增大截面法加固舊混凝土柱承載效果分析

戈玉平， 余 洋

（南京理工大學 理學院，江蘇 南京210094）

據統計，現有建筑中96%屬于混凝土結構。由于長時間的使用和環境的影響，建筑結構逐漸出現老化，構造強度降低，其安全性與抗震性也隨之降低[1]。面對越來越多的老化建筑問題，對其進行加固成為了迫切需要解決的問題。結構加固的方法有許多種，針對不同情況的損壞與老化，可采用不同的加固方法。

本文以實際工程為例，對不滿足承載力的柱構件進行增大截面加固，運用有限元軟件分析加固厚度對極限承載力的影響，以確定柱構件的最優加固程度。

1 工程概況

廣州光華機械加工廠是一幢建于20世紀70年代的3層框架結構房屋，結構基本穩定。工程重要性等級為二級，場地等級為二級，地基復雜程度為二級，巖土工程勘察等級為乙級，抗震設防烈度為6級。主體以鋼筋混凝土柱、梁板承重，屋面為現澆混凝土板上人屋面。房屋內墻體以180、120 mm 厚燒結磚間隔、圍護，結構高度17.00 m。房屋原作為車間使用多年，現空置未使用，其結構材料均有不同程度老化。

2 房屋加固

2.1 檢測分析

根據GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標準》和JGJ 116—2009《建筑抗震加固技術規程》，將抗震鑒定分為兩級：第一級主要是圍繞構造和建筑整體進行綜合鑒定；第二級是以建筑抗震能力為主進行綜合評價[2]。

1）該房屋上部承重結構有個別梁、板、柱構件存在鋼筋銹蝕混凝土脹裂現象，個別樓板存在局部開裂滲水現象。結構安全性驗算結果表明：首層及二層柱子配筋基本滿足承載力要求，部分三層柱子配筋不滿足承載力要求；各層均有部分梁配筋不滿足承載力要求；現澆板構造邊配筋不滿足規范要求。其構件安全性等級評定為Cu級。

2）垂直度觀測結果表明，該房屋的側向位移未超出GB 50292—2015《民用建筑可行靠性鑒定標準》的限值。其結構側向位移等級評定為Au級。

3）該房屋結構布置合理，形成完整系統且結構選型及傳力路線設計正確。其結構整體性等級評定為Au級。

房屋結構安全性鑒定結論：該房屋大部分框架柱軸壓比滿足規范要求；房屋二層及三層有部分框架柱縱筋配筋不滿足承載力要求；房屋首層至三層大部分框架柱箍筋配筋不滿足規范要求；房屋三層及屋面層部分梁底配筋不滿足承載力要求；房屋二層至屋面層大部分框架梁箍筋配筋不滿足規范要求。

2.2 加固

本工程框架柱均采用增大截面法進行加固。增大截面法是在原構件增設一層鋼筋混凝土，增大構件截面以提升構件的承載能力[3]，見圖1。

圖1 柱增大截面法加固

該方法適用于梁、板、柱、墻等構件，優點是施工工藝簡單、效果明顯、新舊面連接緊密和可滿足施工條件企業多[4]；不足是工期較長、施工濕作業時間長、加固后減少建筑物橫向空間。

3 有限元分析

3.1 材料性能參數

由于混凝土和鋼筋材料屬性不同，兩者之間屬于黏接作用，為了方便仿真計算，數值模擬時假定鋼筋與混凝土是不分離的，認為鋼筋與混凝土之間是不產生滑移的，建模完成之后，使用Embedded嵌入來設定混凝土和鋼筋之間互相作用。在ABAQUS 有限元分析軟件中使用Coupling 耦合功能來模擬混凝土柱的偏心受壓工況，在柱子屬于偏心受壓情況時候，混凝土柱構件受到軸向力和剪力。研究對象主要由混凝土和鋼筋兩種材料構成，參數按照試驗實測數據輸入，試驗未測參數按相關規范要求取值［5］。

3.2 材料本構關系

由于成分較復雜，因此混凝土的本構材料關系比較復雜，本構關系的選擇將極大影響模擬結果的精度。鋼筋本構關系較為簡單，目前進行有限元分析常采用理想彈塑性本構模型，本文也采用了理想彈塑性本構模型。見圖2。

圖2 應力-應變關系曲線

3.3 增大截面法有限元分析

原鋼筋混凝土建筑柱的尺寸為500 mm×500 mm，長2 810 mm；箍筋為φ8 mm、間距50 mm；混凝土強度為C25。見圖3。

圖3 原構件柱模型

通過有限元軟件ABAQUS建立模型，對原混凝土柱偏心受壓模擬分析，在柱一端施加彎矩，當達到極限破壞時，其極限承載力和彎矩承載極限為2 400 kN和153 kN/m。

分別對50、75、100、125 mm4 組加固厚度進行承載力極限和彎矩承載極限數值模擬，結果見圖4。

圖4 模擬結果

由圖4可知，隨著加固厚度的增加，柱的極限承載力和彎矩承載極限均呈線性增長。加固截面厚度每增加25 mm，極限承載力增加量平均為400 kN；彎矩承載極限增加量為26、21、94、94、92 kN/m。

由此可見，當柱軸心受壓不滿足承載力要求時，經過計算可直接選擇合適的加固厚度。當柱偏心受壓不滿足承載力要求時，加固到一定厚度之前，僅提供少量承載彎矩；加固截面達到一定厚度之后，再增加截面厚度可提供更高的有效承載彎矩。因此在加固前根據計算出屋面的固定荷載與活荷載，可選擇合適的加固厚度。

本文對4個加固分別施加10個受力工況，分別計算混凝土柱應力以及彎矩承載極限值計算。見圖5。

圖5 加固后的彎矩-正應力關系

由圖5可知，對任意加固厚度的混凝土柱施加彎矩，其軸向正應力隨之增加，呈線性增長。對不同加固厚度的混凝土柱施加同等的彎矩時，加固厚度大的混凝土柱受到的軸向正應力比加固厚度小的混凝土柱小。

4 結論

1）隨著加固截面厚度增加，混凝土柱的極限承載力和極限彎矩均隨之增加，呈線性增長。

2）柱的極限承載力與加固厚度成正比，每增加25 mm 加固厚度，柱承載力提升400 kN；但彎矩承載極限在到達一定加固厚度之前，增加效果不明顯，加固達一定厚度之后，每增加25 mm，彎矩承載極限提升約94 kN/m。

3）相同彎矩施加于混凝土柱一端時，加固厚度大的混凝土柱所受軸向正應力小于加固厚度小的混凝土柱，加固厚度能有效提升柱抗偏心受壓能力。□■