维加固法等。各种加固方法都有其各自的优缺点及适用范围，应根据实际情况加以选用【4】。
改变结构传力途径加固法是指通过增设支点（柱或托架）的办法，使结构受力体系（即计算简图）得以改变，从而改善框架柱受载及内力情况的加固方法。由于增加了支点，减小了计算跨度，因而能够较大幅度的提高柱的承载能力，减小和限制柱的变形。此种方法主要有增设支点赫尔托梁拨柱法两种形式。此方法对框架结构柱的补强加固效果较好，但对建筑物的空间使用影响较大，且施工复杂程度也较高。
预应力加固法即用预应力型钢撑杆对框架结构柱进行加固的方法。可分为单侧预应力撑杆加固（适用于偏心受压柱加固）和双侧预应力撑杆加固（适用于轴心受压柱加固）。这种加固方法具有可预制、减少净空很少、基本不要求停产进行及施工简便的优点。但此种方法不适用于高温环境下的混凝土结构，另外需要特别注意尽量减少预应力的损失。
加大截面加固法即通过增大框架结构柱的截面面积和配筋，提高其强度、刚度、稳定性及抗裂性，满足正常适用要求。这种加固方法的缺点也是比较显著，主要是现场作业工作量 大，等于生产生活影响较大及影响房屋外观净空等。、
外包钢加固法即在框架结构柱四周以型钢以提高其承载力。又可分为干式和湿式两种。干式外包钢加固即将型钢直接外包于被加固构件四周，型钢于构件间无任何连接，或虽塞填水泥砂浆但仍不能满足结合面剪力传递要求。以乳胶水泥或环氧树脂化学灌浆等方法粘贴型钢时，称为湿式外包钢加固。此种加固方法优点是可大幅度提高柱承载能力，施工简便，工期短。但外包钢必须进行防腐处理，防止高温环境，以提高其耐久性。
近年来，土木工程领域出现了各式各样的新型材料，如各种高强度混凝土，纤维增强材料等。其中碳纤维布由于其强度高、重量轻、耐腐蚀、耐久性好等诸多优点，在混凝土结构补强加固领域的应用发展尤为迅速。碳纤维加固法是指用碳纤维布配套用胶将碳纤维布粘贴于混凝土构件表面的补强方法。碳纤维布加固钢筋混凝土框架结构柱具有如下很多的优点：适用面广；高强高效；具有极佳的耐腐蚀性、抗渗性及耐久性能；抗疲劳性能和减震性能好；施工便捷、质量易于保证等。当然，此种方法的理论研究目前还不是很成熟，但无疑具有较为广阔的应用前景。
3大截面柱加固工程实例分析
下面我们通过一工程实例，来对框架结构钢筋混凝土大截面柱的加固方法进行对比分析。某钢筋混凝土框架结构住宅楼，开始拟建15层，设计施工亦照此进行。后欲加建两层，改为17层，因而需采取牟宗加固措施来提高结构的承载能力。本文主要介绍一层柱的加固，一层柱高3.8米，700*600mm矩形截面，受力纵筋为20根直径为25mm的钢筋，箍筋采用间距为100mm直径为10mm的钢筋，混凝土强度等级为C30.
考虑本工程的实际情况，由于此楼一层为门面房，故改变结构传力途径加固法、加大截面加固法这类影响房屋净空及外观的方法就不太实用。考虑到新旧两部分共同工作的因素，本工程采用预应力撑杆加固法
由L0/b=6.3,查表可得： =1，则原柱承载力N0为【5】:
N0= （1）
加层后，设计荷载N共为10576KN，则需由撑杆承受的受压承载力N2为：
N2=N-N0=1233KN （2）
则角钢截面积计算为：
==6523mm2 （3）
选择4L110 8，其截面积为 =6896mm2。实际提高值为：
N==1303KN （4）
另外，选用轴心间距为200mm宽为60mm厚为6mm的缀板，经验符合要求[6].采用横向张拉，预压应力控制值确定为80Mpa。
施工时为了保证上述压应力控制值，在进行横向张力的同时对型钢撑杆的应变进行实时观测，至应变如下数值时结束张拉：
（5）
按照上述加固方案进行施工，基本不影响结构的净空及外观，且施工不简洁，不要求停工，还可以使新旧部分能较好地共同工作，可其不失为此类工程加固的一种较为实用的方法。
但是，我们可以看到，对于此类工程这样的大截面柱，加固前柱的设计荷载就比较大，而采用预应力撑杆加固法加固的幅度相对来说就显得较低，撑杆的承载力与整个加固后的柱子承载力之比为1303/（1303+9343）=0.12。各种研究和实验表明，混凝土的力学性能与所处的应力状态相关，对静水压力较为敏感，在两向或三向受压作用下强度和延伸性有大幅度提高，可考虑减小缀板间距，处理好原柱于缀板间局部剪力传递，发挥缀板约束混凝土横向变形的作用。可根据《混凝土结构设计》（GBJ10-89）中如下公式进行计算：
