結(jié)構(gòu)外包鋼加固設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)研究

雷章亮

（中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024）

1 引言

外包鋼作為一種新型的混凝土補(bǔ)強(qiáng)方法， 它適合于既不增加混凝土截面，又能大幅提升承載能力的混凝土構(gòu)件，其施工工期短、對(duì)生產(chǎn)和生活的影響很小，而且設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)便，因此，該方法被廣泛地運(yùn)用于實(shí)踐中。 外包鋼分為干式和濕式兩種。 其中，濕式是最常用的一種方法，它通常被用來(lái)加強(qiáng)鋼筋混凝土的梁、柱、桁架、腹桿等。

2 工程概況

長(zhǎng)江綠色創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)的核心區(qū)域包括一、二、三期3 個(gè)子項(xiàng)目，總面積88 250 m2，建筑面積215 000 m2。此項(xiàng)目屬于重慶市南岸區(qū)長(zhǎng)江生態(tài)工業(yè)園核心區(qū)的舊城改造項(xiàng)目，是一種新型的城市更新改建方式。 該工程的主要內(nèi)容有：梁和板結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)、梁和柱的截面加大、梁的包鋼和柱的外包鋼施工。

本建筑物的加固范圍包括柱、剪力墻和部分梁的角鋼筋。包鋼鋼筋表面用15mm 厚的1∶3 水泥漿作保護(hù)層。為提高涂層的結(jié)合力，可采用界面處理劑。

3 建筑外包鋼補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

3.1 粘鋼加固的應(yīng)用領(lǐng)域

目前，外貼鋼板補(bǔ)強(qiáng)方法僅用于受力受壓構(gòu)件，施工用的膠粘劑為JGN 結(jié)構(gòu)膠粘劑， 由于施工膠粘劑的黏結(jié)剪切強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，所以該方法只能應(yīng)用在環(huán)境溫度低于60 ℃、相對(duì)濕度＜70%、沒(méi)有任何化學(xué)侵蝕的環(huán)境中[1]。

3.2 黏結(jié)鋼筋補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

鋼筋黏結(jié)法對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)， 本項(xiàng)目粘鋼加固工程中，對(duì)受彎梁的受拉面積和斜截面剪切性能進(jìn)行了增強(qiáng)，以下對(duì)這兩種構(gòu)件的加固計(jì)算和使用方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1）受拉區(qū)鋼筋混凝土梁的配筋計(jì)算：

式（1）、式（2）中，fcm為原始構(gòu)件的抗彎承載力設(shè)計(jì)值；b 為原構(gòu)件的寬度；x 為混凝土受壓區(qū)高度；fy為原始構(gòu)件縱筋的抗拉強(qiáng)度；As為原始構(gòu)件的橫拉橫截面面積；A′s為原構(gòu)件縱向受壓鋼筋截面面積；0.9 為考慮鋼筋混凝土的應(yīng)力遲滯效應(yīng)和撕裂力效應(yīng)的等強(qiáng)度折減系數(shù)；fay為加固鋼板抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aa為鋼筋橫截面積；Mu為彎矩設(shè)計(jì)值；h01為截面有效高度；f′y為原始構(gòu)件縱筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A′為受拉鋼筋截面積；a′s為縱向受拉鋼筋截面積。

2）鋼筋混凝土錨桿錨固長(zhǎng)度的計(jì)算：

式中，L1為錨桿錨固長(zhǎng)度；fsy為原始構(gòu)件的橫拉橫截面面積；ts為原始構(gòu)件縱筋的抗拉強(qiáng)度；fcv為原始構(gòu)件縱筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3）斜斷面采用剪切承載力對(duì)其進(jìn)行加固。 在斜截面抗剪承載能力不夠的情況下， 可以通過(guò)局部粘貼并聯(lián)U 形箍板的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

式中，V 為斜截面抗剪承載能力設(shè)計(jì)值；V0為原始構(gòu)件抗剪承載力計(jì)算值；fay為加強(qiáng)板的抗拉強(qiáng)度；Aal為單肢箍板橫斷面面積；L 為梁長(zhǎng)度；S 為帶板軸線間距。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 外包鋼結(jié)構(gòu)施工

4.1.1 外包鋼結(jié)構(gòu)施工工藝流程

外包鋼結(jié)構(gòu)施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 外包鋼結(jié)構(gòu)施工工藝流程圖

4.1.2 構(gòu)件卸載和定位放樣

首先，將需要補(bǔ)強(qiáng)的構(gòu)件卸下來(lái)，去除所有的附加構(gòu)件和裝飾面層，暴露出已有的結(jié)構(gòu)面；在卸載完畢后，安裝工人操縱平臺(tái)，并按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行外模板定位。 底材磨光的邊線要超出包邊線30 mm。

