鋼筋混凝土柱加固方法及工程實例選用

陳志紅 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

20世紀50、60年代建造了大批鋼筋混凝土廠房和公建、辦公樓，這些房屋使用至今也有約50年的歷史，由于使用維修不當或者建造質量原因，許多房屋存在這樣或那樣的問題，有些相當嚴重，危及結構安全。而由于土建投資大，往往不會因此拆除重建，而是采用結構加固的辦法，以恢復其承載力后繼用使用。

1 柱加固方法及設計原理

1.1 增大截面加固法

增大截面加固法是采用混凝土材料來加大原有構件的截面面積，以此來提高原構件的承載能力和剛度。作為傳統加固方法的一種，增大截面加固法具有非常成熟的技術，其特點是施工簡單，適用在混凝土柱截面尺寸偏小或者軸壓比需要得到明顯提高的構件中。設計時需要根據具體情況在柱截面的若干側或全部側面加設縱向鋼筋并澆筑混凝土進行柱的加固。加固中應將新舊鋼筋加以焊接，做好新舊混凝土的結合。

我國《混凝土結構加固技術規范》(CECS25:90)指出：當加固柱的軸壓比為0.1～0.9，則原柱混凝土達到極限壓應變0.002時，新加混凝土的應力比其強度設計值小，其比值約為0.99～0.53。根據上述分析，增大截面法加固鋼筋混凝土柱軸心受壓承載力計算如公式（1）。

式中：N 為加固后混凝土柱承載力；As'、fy'分別為原柱縱向鋼筋的界面面積和抗壓強度設計值；φ 為構件穩定系數；Ac、fc分別為原柱混凝土的截面面積和抗壓強度設計值；fc1、Ac1、f'y1、A's1分別為加固部分混凝土和鋼筋截面面積與軸心抗壓強度設計值；α 為新加部分混凝土和縱筋的強度折減系數,可取為0.8。

1.2 外粘型鋼加固法

外粘型鋼加固法是用型鋼（角鋼、扁鋼板等）外包于構件表面并通過綴材形成框架，通過結構膠粘劑與原有構件粘結以達到共同工作效果的一種加固方法。原構件全部或者部分被外包鋼構架替代，以此達到外包型鋼框架與原有構件共同受力的目的。矩形柱子施工工藝就是柱四個角包裹角鋼，柱橫向相距一段距離用綴板焊接。

外粘型鋼加固法優點是構件截面尺寸增加不明顯，對于構件承載力的提升有很好的效果，外包鋼起到約束構件混凝土的作用，使原柱子的承載力和延性等相關受力性能得到提升。外粘型鋼加固法還具有施工簡單、工期短等特點。但是外包鋼法的缺點是較費材料，施工較為復雜，尤其是針對框架節點區的外包鋼加固、錨固及粘結施工都不易實施，可采用外粘型鋼加固混凝土方法。

計算柱軸心受壓的截面承載力時，外包型鋼可視作柱的縱筋，為了保證安全性，采取一定的強度折減系數，按照外包鋼構架與原柱共同工作的原則進行計算。其承載力計算公式如公式（2）。

式中：fa'為加固型鋼的抗壓強度設計值；As'為加固型鋼的截面面積。

對于濕式外包鋼加固大偏心受壓構件，在其設計中考慮到加固柱受拉肢型鋼存在應力滯后現象，應也對其強度取一定的折減系數(根據工程實際建議折減系數取0.9)。根據其受力分析，其加固柱截面承載力計算公式如公式（3）。

式中：b、h 分別為原柱的截面寬度和高度；x 為原柱混凝土截面的受壓區高度；As'、fa'分別為加固柱受壓一側的型鋼截面積和抗壓強度設計值；aa'為受壓肢型鋼截面形心至原柱受壓的距離；aa為拉肢型鋼及受拉鋼筋合力點至原柱受拉邊緣距離；h01為柱受拉鋼筋和加固用受拉鋼筋合力點至加固截面受壓邊緣的距離。

1.3 粘貼碳纖維增強復合材料加固法

粘貼碳纖維結構加固技術是用結構膠粘劑將纖維復合材料粘貼于構件的表面，多為構件主要受拉區的表面，以提高截面受彎、受剪及混凝土抗壓強度的加固方法。

由于纖維復合材料和混凝土是兩種不同性質的材料，纖維復合材料加固法加固的難點在于如何保證加固后的纖維材料能夠和原構件協調受力，對于兩者間界面的研究是該加固法的難點。另外，纖維材料高強度低彈性模量也是妨礙其發揮出最大加固效果的一個因素。

