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1、钢筋混凝土柱外包粘钢加固技术研究与应用1.概述混凝土结构加固技术是一门新兴的学科，结构试验研究、理论分析及规 范编制等基础理论工作，近年来均有很大进展。日本在混凝土结构裂缝修补 技术方面，较系统全面，编制了混凝土工程裂缝调查及补强加固技术规程； 原苏联在工业厂房加固设计构造方面，积累了较为丰富的经验，出版有结构 加固构造图集；英国、德国在混凝土结构缺陷修补、防水及防腐处理技术方 面，也取得了不少成功经验。我国近几年，在混凝土结构抗震加固旧房改造 及工程事故处理方面，进行了大量的工程实践与试验研究，在国内发表了大 量论文，出版了不少著作，并且编有混凝土结构加固技术规范（CECS25： 90）。钢
2、筋混凝土结构的耐久性问题已越来越引起人们的关注。美国学者用 “五倍定律”形象地说明耐久性的重要性，特别是设计对耐久性问题的重要 性。设计时，对新建项日在钢筋防护方面，每节省1美元，则发现钢筋锈蚀 时采取措施多追加5美元，混凝土开裂时多追加维护费用25美元，严重破坏 时多追加维护费用125美元。这一可怕的放大效应，使得各国政府投入大量 资金用于钢筋混凝土结构的耐久性与加固的研究。除了耐久性外，还有施工 质量问题，许多新建的建筑工程也存在较严重的工程质量问题和质量事故， 这些建筑的加固在整个加固工作中，也占有相当大的比例。对老化或有病害的钢筋混凝土结构进行加固是提高其耐久性、延长其使 用寿命较有效
3、的办法，其主要方法有以下几种：加大截面加固法、外包钢加 固法、预应力加固法、增设支撑加固法、粘钢加固法、托梁拔柱技术、增设 支撑体系及剪力墙加固法、增设拉结连系加固法、裂缝修补技术等。其中，粘钢加固法是比较新颖的一种加固方法，它是在混凝土构件表面 用特别的建筑结构胶粘贴钢板，以提高结构承载力的一种加固方法。该方法 始于60年代，优点是简单、快速、不影响结构外形，施工时对生产和生活影 响较小。在国际上它是一种适用面较广的先进的加固方法。不仅在建筑上使 用，而且在公路桥梁也普遍采用。外包钢加固法也是一种使用面较广的传统加固方法，分湿式与干式两种 情况。两者相比，干式外包钢施工更为简便，但承载力提高
4、量、整体工作性 能及受力特点也不如湿式外包钢有效。湿式外包钢加固施工较为复杂。本文 拟将湿式外包钢加固技术与粘钢加固技术结合起来，用新型结构胶代替乳胶 水泥和环氧树脂化学灌浆，这可给施工带来较大方便，且型钢能与原混凝土 结构共同受力，同时发挥了外包钢加固技术与粘钢加固技术的优点。本文就 是要通过对这种新型结构胶的外包粘钢柱的模型试验，探讨这种加固技术的 受力性能。并还针对广东省电力一局万益钢结构加工厂出现的质量问题，把 其作为工程加固研究实例，分析其结构受损的原因，提出结构加固的方案及 施工措施，并评价加固效果，进一步说明把上述外包粘钢技术用于工程结构 加固的可行性。2.钢筋混凝土短柱胶凝混凝
5、土外包粘钢加固试验2.1试验日的与试件制作试验日的为了满足实际工程中提出的在柱子加固时既要大幅度提高其承 载力，又要使柱子的横截面积增大不多，还要整体性强，可靠性高等要求。 我们在钢筋混凝土柱原有的加固方法的基础上，提出了钢筋混凝土柱外包粘 钢加固法。该方法用高强胶凝混凝土少量增大柱子截面，并外包粘角钢和包 粘钢板，在新增加截面的部分提高柱子承载力的同时，还因新增钢板箍的横 向约束作用，使原混凝土柱产生良好的三向应力状态，因而可以大幅度提高 柱子的承载力。另因粘的效果还使外包钢套、高强胶凝混凝土与原柱之间可 靠地联结成整体。为了验证上述加固方法的加固效果，进行了钢筋混凝土的短柱轴压试验。 未加