4.1.3 結(jié)合面處理

結(jié)合面處理主要是對(duì)混凝土表面進(jìn)行鑿毛、 外包鋼等進(jìn)行表面打磨。

1）硬化表面處理。 采用手持電動(dòng)砂輪，對(duì)原混凝土梁和圓柱體粘貼角鋼部分進(jìn)行磨光，邊角磨成半徑R=10 mm 的圓形，用鋼絲刷毛，再用壓縮空氣進(jìn)行吹掃和清潔。 最后用硬刷子蘸去污粉擦洗，也可以用高壓冷水沖洗干凈，直到徹底干燥。

將原部件表面的浮灰、油污、原油漆清理干凈，部件表面風(fēng)化、剝落、疏松、起砂、蜂窩、麻面、銹蝕等應(yīng)剔除，直至暴露出新的骨料表面。 然后，用花錘將水泥黏結(jié)面磨平，直至暴露出含有碎石的硬質(zhì)層， 并用高強(qiáng)度高分子砂漿修補(bǔ)混凝土缺損處[2]。

2）外包鋼結(jié)構(gòu)表面處理。 角鋼接頭表面要去銹，打磨出金屬光澤，然后用丙醇或二甲苯清洗和擦拭。 在對(duì)角鋼、鋼板及其他型鋼進(jìn)行裁切之前， 先將切斷部位的鐵銹和污物清理干凈，切斷后的斷口處有熔瘤和飛濺物也要清理干凈。 型鋼（如角鋼、鋼板等），需除銹、平整。可以用扁平的砂輪進(jìn)行磨光。鋼板經(jīng)過(guò)除銹后，其表面將呈現(xiàn)金屬光澤。 如果鋼板發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，可以用適量的鹽酸將其腐蝕掉，再用水沖凈，以中和酸性，然后用平輪進(jìn)行磨紋。 打磨后的紋理應(yīng)與金屬板的受力方向相垂直。 鋼板的打毛要現(xiàn)場(chǎng)加工，并且要注意防潮和防油。

4.2 鋼板切割、打磨、預(yù)鉆

角鋼、配筋鋼板的加工包括裁切、壓扁、矯直、邊處理等工序，對(duì)其進(jìn)行的施工及質(zhì)量檢查，必須按照GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)要求進(jìn)行。

下料前應(yīng)先打好型鋼線，其偏差應(yīng)符合GB 50205—2020的規(guī)定，氣切割或機(jī)械剪切時(shí)，其長(zhǎng)、寬偏差≤3 mm。整平后的型材與混凝土表面要保持平整貼合， 外形要與定位劃線相一致。 采用等離子切割機(jī)將角鋼、鋼板等型材切割成符合設(shè)計(jì)要求的規(guī)格。 如果鋼筋長(zhǎng)度不足，可以在工地上進(jìn)行焊接，但是不允許在構(gòu)件跨距和鋼結(jié)構(gòu)的焊縫之間進(jìn)行交錯(cuò)， 焊縫不能設(shè)置在同一個(gè)斷面上。

4.3 型鋼框架裝配與焊接

在需要包鋼的位置，按照?qǐng)D紙上的要求，將已經(jīng)下好的鋼板進(jìn)行組裝和焊接，并且要保證與混凝土部件的黏結(jié)表面有3 mm 的空隙，兩邊的鋼板用M14 螺栓連接起來(lái)，把螺母擰緊，螺絲帽要蓋好，避免在灌膠過(guò)程中漏膠[3]。

4.4 注膠法包鋼施工中的應(yīng)用

使用注膠法對(duì)鋼筋進(jìn)行黏結(jié)的情況下， 必須在鋼板上加錨釘。 在安裝過(guò)程中，要在被粘貼的鋼板和部件表面留下2 mm 左右的暢通間隙，以便于壓注上膠。

將待粘貼的鋼板邊沿間隙用環(huán)氧膠粘劑封住， 留出灌漿孔及排漿孔（間隔2 m）。 當(dāng)環(huán)氧水泥徹底凝固之后，再進(jìn)行通風(fēng)測(cè)試，按照結(jié)構(gòu)膠的使用說(shuō)明來(lái)配置可灌性結(jié)構(gòu)膠，然后用灌膠泵進(jìn)行灌注，在0.2～0.4 MPa 的壓力下，將膠壓入其中。

在排漿孔有漿液流出時(shí)， 就可以確定鋼板內(nèi)部已經(jīng)被注滿，用環(huán)氧膠泥將排漿孔堵死，然后在低壓狀態(tài)下保持10 min左右，再用環(huán)氧膠泥將孔填滿，這樣就可以完成對(duì)下一塊鋼板的灌膠。注膠壓力以0.2～0.4 MPa 為宜，防止灌膠量太大，造成板材變形和成拱現(xiàn)象。

