外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱施工工藝

周 樂, 鄭 媛, 吳劍秋, 劉宇涵

(1. 沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044; 2. 富利建設集團有限公司, 遼寧 沈陽 110000)

目前,國內鋼結構建筑產業迅猛發展,為國家經濟發展和人民生活提供了良好的保障.然而在其迅速發展的同時,鋼結構建筑自身的安全性能也亮起了紅燈,安全事故頻發.為避免因結構承載能力不足造成建筑物坍塌等安全事故,就要對鋼結構建筑進行加固,其中型鋼柱作為主要的受壓構件,其加固工程就更為重要.國內外學者對鋼柱加固的諸多方法都進行了研究,周樂等[1]對粘貼CFRP加固鋼柱的方法進行了試驗研究和有限元模擬,得出了相應的承載力計算方法和有限元模型,但該方法成本較高,且加固效果有限.王元清等[2]采用焊接增大截面法加固鋼結構的試驗進行研究,研究結果表明,對于有初始負載的鋼結構來說采用該方法加固會有不利影響,且焊接過程中產生的殘余應力問題有待解決.此外,趙士永等[3]對外粘鋼加固鋼結構進行了研究,通過試驗和ABAQUS有限元分析軟件對外粘剛加固鋼梁的承載能力及影響參數進行分析,但該方法對建筑結構膠要求較高,且結構膠使用年限較短,一定時間后容易發生建筑結構膠開裂的現象.郝大軍[4]通過實際工程中某集團寶泉嶺公司鋼結構倉庫的加固工程,介紹了體外預應力法加固實腹鋼梁的具體操作方法.該方法雖然加固效果明顯,但前期設計較為復雜,具有一定的難度.周樂[5-8]等對外包鋼筋混凝土加固負載下軸壓鋼柱的方法進行了理論分析、試驗研究和有限元分析,研究結果表明,該方法可以提高鋼柱的承載能力,并得到了承載力計算公式,以及影響加固后承載力大小的混凝土強度、鋼筋直徑、初始負載大小等具體參數.該方法中外包的混凝土可以解決鋼結構不耐火、不耐腐的問題,同時加固效果明顯,對于缺少承載能力的鋼結構,采用該方法對鋼柱進行加固后,可以很大程度上提高承載能力,滿足使用要求.由此可見,對于需要加固的鋼柱,采用外包鋼筋混凝土的方法進行加固具有一定的合理性和安全性.

本文根據對外包鋼筋混凝土的加固方法研究出的理論成果,在型鋼混凝土施工工藝的基礎上,對外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱的實際施工工藝進行研究與論述,得出適用于該加固方法的具體施工操作方法,從而進一步確保加固后鋼結構建筑的安全和質量.

1 外包鋼筋混凝土加固方法的相關概念

1.1 外包鋼筋混凝土加固的概念

當鋼結構建筑不能滿足使用要求時,要對其構件進行加固補強,對于受壓構件中的柱結構來說,可采用增大截面法進行加固,考慮到受壓構件的實際情況及存在的問題,在滿足承載力、施工條件、加固效果等條件下,可以選取外包鋼筋混凝土法對鋼柱進行加固,即在鋼柱外進行外包鋼筋混凝土施工,從而達到增大構件承載力的目標.實腹式工字形鋼柱加固截面形式如圖1所示.

圖1 加固鋼柱截面圖Fig.1 The cross-section of reinforced steel column

1.2 外包鋼筋混凝土加固的設計要點

根據外包鋼筋混凝土加固軸心受壓鋼柱的試驗可知,對有負載的鋼柱進行加固時,鋼柱和外包的鋼筋混凝土所受到的壓應變是不同的,受力特性與沒有負載的整體型鋼混凝土柱也是不同的,原型鋼柱在加固前已經承擔載荷,在負載下加固完成后,新加的鋼筋和混凝土不能立即承擔載荷,當整體結構的負載增大時,外包的鋼筋混凝土才開始承受載荷,因此會產生應力滯后現象,因此這時就無法按照《組合結構設計規范(JGJ 138—2016)》[9]中規定的型鋼混凝土組合柱的設計規定考慮.在考慮了加固鋼柱的承載力計算研究中[10]所提出的應力滯后的問題后,分別將外包的縱筋、箍筋和混凝土進行強度折減,得到相應的折減系數,提高了外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱的承載力計算準確度.

1.3 外包鋼筋混凝土加固的構造規定

加固型鋼柱時,需要滿足一般組合結構的構造要求.為了加強型鋼與混凝土之間的黏合作用,減少因未卸載所帶來的應力滯后等問題,可在鋼柱兩端設置箍筋加密區.對此《組合結構設計規范(JGJ 138—2016)》中規定,滿足型鋼混凝土框架柱中箍筋體配筋率的要求,只有配置一定量的箍筋,才能夠有能力約束混凝土,使得框架柱具有一定的變形能力,充分發揮外包鋼筋混凝土強度和塑性性能.考慮到加固工程中,多數鋼結構建筑構件加固都是因為其承載能力不足所導致的,因此在選取混凝土強度等級和鋼筋直徑時,要盡量避免等級較低和直徑較小的混凝土和鋼筋,避免為后續施工造成損失.此外,為方便澆筑混凝土,鋼筋間距也不宜過小.