6、固的试件为配置了纵筋和箍筋的短柱，截面尺寸150X150m，柱长600mm， 配有 妙6纵筋，箍筋采用4150，见图1 (a)。预制四组不同等级的钢筋 混凝土柱，第一组试件数9根，另外三组试件数均为6根，共预制了 27根短 柱，四组试件混凝土立方体抗压强度天依次为14.7N/mm2、22.6N/mm2、 23.6N/mm2、26.0N/mm2。由于柱子尺寸不大，将外包角钢和钢板箍用外包钢板 套筒代替。加固步骤是先预制好钢筋混凝土短柱，用2mm厚的A3钢板做好钢 板套筒，要求钢板套筒与柱子等长，然后将混凝土短柱表面和钢板套筒内壁 做粘接前的表面处理，再二者表面涂上WSI界面胶，最后将短柱置于钢板
7、套 筒中，在钢板套筒与柱之间浇筑高强胶凝细石混凝土。钢板套筒采用三种不同的横断面。它们分别是边长为180mm的正方形， 边长为188mm的正方形和直径212mm的圆形。用边长为180mm的正方形使柱 横截面面积增加了 44%，用边长为188mm的方形与直径为212mm的圆形，均 使柱截面面积增加了 57%，见图1 (b)。为了观测试件在轴向加载过程中的变形和钢板箍的横向约束效果，在第 一组试件的中部贴有横向和纵向应变片，应变片在前后两面对称布置。加固 柱除原混凝土柱贴片外，钢板外套筒也贴有应变片，见图1(c)。第一组试件数为9根，其中3根不加固，3根按方型截面加固，3根按圆 型截面加固。另外三
8、组，每组6根试件。其中3根不加固，3根按方型截面 加固。钢板与混凝土柱间浇筑高强胶凝细石混凝土的立方体抗压强度2.2试验成果及其分析2.2.1试验结果将每3根一批的试件在压力试验机上做轴压试验，应变值为前后两面应 变结果采取均值。极限承载力由3根一批的结果取均值得到。图2显示出了未加固柱的轴压力和应变关系曲线；图3示出了方形套筒 加固柱的轴压力和应变关系曲线；图4示出了圆形套筒加固柱的轴压力和应 变关系曲线。试验得到的承载力结果见表1、表2表1试件的试验结果组号短柱混凝土的立方体抗压强度未加固短柱的承载力方形箍筒的承载力提高百分比圆形箍筒加固的承载力提高百分比114.7N/mm2289kN83
9、5kN195%1308kN353%222.6N/mm2418kN970kN132%323.8N/mm2440kN990kN125%426.0N/mm2477kN1033kN117%(a)技拄尺寸双配粉(b)短柱加固后的横戒面础登曲京阙敝土柱化)应变布矍图图1试件设计80-轴向吏影横向吏形?10-1AO-?oo400图2未加固短柱的轴压力和应变关系P(kN)600 _横向应变指向变形-800-400图3方形套筒加固短柱的轴压力与应变关系-点混凝土在钢橄痿筋-800 -4OC一1 皿 e )DEC- 10- 1DEC- 10-2图4示出了圆形套筒加固柱的轴压力和应变关系表2试验值与理论值比较组号未
10、加固短柱的承载力（kN）方形箍筒的承载力（kN）圆形箍筒加固的承载力（kN）理论值试验值理论值试验值理论值试验值1292289935853119013082427418982970344744010029904486477104110332.2.2试验结果分析（1）由第一组未加固短柱的试验结果可知，荷载不大时，柱子的轴向应 变和横向应变与轴压力大致成正比。当荷载增大到一定程度，轴压力与应变 的变化不再成正比例，应变增加比荷载增加要快，最后应变失效，表明柱中 混凝土的微裂缝迅速发展。（2）当轴压力小于600kN时，钢板套筒与混凝土柱的轴向应变同步增加， 表明钢板套筒与混凝土柱共同工作情况良好。当
