加固鋼筋混凝土圓截面柱的新方法

劉云付， 任振華， 賀熏陶

(1.湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000； 2.湖南工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411104；3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，但由于施工質(zhì)量欠缺、功能改變、結(jié)構(gòu)超載、受惡劣環(huán)境影響等原因，大部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都需要進(jìn)行加固。

混凝土柱加固方法包括增大截面法、螺旋筋約束柱法、外包鋼法、纖維增強(qiáng)聚合物加固法、軸向預(yù)應(yīng)力撐桿法、軸向預(yù)應(yīng)力拉桿法、橫向預(yù)應(yīng)力加固法和軸向預(yù)應(yīng)力加固法。

圖1 預(yù)應(yīng)力鋼帶箍加固混凝土圓截面柱

橫向預(yù)應(yīng)力加固法，包括低預(yù)應(yīng)力鋼帶箍和鋼絞線(xiàn)加固，預(yù)應(yīng)力鋼帶箍加固過(guò)程如圖1所示。鋼帶箍和鋼絞線(xiàn)能有效約束混凝土變形，抑制裂縫的產(chǎn)生并控制其發(fā)展，使柱承載力和抗震性能顯著提高[1-8]。

“預(yù)壓應(yīng)力鋼護(hù)筒并植筋擴(kuò)大斷面加固混凝土柱法”，使柱內(nèi)混凝土由兩向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，從而使柱的強(qiáng)度和剛度得到提高[9]。圖2為加固柱的截面圖。

1-后澆的保護(hù)混凝土；2-螺栓；3-模板；4-半圓形鋼護(hù)筒；5-被加固柱混凝土；6-構(gòu)造豎筋；7-環(huán)形構(gòu)造箍筋；8-栓釘或豎板。 圖2 預(yù)應(yīng)力鋼護(hù)筒加固混凝土柱截面圖

軸向預(yù)應(yīng)力加固法，包括采用軸向預(yù)應(yīng)力撐桿法和軸向預(yù)應(yīng)力拉桿法。預(yù)應(yīng)力拉、壓桿加大了混凝土柱受壓部分的壓力，外置拉、壓桿與混凝土柱中原有受拉鋼筋的受力不同步，可能導(dǎo)致加固后混凝土柱梯次破壞。

為了保證柱體的加固效果，黃春華[10]開(kāi)展了“雙向預(yù)應(yīng)力法加固高軸壓比混凝土柱研究”,將預(yù)應(yīng)力撐桿法和預(yù)應(yīng)力鋼板箍結(jié)合起來(lái)加固“高軸壓比柱”。結(jié)果表明：該法對(duì)軸心受力柱卸載作用強(qiáng)勁，承載力提高幅度大,柱的塑性變形能力和滯回耗能性能在加固之后相對(duì)提升，柱的延性和抗震性能得到改善。

1 新加固方法簡(jiǎn)介

新方法是將鋼筋混凝土圓截面柱分為上加固段、軸向預(yù)應(yīng)力頂升段和下加固段，在上、下加固段分別安裝2塊預(yù)應(yīng)力半圓鋼板，通過(guò)半圓鋼板上的法蘭對(duì)混凝土柱實(shí)施環(huán)向預(yù)應(yīng)力；在軸向預(yù)應(yīng)力頂升段，通過(guò)頂升螺栓對(duì)上、下加固段的半圓鋼板施加軸向預(yù)應(yīng)力[11-12]。

2塊半圓鋼板的4邊均設(shè)有法蘭，平行于半圓鋼板軸向的叫軸向法蘭，垂直于半圓鋼板軸向的叫環(huán)向法蘭。通過(guò)半圓鋼板上的軸向法蘭牽引,緊固半圓鋼板構(gòu)成圓形鋼筒，對(duì)上加固段、下加固段實(shí)施雙向預(yù)應(yīng)力加固，過(guò)程如圖3所示。

圖3 圓截面柱雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板加固模型圖

軸向預(yù)應(yīng)力頂升裝置由1組螺桿和旋裝螺桿上的2個(gè)螺母構(gòu)成，半圓鋼板環(huán)向法蘭在爆桿對(duì)應(yīng)處開(kāi)孔，螺桿插裝在上、下加固段半圓鋼板的環(huán)向法蘭孔中，2個(gè)螺母處于軸向預(yù)應(yīng)力頂升段，按相反的方向旋轉(zhuǎn)2個(gè)螺母，使1個(gè)螺母向上、1個(gè)螺母向下與半圓鋼板的環(huán)向法蘭接觸，對(duì)由半圓鋼板組成的上、下圓形鋼筒施加軸向預(yù)應(yīng)力。柱加固后的截面如圖4所示。

1—加固用縱筋；2—半圓鋼板；3—箍筋；4—輻射筋 圖4 半圓鋼板加固后混凝土柱的截面圖

雙向預(yù)應(yīng)力施加到位后，在上、下圓形鋼筒外表面澆筑鋼筋混凝土保護(hù)層。鋼筋混凝土保護(hù)層中，設(shè)有輻射狀鋼筋與外圍箍筋，輻射狀鋼筋垂直于半圓鋼板表面徑向設(shè)置，一端焊接在半圓鋼板表面，另一端焊接有圍箍筋，在箍筋外立模板澆筑混凝土，形成新的混凝土柱。