壓力注膠工藝要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 壓力基本保持平穩(wěn)，并一直在設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)。如有泥漿流出，必須立即停止增壓，用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿封堵孔口。 保持低壓10 min 后，停止灌漿。

整體操作規(guī)范： 首先在梁和柱結(jié)合面涂上一層環(huán)氧樹(shù)脂漿液，把型鋼骨架固定在梁和柱的表面上，再用卡子固定，焊接牢固。 用環(huán)氧泥漿封住型鋼四周，留下通氣孔，在有利的灌漿部位安裝注漿噴嘴，間距2 m。 注漿完成后，進(jìn)行空氣試驗(yàn)，在0.2～0.4 MPa 的壓力下， 將環(huán)氧樹(shù)脂漿液通過(guò)注漿口注入；如有泥漿流出，則停止增壓，用環(huán)氧泥漿將其堵死；在低壓下保持10 min 或更長(zhǎng)時(shí)間后，用環(huán)氧樹(shù)脂泥漿堵塞孔口。 按照此法，從下往上，從左到右進(jìn)行灌注，直到把所有孔都灌滿。 要注意的是，灌注完畢后，不能再錘擊、移動(dòng)、焊接型鋼架。

4.5 固化養(yǎng)護(hù)

膠粘劑的固化時(shí)間及環(huán)境空氣溫度參照施工膠的說(shuō)明。該項(xiàng)目中使用的膠凝材料，在室溫（25 ℃）養(yǎng)護(hù)1 d 后，就可以拆下固定卡具和支架，3 d 后就能受力，滿足設(shè)計(jì)荷載要求。隨著環(huán)境溫度的下降，養(yǎng)護(hù)時(shí)間也要相應(yīng)地延長(zhǎng)。

在5 ℃以下的環(huán)境中，可以通過(guò)紅外燈、碘鎢燈等加熱手段進(jìn)行加速養(yǎng)護(hù)， 也可以采用低溫養(yǎng)護(hù)的方法對(duì)膠凝材料進(jìn)行改性。 在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中應(yīng)持續(xù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，防止水、灰塵等對(duì)鋼板表面造成污染[4-5]。

4.6 裂縫表面防腐蝕、耐火涂料涂裝防護(hù)

在需對(duì)鋼板進(jìn)行表面涂層保護(hù)時(shí)， 首先要用鋼絲輪刷對(duì)鋼板表面進(jìn)行除銹，清除表面污物，以確保保護(hù)材料和鋼板的牢固結(jié)合。

1）在施工過(guò)程中，必須保證施工現(xiàn)場(chǎng)的空氣相對(duì)濕度不能超過(guò)85%，溫度不得低于-5 ℃。 涂裝過(guò)程中，膠粘板的表面溫度不能高于35 ℃。

2）涂層的外觀檢查應(yīng)做到：涂層無(wú)脫落、缺漆、漏涂、脫層等現(xiàn)象，涂層應(yīng)均勻、平滑、飽滿、有光澤。

4.7 外包鋼結(jié)構(gòu)成品保護(hù)

1）外包鋼施工結(jié)束后，應(yīng)保證基層不會(huì)再出現(xiàn)水、灰、油等新的污染，對(duì)污染較重的區(qū)域應(yīng)采取隔離措施。

2）在膠未完全凝固之前，不能對(duì)被黏結(jié)的鋼板進(jìn)行移動(dòng)，并做好最后的防護(hù)工作。 在養(yǎng)護(hù)、膠結(jié)、現(xiàn)場(chǎng)拉伸承載力測(cè)試合格的情況下，才能進(jìn)行下一道工序的加載施工。

3）外包型鋼完工后在固化養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，不能加載或隱蔽作業(yè)，以免影響施工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）施工過(guò)程中，首先要清洗鋼板表面，將其表面的油污、鐵銹等雜物清除干凈，以提高鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的結(jié)合度；（2）在施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)所用混凝土的強(qiáng)度和鋼板翼緣的寬度，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)加厚；（3）將剪切接頭焊接于鋼框架表面，以適應(yīng)新澆筑的混凝土和鋼框架的變形；（4）增加的鋼板內(nèi)縱筋和箍筋，除應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求外，同時(shí)也要考慮到鋼筋的構(gòu)造要求；（5）鋼板腳和梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域是主要傳力區(qū)域，需要保證鋼筋的貫穿，如果不能貫穿，需要采取套管接頭、鋼筋彎曲等措施。

該工程自加固竣工之后至今無(wú)任何異常， 實(shí)踐證明鋼板外包混凝土在鋼結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用是安全可靠的。 在設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，又要兼顧施工要求，對(duì)鋼筋混凝土的配筋要求進(jìn)行系統(tǒng)性分析，并采取有效的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)的安全性。