鋼—混凝土組合結構在結構柱加固中的應用研究

李京玲 宋 偉

0 引言

隨著建筑物向大跨度、超高度的發展，混凝土結構已不能完全滿足需要。而鋼結構由于耐腐蝕性差、耐火性差等問題適用性也受到一定制約，鋼—混凝土組合結構充分發揮兩種結構材料的優點，克服其缺點被廣泛應用。此外組合結構在已有建筑物的維修、改造和加固等方面也有其獨特優勢，與其他加固方式比，具有節約鋼材、增加建筑空間、增強結構剛度和承載力、抗震性能好、改善結構疲勞性能等優點，在工程加固領域中具有廣闊的發展前景。

柱作為重要的承重體系，隨時間推移及周圍環境影響，其結構的安全性、耐久性可能受到威脅，須進行加固才能繼續維持結構壽命。以下主要介紹柱加固的方法及計算方法。

1 常見結構柱加固方法

1)角鋼加固法:以型鋼(一般為角鋼)外包于構件四角(或兩角)、型鋼(一般為角鋼)之間用綴板相連接的加固方法，見圖1。其優點是能大幅度提高承載力，受力較為可靠，施工簡便，現場無濕作業，工作量小，對截面尺寸和外觀影響小;缺點是耐火性、耐腐蝕性差，需要做專門的防火防腐處理。

2)鋼板加固法:在鋼筋混凝土柱外封閉包一層鋼板，用螺栓將其固定在原混凝土柱上，或采用膠粘劑粘貼在原混凝土柱上，見圖2。其優點是能滿足強度、剛度要求，施工速度快、現場無濕作業或僅有抹灰等少量濕作業，對結構外觀和原有凈空無顯著影響;缺點是加固效果和施工質量及粘膠工藝密切相關，需要專業的施工操作，耐火耐腐蝕性較差，需要做專門的防火防腐處理。

3)增大截面面積加固法:剝去局部縱筋保護層，再焊上按計算求得的新增受力筋，最后澆筑混凝土，見圖3。其優點是具有成熟的設計和施工技術，施工工藝簡單、適應性強;缺點是現場施工的濕作業時間長，對結構自重影響大，加固后對建筑物凈空有一定的影響。

圖1 角鋼加固法

圖2 鋼板加固法

圖3 增大截面積加固法

4)碳纖維布加固法:柱外包碳纖維布形成環向封閉箍，以提高柱的抗剪能力及延性。其優點是施工周期短，施工簡單、迅速、方便，在幾乎不增加結構重量的前提下達到高效加固的目的;缺點是需要專門的施工單位施工，造價相對較高。

本文主要討論鋼—混凝土組合結構加固混凝土柱中的角鋼及鋼板加固法。

2 結構柱加固基本計算方法

某部隊辦公樓，4層框架結構，交付使用后經檢測⑤軸框架柱原混凝土設計強度為C30，由于施工養護不當，而實際檢測強度僅為C20。該柱計算高度為4500 mm，截面為450 mm×500 mm，對稱配筋，每邊為。

1)原柱安全性驗算:C20混凝土fco=9.6 N/mm2，二級鋼筋fyo'=300 N/mm2，l0=4500 mm，l0/b=4500/450=10，φ =0.98，Aco=450 ×500=225000 mm2，Aso'=1822 mm2。

軸向力設計值:N=1.2Gk+1.4Qk=1.2 ×850+1.4 ×2250=4170 kN。

承載力設計值:Nu=0.9φ(fcoAco+fyo'Aso')=0.9 ×0.98 ×(9.6 ×225000+300 ×1822)=2387.2212 kN。

2)角鋼加固法:N≤0.9φ(fcoAco+fyo'Aso'+αafa'Aa')。

選用Q235∠100×14型號的角鋼，每米重量為20.6 kg，所以每根柱需用角鋼:

20.6×4×4.5=370.6 kg。

3)鋼板加固法:計算方法同角鋼加固法得Aa'=10965 mm2，選用7 mm厚Q235鋼板。一根柱鋼板用量為(500+450)×2×7 ×4500 ×10－9×7.8 ×103=466.83 kg。

4)增大截面加固法:假定截面各邊增大100 mm，加固后截面為550×600。

所以所選碳纖維復合材層數為1，所選厚度為4。

3 各種加固方式特點的比較

經計算可得以上四種加固方法的單根柱加固經濟技術指標，見表1。

表1 柱加固經濟技術指標

由表1可知四種加固方法均可以滿足承載力要求。方法三造價最少，但是自重較其他方法大很多，現場濕作業量大，養護時間長，需要較大增加截面面積，對建筑物凈空影響較大。方法四增加自重最小，簡單、迅速、方便、施工周期短，但造價明顯高于其他方法，且施工難度較大。采用方法一、方法二現場工作量小、施工周期短、對結構空間影響小、方便快捷，雖然造價較方法三高一些，但是自重較方法三小很多。

綜上，方法一、方法二即鋼—混凝土組合結構加固法，在技術、施工、綜合效益方面有明顯的優勢。

4 加固結論

本工程的改造實踐證明，采用鋼—混凝土組合結構可以達到大幅度提高結構承載力的要求，技術、經濟效益明顯優于其他方法。需要加固的柱如外觀要求較高，采用方法二加固較優;外觀要求不高的柱，方法一更加經濟，且自重小，更加適用。該法可以推廣到使用功能改變荷載需要大幅度提高或使用年限過高承載力下降的建筑加固，對建筑加固技術的發展具有重要的參考借鑒意義，值得推廣應用。

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