11、轴压力大于600kN时，两者 轴向应变差别明显，分析其原因可能是钢板套筒与混凝土柱的长短不一致造 成的。从钢板套与混凝土柱的横向应变看，两者的应变也基本同步增加。与轴向 应变对应，当轴压力大于600kN时，横向应变显著增加或应变片失效。（3）第一组按圆形箍加固的短柱轴压力与轴向应变关系和横向应变关系， 从轴向与横向应变看，当轴压力小于800kN时，两者按比例增加。当轴压力 大于800kN时，应变比轴压力增加要快，且钢板套筒与混凝土柱的轴向应变 相差明显，原因同方板箍加固，也是三种情况。（4）从最后破坏形态看，未加固短柱混凝土被压碎而破坏，方形钢板套 筒加固柱破坏时中部向外凸起，钢板纵向失稳，圆
12、形钢板套筒加固柱因套筒 轴向受压屈服，起皱失稳而破坏。（5）比较第一组试件的极限承载力，方形钢板套筒加固短柱的承载力比 未加固短柱提高了 195%，圆形钢板套筒加固短柱的承载力提高了 353%，可见 加固效果非常显著。（6）由第二、三、四组的试验结果可以看出，对于不同强度等级的混凝 土柱采用相同的加固方法，其混凝土的强度越低，加固后提高的百分比越大， 加固的效果愈佳。3. 外包粘钢柱的承载力计算3.1短柱未加固的承载能力原柱混凝土的立方体抗压强度应。混凝土的棱柱体抗压强度由经验公式得：/ =0.76 =11割顷就混凝土的横截面积A=22500mm2。钢筋的屈服强度了；=夯加血钢筋的横截面积A
13、=113mm2S当短柱达到极限受压状态时，混凝土的强度达到了棱柱体的抗压强度， 钢筋的压应力达屈服强度，则未加固的钢筋混凝土短柱的极限承载力威*（1）第一组混凝土的尺=14枇膈必，则力=0.76x147 = 11.2叫刑吧 钢筋的=3SlNlmm2，混凝土截面面积为22500mm2，钢筋面积为113N/mm2，代入上 式得 Nc=292kN。3.2方形钢板套筒加固的短柱不考虑套筒的横向约束，则方形套筒加固的极限承载力为虬=*& + &+丸痢+/瓦】（2）加固用的胶凝细石混凝土立方体抗压强度室列械，棱柱体抗压强度丸：= 0.76尤= 25.2那膈妒，细石混凝土截面积A=1842-1502=113
14、56mm2，A3 1钢钢板的屈服强度风=咨叫命，钢板套筒的横截面积As1=4X186X2=1488mm2，代入上式得 Nc=935kN3.3圆形钢板套筒加固的短柱不考虑套筒的横向约束，则圆形套筒加固的极限承载力为wsam（3）细石混凝土截面积A=1042Xn -1502=11479mm2，钢板套筒的横截面积1As1=210Xn X2=1319mm2,代入上式得 Nc=898kN。3.4考虑圆形套筒的横向约束时，可依照韩林海等著钢管混凝土力学 中的计算公式进行混凝土轴压强度承载力计算：N/A“技(4)式中：asc=ac+as钢管混凝土截面积，尤为钢管混凝土组合轴压屈服强度 极限。通过大量回归分析计算，得：尤= (1.212 + % + % 勺成(5)式中：B=0.1759f/235+0974, C=0.1038f/20+00309, Z 为套箍系数:44(6)其中As为钢管截面积，AC为混凝土截面积。该计算公式只适用于钢管内为同一种混凝土材料，与本加固试件有差别。 为了能用该公式计算，取钢管内的混凝土强度为横截面积的加权平均值，且 用混凝土的棱柱体抗压强度代替混凝土的标准强度进行计算，于是得：= 4 + 4 +A, = 35298-L-XX柱内混凝土的平均强度戒A +司=15.9N/mm2B=0.1759X240/235+0.974=1