2 外包鋼筋混凝土加固方法的施工工藝

2.1 工藝流程

外包鋼筋混凝土加固型鋼柱施工過程較為簡單,在滿足施工條件的基礎上,可以先確定該建筑是否可以進行卸載.如卸載成功,則可以按照型鋼混凝土柱進行設計施工;若無法進行卸載,則在滿足組合結構構造要求的基礎上,按照加固柱進行設計.設計完成后,對型鋼柱表面進行清理、修整,確保混凝土與型鋼更好地黏合,之后進行測量,完成箍筋和縱筋的綁扎、支模板,最后進行混凝土澆筑.施工流程見圖2.

圖2 施工流程圖Fig.2 Flow chart of construction

2.2 施工難點分析

外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱的施工不同于普通的型鋼混凝土柱的施工,是一種新型的技術與嘗試,工程經驗較少,施工質量要求較高,且加固、施工方案要與該結構的加固目的和實際使用相關聯,具有一定的復雜性,主要表現為如下幾點.

(1) 原加固鋼柱所承受的載荷是否需要進行卸荷后再加固.

(2) 施工現場的局限性對模板支設、鋼筋綁扎及混凝土澆筑造成一定的空間干擾.

(3) 柱模板支設時,若采用對拉螺栓的方法穿過型鋼腹板的難度較大,要考慮采用柱箍進行支設.

(4) 混凝土澆筑時,由于外包箍筋與縱筋會導致柱內空間較小,因此澆筑后的振搗較困難.

(5) 外包混凝土與原型鋼易產生相對滑移.

2.3 施工操作要點

(1) 型鋼柱卸載.卸載工程是一項極其復雜的工程,尤其對于柱結構來說,很難達到百分之百的卸載,目前的2種卸載方式均為被動卸載,即采用剛性支撐作為原結構的支撐體系[11].對于單層的鋼結構建筑,可以采用頂撐方式進行卸載.然而對于多層結構,尤其是對難度很大的多層結構最底層鋼柱,可以采用吊索和吊桿等方式進行卸載.此外,還可以采用傳統的“托梁換柱”進行卸載,但該方法施工難度較大,需要空間也比較大.

采用外包鋼筋混凝土法加固型鋼柱時,卸載與否對于加固效果的影響不是很明顯,因此可在綜合考慮工程的實際情況后,設計出正確且高效的加固設計方案.

(2) 型鋼表面處理.為使型鋼表面與混凝土有更好的黏合作用,避免澆筑混凝土時因為型鋼表面過于平滑導致混凝土脫落,要去除原結構表面的舊漆膜和防火涂料,同時型鋼表面的油脂、鐵銹、氧化皮等雜質也要去除.對于表面的油污和舊涂層可以采用常用的堿液清除法、有機溶劑清除法、乳化堿液清除法進行清除.對于表面銹蝕的清除,可采用常用的手工和動力工具除銹、噴射或拋射除銹、酸洗除銹、火焰除銹4種方法進行清除[12].在實際工程中,可根據實際操作空間和施工條件選取合理的表面處理方法.

(3) 鋼筋工程.進行鋼筋綁扎時,按照設計圖紙確定鋼筋走向及縱筋和箍筋的錨固長度和錨固位置.施工前,根據圖紙設計的鋼筋長度和數量進行下料和切割.加固工程中,將箍筋套在外包的縱筋上,確定好縱筋位置,縱筋設置在柱截面的四角.為避免影響梁柱節點受力,可在鋼牛腿上設置預留孔,使得縱筋上端穿過鋼牛腿后連接錨固,下端應伸入基礎內進行連接錨固.由于原結構的存在,箍筋無法自上而下套入縱筋,因此可采用焊接封閉的施工方式,同時需滿足設計和搭接要求.

(4) 模板工程.由于原結構的存在,模板支設工程中,模板中的對拉螺栓安裝需要設計人員同意后方可在型鋼柱翼緣上鉆孔打眼,但這樣會加大施工的難度,因此建議采用柱箍的方式進行模板安裝.現場進行測量和清掃,確保鋼柱四周的清潔度,采用雙槽鋼柱箍進行模板支設,同時用支撐桿支撐加固.由于模板與型鋼柱的縫隙較小,澆筑混凝土時很難將混凝土振搗密實,因此加固過程中要在模板上預留澆筑口,確保施工時混凝土達到要求.

為防止混凝土漏漿,所有模板的拼接處、模板與梁接縫處要粘貼海綿膠帶或密封條.

