后置鋼管式鋼筋混凝土柱軸壓力分配系數(shù)分析

萬凌昕，朱華，肖亞明

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院空間結(jié)構(gòu)所，安徽 合肥 230009）

0 前言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，具有強(qiáng)度高、塑性好、韌性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其中外部的鋼管和內(nèi)部的混凝土可以相互加強(qiáng)，在外部鋼管的約束下可提高內(nèi)部混凝土的強(qiáng)度和塑性性能，同時(shí)由于內(nèi)部混凝土的存在可以避免或者延緩鋼管過早的發(fā)生局部屈曲[1]。兩種材料相互加強(qiáng)，相互彌補(bǔ)彼此的弱點(diǎn)。在鋼管混凝土的基礎(chǔ)上又延伸了許多鋼管組合結(jié)構(gòu)，例如鋼套管混凝土柱、鋼管混凝土疊合柱等。后置鋼管式鋼筋混凝土柱是在鋼管混凝土的基礎(chǔ)上，結(jié)合外包鋼加固方法、鋼管混凝土疊合柱方法提出的一種新型的加固鋼筋混凝土柱的方法。

1 加固設(shè)計(jì)方案

1.1 工程概況

華星印務(wù)高層廠房在施工到地上二層時(shí)，發(fā)現(xiàn)地下室、一層框架柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C45，但實(shí)際檢測強(qiáng)度僅為C30，混凝土強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，為保證結(jié)構(gòu)的安全性，故而對原有鋼筋混凝土柱進(jìn)行加固。既要大幅度提高柱子的承載能力且不能影響原建筑的使用功能，現(xiàn)行的加固方法均不適用。后置鋼管式鋼筋混凝土柱的新型加固方法在此基礎(chǔ)上提出，并運(yùn)用于工程實(shí)際中。

1.2 加固設(shè)計(jì)

為保證后包鋼管與混凝土柱緊密結(jié)合和共同工作，設(shè)計(jì)要求剝除原柱混凝土保護(hù)層后，繼續(xù)鑿出外部混凝土，露出內(nèi)部縱向鋼筋和箍筋。選用10mm厚Q345B鋼板，包在原混凝土柱四周，在現(xiàn)場進(jìn)行焊接形成鋼管，焊縫等級為一級。鋼板和混凝土之間留有的100mm寬的空腔，內(nèi)灌高強(qiáng)灌漿料。為了保證鋼管、灌漿料、核心混凝土柱三者之間無相對滑移，且能夠共同受力，在鋼板上焊接8mm長的M10栓釘，核心混凝土與灌漿料之間設(shè)置傳力桿，栓釘和傳力桿作為抗剪件可以使三者之間協(xié)同工作。后置鋼管式鋼筋混凝土柱加固施工圖如圖1所示。

圖1 加固施工圖

梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)是受力復(fù)雜應(yīng)力集中區(qū)域，是鋼筋交錯(cuò)縱橫部位，是抗震優(yōu)先保護(hù)區(qū)域[2]。所以對于梁柱節(jié)點(diǎn)的加固尤為重要，在本加固工程中，梁柱節(jié)點(diǎn)的處理為：框架柱、框架梁與一層樓板相交處，鑿出框架柱與樓板接觸部位的混凝土，露出內(nèi)部鋼筋，加入節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼板，與梁底的外包鋼板進(jìn)行焊接，形成整體。節(jié)點(diǎn)處樓板露出的鋼筋可先行截?cái)?，插入?jié)點(diǎn)區(qū)鋼板后，將板內(nèi)鋼筋與鋼板進(jìn)行焊接。梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域加固的施工圖見圖2。

圖2 梁柱節(jié)點(diǎn)加固詳圖

2 監(jiān)測分析

2.1 監(jiān)測儀器布置

每個(gè)柱子在柱底和柱中截面安裝監(jiān)控儀器，為了方便監(jiān)測儀器的安裝，柱底截面選取距離地面300mm處。每個(gè)斷面各布置一組3個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)、一組3個(gè)鋼筋應(yīng)變片、一組2個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)，合計(jì)每根加固柱上安裝6個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)、6個(gè)鋼筋應(yīng)變片和4個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)?；炷翍?yīng)變計(jì)綁扎在縱向鋼筋上，用來測量灌漿料的應(yīng)變增量。后置鋼管的同一斷面處粘貼豎向應(yīng)變片，每根柱上8個(gè)測點(diǎn)，測量鋼管的豎向應(yīng)變，3根柱共24個(gè)應(yīng)變片。以E4柱為例，各截面監(jiān)測儀器布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測儀器布置詳圖

2.2 監(jiān)測結(jié)果

利用PKPM軟件建立相應(yīng)工況（施工階段）下的大樓模型，其中加固完成時(shí)，地上二層樓板未澆筑，設(shè)定此時(shí)為監(jiān)測初始狀態(tài)，其后在不同施工階段進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，分別為6層樓板澆筑完成、10層樓板澆筑完成、15層樓板澆筑完成、整體竣工。規(guī)定時(shí)間點(diǎn)A、B、C、D、E分別代表上述五個(gè)不同施工階段的時(shí)間點(diǎn)，以便下文進(jìn)行敘述。

圖4 組合截面各部分軸力分配圖

將結(jié)構(gòu)柱加固完成時(shí)作為灌漿料和后置鋼管開始受力的初始點(diǎn)，為方便計(jì)算假設(shè)加固之前的荷載全部由原核心混凝土區(qū)承擔(dān)。由監(jiān)測結(jié)果可以得到規(guī)定時(shí)間的豎向應(yīng)力應(yīng)變增量，再根據(jù)其彈性模量和截面面積可以計(jì)算出后置鋼管、灌漿料和縱向鋼筋部分的軸力。由PKPM模型計(jì)算出各時(shí)間點(diǎn)的各監(jiān)測柱的計(jì)算軸力值ND，減去這三部分的值，即可得到原核心鋼筋混凝土柱截面所承擔(dān)的軸力。由監(jiān)測結(jié)果可得各部分所承擔(dān)的軸力以及柱端軸力隨時(shí)間變化的柱狀圖，見圖4所示。

