外包粘鋼法加固柱在建筑結構中的應用

武 莽,崔熙光,王 帥

(1.沈陽建筑大學,遼寧 沈陽 110168; 2.遼寧省建筑設計研究院,遼寧 沈陽 110015)

鋼筋混凝土是耐久性較好的一種材料,但如果設計、施工中存在缺陷,結構長期處于耐腐蝕環境中,以及正常使用中的材料老化、構件開裂等,都將導致結構構件局部損壞或破壞。在建筑結構工程中常用的鋼筋混凝土結構補強加固方法有加大截面加固法、外貼碳纖維加固法、噴射混凝土技術加固法、外包鋼加固法、外包粘鋼加固法等[1]。其中,外包粘鋼加固法由于具簡單、快速、不影響結構外形,施工時對生產和生活影響較小等優點。在建筑及公路橋梁中應用廣泛。本文僅對外包粘鋼加固技術進行研究。

針對鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固法的試驗以往已做過一些[2]、[3],但由于灌漿料的不同,其試驗結果也有一定的差別。本文采用 CGM(一種灌漿料,其特點如下:塑性膨脹和硬化期膨脹的雙重效應;大流動度、不泌水、不離析,保證施工更加簡便快捷,確保施工質量;早強、高強,灌漿 24 h后確保設備正常運行;不腐蝕鋼筋,抗油滲,耐久性好)水泥基灌漿料來進行試驗,以論證采用鋼板和 CGM填料加固混凝土柱的可行性。

1 混凝土短柱外包粘鋼加固試驗

1.1 試驗目的

主要研究混凝土柱短時間軸心受壓時的力學性能和強度承載力。通過分析外包粘鋼加固混凝土柱承載力的計算方法,對不同形式鋼板套筒加固方法的效果進行比較,論證采用鋼板和 CGM填料加固混凝土柱的可行性。

1.2 試驗加載

本試驗屬于結構單調靜載試驗,是結構試驗中最常用的一種試驗方式。結構單調靜載試驗是指在短時間內對試驗對象進行平穩地一次連續施加荷載,荷載從零開始一直加到結構構件破壞,或是在短時期內平穩地施加若干次預定的重復荷載后,再連續增加荷載直到結構構件破壞。其加載是在萬能試驗機上進行。

1.3 試件制作

為了驗證上述加固方法的加固效果,應進行鋼筋混凝土的短柱軸壓試驗。可選擇配置了縱筋和箍筋的短柱作為未加固試件,其截面尺寸選為 150 mm×150mm,柱長為 600 mm,配有 46縱筋,箍筋采用 6@100,如圖 1所示。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。

圖1 短柱試件尺寸及配筋

1.3.1 試件尺寸及制作

(1)原混凝土柱的截面為 b×h=150mm×150mm,柱高為 600mm。

(2)混凝土養護 28 d后,對混凝土柱進行外包粘鋼加固。在原混凝土柱的四周用厚度為2mm不同尺寸的鋼板包住,再在鋼板與原混凝土柱試件之間加灌漿料,如圖 2所示。將試件分成 4組:第一組試件數為 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。試件加固形式及立方體抗壓強度見表1。

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1.3.2 加固施工步驟

鋼板套筒采用 3種不同的橫截面,分別是邊長為 180 mm、188mm的正方形和直徑為 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 188 mm的正方形與直徑為 212mm的圓形,使柱橫截面面積增加了 57%,如圖 2所示。

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,在第一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。加固柱除原鋼筋混凝土柱貼應變片外,鋼板外套筒也貼有應變片[4]。

圖2 短柱試件加固后的橫截面

1.4 試驗結果與分析

將每 3根一組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,取均值。極限承載力由 3根一組的結果取均值得到。試驗得到的承載力。結果見表2。

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(1)試驗加載過程中發現,未加固柱和加固柱的破壞形態各不相同,差異較大。從最后破壞形態看,未加固短柱混凝土被壓碎而破壞;方形鋼板套筒加固柱破壞時中部向外凸起,鋼板縱向失穩;圓形鋼板套筒加固柱因套筒軸向受壓屈服、起皺失穩而破壞。

(2)由應變片的讀數可知,在荷載不大時,柱子的軸向應變和橫向應變與軸壓力大致成正比;當荷載增大到一定程度時,軸壓力與應變的變化不再成正比,應變增加比荷載增加要快;最后應變失效,表明未加固短柱中混凝土的微裂縫迅速發展。

(3)鋼板套筒與混凝土柱共同工作情況良好。當軸壓力小于 600 kN時,鋼板套筒與混凝土柱的軸向應變同步增加;當軸壓力大于 600 kN時,兩者軸向應變差別明顯。其原因可能是鋼板套筒與混凝土柱的長短不一致造成的。從鋼板套筒與混凝土柱的橫向應變看,兩者的應變也基本同步增加。與軸向應變對應,當軸壓力大于 600 kN時,橫向應變顯著增加或應變片失效。

(4)在鋼筋混凝土短柱上采用方形鋼板套筒和圓形鋼板套筒進行加固,所增加的柱橫截面面積相同,圓形鋼板套筒加固使短柱的承載力提高更加顯著。比較第一組試件的極限承載力,方形鋼板套筒加固短柱的承載力比未加固短柱提高了 213%,圓形鋼板套筒加固短柱的承載力提高了 369%,可見加固效果非常顯著。

(5)從表 2中二、三、四組的試驗結果可以看出,對于不同強度等級的混凝土柱采用相同的加固方法,其混凝土的強度越低,加固后提高的百分比越大,加固的效果越佳。

2 結論

(1)原混凝土柱強度越低,加固后效果越顯著對不同強度等級的混凝土柱用同規格的方形鋼板套筒加固發現,原混凝土柱強度越低,加固后承載力提高的百分比越大,即加固效果越顯著。

(2)外包粘鋼結構與混凝土柱的結合情況良好,CGM填料以水泥作為結合劑,具有高流態、微膨脹、防離析、強度高等優點,從混凝土柱與鋼板的應變規律看,外包粘鋼結構與混凝土柱的共同工作情況良好。

(3)用圓形加固方案加固,用鋼量少,且可以大大提高承載力,加固效果更佳,在增大同樣橫截面面積的情況下,圓形加固方案比方形加固方案用鋼量少而承載力卻高出一半。

[1]CECS25:90混凝土結構加固技術規范[S]

[2]劉勻,張林緒,姜維山.鋼筋混凝土柱外包鋼加固試驗報告[R].西安建筑科技大學結構所,1998

[3]林友勤,龔光,宗周紅.外包鋼加固短柱軸心抗壓實驗研究[J].福州大學學報,2002(4):221-224

[4]Marco Arduini Angelo Di Tom Maso,Antonio Nanni.Brittle Failure Plate and Sheet Bonded Beams[J].ACI St Ructural Journal,1997,94(4):363-370