N= （6）
其中，为混凝土轴心抗压强度，Acor为柱的核心截面面积，为所配纵筋强度，为所配纵筋截面面积，为间接钢筋的截面面积，Asso为间接钢筋的换算截面面积，由下式计算：
Asso= （7）
其中，dcor为柱的核心直径，Assl为单根间接钢筋的截面面积，s为沿柱轴线方向间接钢筋的间距。
另外，可根据建筑使用要求，缠绕钢丝网，分层抹灰高强度水泥砂浆。这样不但利用了撑杆直接承受轴向力，而且挖掘了撑杆结构约束混凝土柱横向变形能力，充分利用了加固材料的作用。钢丝网筒壳即可解决撑杆防锈蚀和防火的问题，又能起到箍紧混凝土柱子的作用。通过约束混凝土柱横向变形，提高了核芯混凝土的受压强度，充分发挥了原有大截面框架柱混凝土的轴心抗压强度，这样可以增加柱的受压承载能力二到三
倍。这是预应力撑杆结构法的改进，也是其应用在大截面框架柱中优于其他加固方法的地方。
但是，预应力撑杆加固法容易导致预应力受损，且较难控制撑杆的预应力值，易使被加固构件的上端产生应力集中而出现局部破坏。通常为防止钢材因环境潮湿而腐蚀导致承载力下降的问题，还要进行定期的维护，从而加大了加固的费用。
前面提到，适用碳纤维布加固有许多独特的优点，在约束混凝土方面也能够收到很好的效果。碳纤维布加固加固钢筋混凝土柱的原理是用粘贴剂把碳纤维布粘贴在柱构件的表面，约束混凝土的横向变形，从而达到对柱构件补强加固及改善构件受力性能的目的，其受力机理累死螺旋箍筋混凝土与钢管混凝土等约束混凝土。螺旋箍筋混凝土和钢管混凝土的受力特点、破坏过程及计算公式等的研究已经较为成熟，而碳纤维布加固钢筋混凝土柱在正截面受荷载时的力、变形与约束混凝土的情况是一致的，可以引用已有的约束混凝土的分析方法来讨论碳纤维布对钢筋混凝土柱的约束作用。而且粘贴碳纤维布加固法除了具有预应力撑杆加固法的各种优点外，还可避免预应力撑杆加固法的前述弊端，无疑是框架机构钢筋混凝土大截面柱加固的一种很有应用前景的方法。
碳纤维布就柱承载力的初步计算可找下式进行：
N= （8）
其中，为含有纤维特征，为反映碳纤维相对用量的一个与箍筋特征值相似的无量纲量，，为碳纤维布与约束混凝土的体积比，为实测混凝土立方体强度，为碳纤维的折剪抗拉强度， =2/3其中2/3为考虑到约束混凝土在达到极限强度时，实测碳纤维布的应变仅为其极限应变的2/3左右而引入的折剪系数。为柱的稳定系数，、Ac分别为混凝土的抗压强度设计值及柱的截面积，、分别为钢筋的抗压强度设计值及所配纵筋的面积。
当然，粘贴纤维布加固方法还只是一种新兴的尚不成熟的加固方式，其受力原理，尤其是界面的受力情况研究还不是很完善。另外，一定要采取足够的锚固措施，防止碳纤维布与混凝土的粘贴面发生剥离破坏，只有这样，才能高中碳纤维布加固能取得预期的效果【7】
4结语
本文结合工程实例，针对框架结构钢筋混凝土大截面柱，对传统的常用的结构加固方法进行了分析对比，指出了各种加固方法的优缺点及适用情况，为今后此类结构柱的加固提供了参考。此外，本文还介绍了碳纤维布这种新型高强高效材料，对框架结构钢筋混凝土大截面柱进行补强加固这种应用前景十分广阔的新型加固方法，为工程加固设计提供了新的思路。
参考文献：
[1] 张有才，段敬民.建筑物的检测、鉴定、加固与改造[M].北京：地震出版社，1997
[2]方鄂华，多层及高层建筑结构设计[M].北京地震出版社，1999.
[3]Design and Construction Failures-Lesson from Forensic Investingations,Dov Kaminetzky[M].1991
[4]卓尚木，季直仓.钢筋混凝土结构事故分析与加固[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1997
[5]刘声扬，钢结构[M].武汉工业大学出版社，1992
[6]CECS 25：:9.钢筋混凝土结构加固技术规范[S].北京：中国计划出版社，1992
[7]艾德武，碳纤维布加固钢筋混凝土柱抗压试验研究及工程应用[D].解放军理工大学硕士学位论文，南京，2001.06