可以得出E2、E4、G2柱的原核心混凝土柱、縱向鋼筋、灌漿料和后置鋼管所承擔(dān)的軸力都隨著上部荷載的增加而增加，且各部分所占總軸力的百分比比較接近，結(jié)合三根被監(jiān)測柱的計(jì)算結(jié)果可得出大致的結(jié)論，即后置鋼管式鋼筋混凝土柱的軸力分配，原核心混凝土占23%～30%、縱向鋼筋占5%～8%、灌漿料占40%～48%、后置鋼管占22%～25%。

3 有限元分析

通過有限元分析軟件ABAQUS建立相應(yīng)的加固柱模型，建立鋼筋籠、后置鋼管、灌漿料和原柱混凝土部件，通過參數(shù)和各單元的約束設(shè)置，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊連接[3-4]。模擬后置鋼管式鋼筋混凝土柱在不同施工階段的受力情況，分析計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的異同，互相驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算及監(jiān)測技術(shù)。有限元模型的網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 有限元計(jì)算模型

組合截面各部分在各規(guī)定時(shí)間點(diǎn)下的內(nèi)力值，由各部分的平均應(yīng)力σ與面積A的乘積得出，分別以Nc、Ns、Nm、Nt代表原核心混凝土內(nèi)力值、縱向鋼筋內(nèi)力值、灌漿料內(nèi)力值、后置鋼管內(nèi)力值，N代表組合截面所受的總軸力值。按下式計(jì)算：

上式中α為后置鋼管式鋼筋混凝土柱的軸壓力分配系數(shù)，下標(biāo)c、s、m和t分別代表核心混凝土、縱向鋼筋、灌漿料和后置鋼管。分別計(jì)算E2、E4和G2柱的軸壓力分配系數(shù)如表1所示。

軸壓力分配系數(shù)表 表1

4 軸壓力分配系數(shù)分析

4.1 理論計(jì)算方法

目前我國關(guān)于鋼管混凝土柱軸壓力分配系數(shù)的計(jì)算方法有三種，分別為：①哈爾濱工業(yè)大學(xué)和福州大學(xué)等研究的基于試驗(yàn)和回歸的統(tǒng)一理論[5]；②同濟(jì)大學(xué)基于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的擬鋼理論[6]；③目前在日本[7]和天津[8]等地區(qū)采用的疊加理論。

基于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的擬鋼理論中將混凝土折算成鋼，它是在不改變鋼管橫截面面積的條件下，填充混凝土作為對鋼管壁的屈服強(qiáng)度和彈性模量的提高，以此來換算等效鋼管，并以等效鋼管構(gòu)件的承載力作為原鋼管混凝土構(gòu)件的承載力[9]。擬鋼理論中規(guī)定了混凝土的受壓力承載系數(shù)αc，且規(guī)定αc應(yīng)控制在0.1～0.7之間，并按下式計(jì)算：

式中：f、fc—鋼材和混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

As、Ac—鋼管和管內(nèi)混凝土的截面面積。

在參考文獻(xiàn)[5]中，指出方鋼管混凝土柱內(nèi)隔板等的約束作用，鋼管與核心混凝土的變形在節(jié)點(diǎn)處相等，根據(jù)變形協(xié)調(diào)理論，可以得到混凝土軸壓力分配系數(shù)為：

式中：Es、Ec－鋼材和混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

4.2 對比分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以得出后置鋼管式鋼筋混凝土柱組合截面各部分軸壓力分配系數(shù)的實(shí)測值，由上一節(jié)中有限元模擬分析，可以得到E2、E4和G2柱組合截面中各部分的軸壓力分配系數(shù)的模擬值。整理后見下表 2 至表 4 所示，其中 αc、αs、αm、αt分別代表組合截面中原核心混凝土區(qū)、縱向鋼筋、灌漿料、后置鋼管的軸壓力分配系數(shù)。

E2柱軸壓力分配系數(shù)對比分析 表2

E4柱軸壓力分配系數(shù)對比分析 表3

G2柱軸壓力分配系數(shù)對比分析 表4

整體上看變形協(xié)調(diào)理論、數(shù)值分析和監(jiān)控實(shí)測三者分配系數(shù)的計(jì)算結(jié)果雖有所偏差，但各部分的軸壓力分配系數(shù)相差較小，說明變形協(xié)調(diào)理論下的軸壓分配系數(shù)較接近實(shí)際情況，后置鋼管式鋼筋混凝土柱的加固方法能夠達(dá)到較為理想的加固效果。

5 結(jié)論

①由強(qiáng)度分配理論和變形協(xié)調(diào)理論分別計(jì)算出后置鋼管式鋼筋混凝土柱組合截面的軸壓力分配系數(shù)，再根據(jù)監(jiān)測結(jié)果和模擬分析得出軸壓力分配系數(shù)的實(shí)測值和模擬值，進(jìn)行對比分析后，發(fā)現(xiàn)該組合截面的軸壓力分配符合變形協(xié)調(diào)理論。

②組合截面中核心混凝土軸壓力分配系數(shù)在0.30左右，縱向鋼筋軸壓力分配系數(shù)在0.05左右，灌漿料軸壓力分配系數(shù)在0.40左右，后置鋼管軸壓力分配系數(shù)在0.25左右。

③論文研究的成果為今后國內(nèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)提供了一種新型的方法，可供實(shí)際工程設(shè)計(jì)參考和借鑒。