目前的研究結果表明，要使得粘貼纖維復合材料加固法發揮其加固效果，必須保證加固材料和原構件有足夠的錨固措施，需嚴格保證施工質量，這對施工人員提出了較高的要求。

對非細長和非預應力的軸向受壓構件，采用纖維復合材料包覆混凝土構件承受軸向壓力，用公式（4）計算。

式中：Pn為混凝土軸向壓力；ψ 為形態強度折減系數，圓形截面取1.0，正方形（邊長小于600mm）取0.5，矩形（B/H<1.5）由模型試驗確定；f'cc為外部纖維約束混凝土的抗壓強度；Ag為受壓構件截面面積；Ast為縱向鋼筋總面積；fy為鋼筋屈服強度。

1.4 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是建筑結構工程的加固新技術，它類似于外包鋼加固法，二者區別在于粘鋼加固主要用薄鋼板粘貼于構件主受力面上，從而以提高截面的承載力。對于簡支梁或板來說，鋼板應粘貼于構件的底面。當負彎矩區鋼筋承載力不足時，鋼板應貼在構件的上面，另外連續構件的粘鋼加固受墻柱等障礙的影響，需要采取相應處理措施。與其他的加固方法相比，粘貼鋼板法有許多優點，表現在：不改變混凝土構件的外形，不影響建筑使用空間，施工方便快捷。

加固大偏心鋼筋混凝土柱時，應將鋼板粘貼于構件受拉區邊緣混凝土表面，柱的縱軸線方向和鋼筋長向保持相同。在矩形截面大偏心受壓構件受拉邊混凝土表面上粘貼鋼板加固時，其正截面承載力應按下列公式確定。

式中：N 為軸向拉力設計值；e 為軸向拉力作用點至縱向受拉鋼筋合力點的距離；η 為偏心受壓構件考慮二階彎矩影響的軸向壓力偏心距增大系數，除應按現行國家標準《混凝土結構設計規范》（GB 50010）的規定計算外，尚應乘以此規范第5.4.3條規定的修正系數ψη；ei為初始偏心距；e0為軸向壓力對截面重心的偏心距，e0=M/N；ea為附加偏心距，按偏心方向截面最大尺寸h 確定，當h≤600mm時，ea=20mm，當h＞600mm時，ea=h/30；a、a'為縱向受拉鋼筋合力點，縱向受拉鋼筋合力點至截面近邊的距離；fsp、f'sp分別為加固鋼板的抗拉、抗壓強度設計值。

2 工程實例

某學校主教學樓B段加層加固工程。原教學樓有4層，由于使用功能需要，需要在樓頂加2層鋼結構，即原結構向上增加2層鋼框架結構，樓面為壓型鋼板組合樓面，屋面為輕鋼屋面。建筑結構的安全等級為二級，建筑物抗震設防類別為丙類；結構抗震等級：混凝土框架為三級，鋼框架為四級；抗震設防烈度7度(0.10g),設計地震分組為第一組。建筑場地類別：Ⅱ類。

由于多加兩層鋼結構，因此部分柱子軸壓比不滿足抗震要求，就需要加固柱子。柱的加固方法有很多種，本文介紹的四種加固方法，每一種方法原則上都可以使用，應根據具體情況，選擇合適的加固方法。本工程要求盡量不縮小原結構的使用空間且施工工期較短，所以不能采用增大柱子截面法加固。粘貼碳纖維加固固然很好，但是由于增加2層鋼結構后，根據計算需要粘貼3層以上的碳纖維，造價較高，因此考慮采用外包鋼加固。該加固方法除了其外包鋼與加固的舊混凝土柱能整體受力共同工作提高柱承載力外，外包鋼柱形成整體的緊箍，對原混凝土起到部分約束作用，提高原混凝土抗壓強度，也可以提高柱的承載力。其加固圖如下圖所示。

圖1 柱外包鋼加固

3 結 論

本文分別介紹了增大截面法、外貼型鋼加固法、粘貼碳纖維增強復合材料加固法和粘貼鋼板加固法各自的特點，并從理論上給出計算公式。在教學樓加層加固改造工程中，設計時應考慮加層部分對原結構的影響并結合現行規范進行計算分析后選擇合理的加固方法進行補強加固，重點對比了幾種方法的優劣，為以后的實際工程加固提供參考。

[1] GB 50367-2006,混凝土結構加固設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2006.

[2] 侯發亮.建筑結構粘結加固的理論與實踐[M].武漢：武漢大學出版社,2006.

[3] 卜良,周靖,葉蓁.混凝土結構加固設計規范算例[M].北京：中國建筑工業出版社,2008.

[4] 張華,盧亦焱.鋼筋混凝土柱加固方法及設計分析[J].特種結構,2005(1).

[5] 萬里瀾.淺析某框架結構廠房加層加固設計[J].建筑結構,2012(1).