2 加固技術(shù)原理

2.1 受力總體分析

當(dāng)預(yù)應(yīng)力半圓鋼板加固混凝土柱后，相當(dāng)于帶預(yù)應(yīng)力圍壓的配筋鋼管混凝土柱，加固柱的構(gòu)造過(guò)程及斷面見(jiàn)圖5。

半圓鋼板與箍筋內(nèi)的混凝土受到半圓鋼板的環(huán)向約束作用，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，原柱的箍筋受拉，縱向鋼筋受壓?；炷林患庸毯蟮氖芰Ψ治鲆?jiàn)圖6。

圖5 半圓鋼板加固混凝土柱

圖6 半圓鋼板鋼桶及混凝土柱的受力

2.2 半圓鋼板的受力

如圖6所示，半圓鋼板的厚度為t，半圓鋼板對(duì)混凝土柱的圍壓為σr1，半圓鋼板的受力見(jiàn)圖6 b、6 c，可假設(shè)半圓鋼板軸向預(yù)應(yīng)力σz=0，徑向壓應(yīng)力為σr1，環(huán)拉應(yīng)力為σθ，則：

(1)

式中：σr為半圓鋼板筒對(duì)混凝土產(chǎn)生的側(cè)向約束應(yīng)力；d為混凝土柱的外徑即半圓鋼板的內(nèi)直徑。

半圓鋼板混凝土柱往往在工程和試驗(yàn)中選用管壁較薄的鋼板，即σθ>σz，薄壁鋼管的主應(yīng)力分別為：

σ1=σθ；σ2=σr1；σ3=σz=0

(2)

2.3 箍筋應(yīng)力

混凝土柱內(nèi)的箍筋及核心混凝土的受力如圖6f所示，半圓鋼板通過(guò)保護(hù)層混凝土給柱內(nèi)箍筋的作用力為σr1，根據(jù)力的平衡，約束應(yīng)力還可以表示為:

(3)

式中：σr 2為箍筋對(duì)核心混凝土產(chǎn)生的約束應(yīng)力；fy t為表示箍筋屈服強(qiáng)度；dcor(箍筋內(nèi)邊緣)為核心混凝土直徑；Acor為核心混凝土(箍筋內(nèi)邊緣)面積；AS 2為單根箍筋的截面積；s為箍筋的縱向間距。

2.4 混凝土承載力

混凝土柱中箍筋外混凝土保護(hù)層在沒(méi)有加固的情況下只能起到保護(hù)層作用。箍筋內(nèi)的核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，核心混凝土的抗壓強(qiáng)度在考慮其強(qiáng)度時(shí)可按三向受壓來(lái)計(jì)算，可取f′c=fc+4σr 2，σr 2為箍筋對(duì)核心混凝土產(chǎn)生的被動(dòng)側(cè)向壓應(yīng)力即徑向壓應(yīng)力，當(dāng)箍筋應(yīng)力達(dá)到抗拉屈服強(qiáng)度時(shí)，徑向壓應(yīng)力為：

(4)

混凝土柱通過(guò)預(yù)應(yīng)力半圓鋼板鋼筒加固后，箍筋外半圓鋼板內(nèi)的保護(hù)層混凝土受到鋼筒約束外部向內(nèi)的作用力σr1，同時(shí)受到箍筋向外膨脹給保護(hù)層混凝土的作用力，可以假定這個(gè)力的大小也為σr1，如圖6e所示。得到處于三向應(yīng)力狀態(tài)下的外層混凝土的抗壓強(qiáng)度f(wàn)′c1為:

f′c1=fcy+kσr1

(5)

則外層混凝土的軸壓承載力N2為：

(6)

式中：Ac1為外層混凝土截面面積，

半圓鋼板筒和箍筋將核心混凝土進(jìn)行雙重約束，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，推得混凝土在三向應(yīng)力狀態(tài)下的軸向抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為：

f′c=fcy+kσr2

(7)

式中：f′c為三向應(yīng)力狀態(tài)下 混 凝 土 抗 壓 強(qiáng) 度；k可取4.0；σr 2為核心混凝土所受到的側(cè)向約束應(yīng)力；fcy為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度，對(duì)于圓形截面柱，取圓柱體單軸抗壓強(qiáng)度。

核心混凝土承載力為：

(8)

2.5 縱向鋼筋承載力

縱向鋼筋屈服體現(xiàn)在加固后的混凝土柱達(dá)到了軸壓承載力極限，故其軸壓承載力N4為:

N4=fySAS3

(9)