(5) 混凝土工程.為了滿足混凝土澆筑的要求,在得到設計人員的許可后,可在加固鋼柱的樓板上開設孔洞.在加固工程中,一般都選取強度較大的混凝土,此時混凝土中粗骨料可能因為空間小而無法均勻分布,出現上下分層的現象,因此每次澆筑不宜超過1m,澆筑完成后采用直徑較小的振搗棒認真振搗,每個振搗點振搗時間不宜少于30 s.除此之外,要同時設置同條件養護試塊,用該試塊來測量模板內混凝土是否達到設計強度值,同時還要通過提高混凝土坍落度,避免出現混凝土蜂窩麻面等質量殘缺現象.要充分利用模板上開設的振搗口加強振搗,去除混凝土浮灰,對于實際振搗操作中難度較大的部分,可采用附著式振動器振動模板,提高混凝土密實性.采用此種方法依次向上澆筑,直至澆筑完成.

2.4 施工質量控制

外包鋼筋混凝土加固軸壓型鋼柱的過程中,外包的鋼筋混凝土材料以及施工方法要滿足相關規定,確保加固工程的安全和穩定性.

(1) 鋼筋綁扎工程中,當采用焊接方式連接箍筋與縱筋時,可采用2個U形箍筋,同時要將焊縫均勻布置在柱子四角,避免因焊縫原因導致受力不均,影響結構的安全性.

(2) 模板支設工程中,若加固柱截面尺寸過大,則有必要設置對拉螺栓,但開孔率不得高于25%,同時可采用強度較大的帶有型鋼棱骨的模板.為防止在澆筑混凝土時發生漏漿或變形等現象,要進行模板加固,設有專人負責模板的拼接質量.

通常情況下是當混凝土強度達到設計的強度值后方可進行模板拆除工作.但本文中只是對型鋼進行混凝土外包,僅涉及到鋼柱混凝土模板搭設,未涉及底模部分,因此可在保證混凝土表面及棱角不因拆除模板而受損,即一般強度達到1.0 MPa左右進行拆除.

(3) 混凝土澆筑振搗后,可通過橡皮錘敲擊模板,觀察是否振搗密實.

(4) 混凝土進行澆筑時,要注意澆筑時間,盡量在早晨進行澆筑,避免因溫度過高導致變形.

(5) 混凝土澆筑完成后,要對其進行專業養護.

(6) 施工過程中,若有必要可搭設里腳手架,保證順利施工.

2.5 施工安全控制及相關注意事項

安全事故往往發生在施工過程中,如現場腳手架安裝不合格、模板支撐體系不健全等導致事故發生,因此施工安全至關重要.在加固工程中,除了要對施工質量進行保障之外,更要對施工過程中相關工作人員及現場進行安全控制,避免發生在建工程的施工意外與傷害.

(1) 根據施工組織設計進行施工,合理分配人員,若發生偏差時,要及時進行調整,確保施工進度.

(2) 人員進入施工場地后要及時佩戴好安全帽.

(3) 施工人員要通過專業的安全培訓及技術培訓后進行加固工程施工.

(4) 戶外作業時要避免高空落物,保障周圍人員的安全.如有外部作業,必須搭設外部腳手架,并懸掛綠網;若高度在4 m以上,首層要鋪設第1道固定兜網(平網),且距地面不得小于3 m.

(5) 施工區域內要做好相應的警戒線及安全警示標語等.

(6) 加固過程中所用的工具及機具,操作人員要經過專業的培訓后才能使用,避免因操作不當等因素造成2次傷害.

(7) 施工現場要做好消防措施,在一定的場地內配備好相應的滅火器材.

(8) 大風天氣時,避免明火作業.

(9) 施工中,所有的建筑材料及安全設施都要經過相關人員的專業檢測,且驗收合格后方可進行下一步的施工.

(10) 施工過程中所產生的建筑垃圾要及時清理,不得在施工現場隨意堆放,廢棄材料及時進行回收再利用.

3 總 結

鋼結構建筑已經進入維修保養階段,鋼結構構件中的鋼柱更是保證整體建筑安全性的重要構件,可采用增大截面中的外包鋼筋混凝土的方法對鋼柱進行加固,該方法施工較為方便,加固效果也十分明顯.因此,除了對鋼柱加固進行設計計算之外,施工工藝也需要進行統一規范.

(1) 本文根據國內外實際的加固工程和相關規范進行總結,從施工構造要求、操作要點及質量控制、安全控制等方面進行分析,得到了外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱的施工工藝.

(2) 文中只對四周外包加固的施工工藝進行了簡單介紹,對于單側外包或兩側外包的情況并未提及,因此需要進行更進一步的試驗與研究.

(3) 對于型鋼與混凝土表面的黏合問題,可使用微膨脹混凝土進行外包加固,可對該方法的使用進行進一步的研究.