式中：fyS為縱向鋼筋的屈服強(qiáng)度；AS3為縱向鋼筋的截面面積。

2.6 軸壓承載力統(tǒng)一解

鋼筒、外層混凝土、核心混凝土和縱向鋼筋4個(gè)部分提供的承載力組成了預(yù)應(yīng)力半圓鋼板加固后的混凝土柱軸壓承載力N，即:

N=N1+N2+N3+N4

(10)

(11)

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 原柱的承載力

計(jì)算得到原柱的屈服承載力Buo=4999.281kN。

3.2 雙向預(yù)應(yīng)力加固后混凝土柱的承載力

雙向預(yù)應(yīng)力的實(shí)施方案為：半圓鋼板在混凝土柱軸向加預(yù)應(yīng)力使半圓鋼板形成的鋼圓筒柱，達(dá)到臨界軸壓力或鋼板屈服強(qiáng)度后，環(huán)向施加預(yù)應(yīng)力使半圓鋼板達(dá)屈服強(qiáng)度。

預(yù)應(yīng)力半圓鋼板合攏后對(duì)混凝土柱進(jìn)行加固，半圓鋼板形成的鋼圓筒有可能失穩(wěn)。鋼板厚10mm，鋼圓筒的內(nèi)徑d=500mm，外徑D=520mm，其截面面積AS1=πdt=3.14×500×10=15700mm2，截面慣性矩I=520855350mm2，其壓桿橫截面對(duì)混凝土柱軸向的慣性半徑r=182.14mm，可得柔度λ=32.94，而由Q235鋼制成的壓桿，其柔度的限界值為：

(12)

式中:E為鋼材的彈性模量，E=2.06×105MPa;σP為鋼材的比例極限，σP=200MPa。

代入具體數(shù)據(jù)可得：λp=100，λ<λp。所以鋼制成的壓桿不存在臨界失穩(wěn)。可以考慮鋼圓筒在混凝土柱的軸向也達(dá)到其屈服強(qiáng)度f(wàn)y=235N/mm2，則有N1=AS1×fy=3689.5kN。軸向預(yù)頂升力的大小除滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求外，其最大值不能超過(guò)原柱的設(shè)計(jì)承載力、半圓鋼板形成的鋼圓筒柱的臨界軸壓力、鋼板達(dá)軸向抗壓屈服強(qiáng)度,算得的軸向承載力為3者的最小值。由于鋼圓筒制成的壓桿不存在臨界失穩(wěn)，鋼圓筒的軸向頂升預(yù)應(yīng)力的最大值不大于N1和原柱設(shè)計(jì)承載力的最小值。于是有：

Nu1=N1+N

(13)

式中:N1為鋼圓筒在混凝土柱的軸向達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)的承載力；N為雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在混凝土柱軸向不加預(yù)應(yīng)力，環(huán)向施加預(yù)應(yīng)力使半圓鋼板達(dá)屈服強(qiáng)度得到的加固柱的承載力。

由圖5可知，隨著ZA質(zhì)量濃度增大，DPPH自由基清除率明顯增強(qiáng)。質(zhì)量濃度為8 mg/mL時(shí)，玉米醇溶蛋白對(duì)DPPH自由基清除率為52%，玉米醇溶蛋白鋅離子螯合物對(duì)DPPH自由基清除率為76%，顯著高于未反應(yīng)的玉米醇溶蛋白（p＜0.05）。

計(jì)算得到N=17824.826kN，所以Nu1=21514.326kN。

在使用環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固后，加固后柱的承載力提高到了原柱的承載能力的3.6倍；在使用雙向預(yù)應(yīng)力加固后，加固后柱的承載力提高到了原柱的4.3倍。

4 結(jié)語(yǔ)

新方法“雙向預(yù)應(yīng)力半圓板無(wú)破損加固矩形截面混凝土柱法”2018年獲中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，該法施工簡(jiǎn)單，操作方便，具有以下特點(diǎn)：

1) 新方法對(duì)混凝土柱實(shí)施雙向預(yù)應(yīng)力加固，且預(yù)應(yīng)力的大小可根據(jù)具體要求進(jìn)行調(diào)整， 預(yù)應(yīng)力存在且大小可調(diào)，既保證了原結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)的同步受力又防止了梯次破壞的出現(xiàn)。

2) 新方法在不對(duì)原有混凝土柱結(jié)構(gòu)造成損傷的情況下，降低了原混凝土柱的承載力。

3) 雙向預(yù)應(yīng)力中存在一定的匹配關(guān)系，使得混凝土柱的承載力在加固的情況下達(dá)到最優(yōu)值。

4) 新方法使柱的強(qiáng)度和剛度有所加強(qiáng)，又改善了鋼筋混凝土柱抗震性能。

5) 由于加固施工不必要對(duì)原有混凝土柱進(jìn)行卸載，不影響結(jié)構(gòu)的使用，所以加固施工可以在線(xiàn)實(shí)施，結(jié)構(gòu)在加固后能夠直接承載，立即投入使用。

6) 僅施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，混凝土柱的承載力較加固前最大能夠提升3.6倍；施加雙向預(yù)應(yīng)力后，承載力最大為加固前的4.3倍。