加固钢筋混凝土圆截面柱的新方法

刘云付， 任振华， 贺熏陶

(1.湖南尚上公路桥梁建设有限公司， 湖南 长沙 410000； 2.湖南工程学院， 湖南 湘潭 411104；3.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410014)

0 引言

钢筋混凝土结构应用最为广泛，但由于施工质量欠缺、功能改变、结构超载、受恶劣环境影响等原因，大部分钢筋混凝土结构都需要进行加固。

混凝土柱加固方法包括增大截面法、螺旋筋约束柱法、外包钢法、纤维增强聚合物加固法、轴向预应力撑杆法、轴向预应力拉杆法、横向预应力加固法和轴向预应力加固法。

图1 预应力钢带箍加固混凝土圆截面柱

横向预应力加固法，包括低预应力钢带箍和钢绞线加固，预应力钢带箍加固过程如图1所示。钢带箍和钢绞线能有效约束混凝土变形，抑制裂缝的产生并控制其发展，使柱承载力和抗震性能显著提高[1-8]。

“预压应力钢护筒并植筋扩大断面加固混凝土柱法”，使柱内混凝土由两向应力状态变为三向受力状态，从而使柱的强度和刚度得到提高[9]。图2为加固柱的截面图。

1-后浇的保护混凝土；2-螺栓；3-模板；4-半圆形钢护筒；5-被加固柱混凝土；6-构造竖筋；7-环形构造箍筋；8-栓钉或竖板。 图2 预应力钢护筒加固混凝土柱截面图

轴向预应力加固法，包括采用轴向预应力撑杆法和轴向预应力拉杆法。预应力拉、压杆加大了混凝土柱受压部分的压力，外置拉、压杆与混凝土柱中原有受拉钢筋的受力不同步，可能导致加固后混凝土柱梯次破坏。

为了保证柱体的加固效果，黄春华[10]开展了“双向预应力法加固高轴压比混凝土柱研究”,将预应力撑杆法和预应力钢板箍结合起来加固“高轴压比柱”。结果表明：该法对轴心受力柱卸载作用强劲，承载力提高幅度大,柱的塑性变形能力和滞回耗能性能在加固之后相对提升，柱的延性和抗震性能得到改善。

1 新加固方法简介

新方法是将钢筋混凝土圆截面柱分为上加固段、轴向预应力顶升段和下加固段，在上、下加固段分别安装2块预应力半圆钢板，通过半圆钢板上的法兰对混凝土柱实施环向预应力；在轴向预应力顶升段，通过顶升螺栓对上、下加固段的半圆钢板施加轴向预应力[11-12]。

2块半圆钢板的4边均设有法兰，平行于半圆钢板轴向的叫轴向法兰，垂直于半圆钢板轴向的叫环向法兰。通过半圆钢板上的轴向法兰牵引,紧固半圆钢板构成圆形钢筒，对上加固段、下加固段实施双向预应力加固，过程如图3所示。

图3 圆截面柱双向预应力半圆钢板加固模型图

轴向预应力顶升装置由1组螺杆和旋装螺杆上的2个螺母构成，半圆钢板环向法兰在爆杆对应处开孔，螺杆插装在上、下加固段半圆钢板的环向法兰孔中，2个螺母处于轴向预应力顶升段，按相反的方向旋转2个螺母，使1个螺母向上、1个螺母向下与半圆钢板的环向法兰接触，对由半圆钢板组成的上、下圆形钢筒施加轴向预应力。柱加固后的截面如图4所示。

1—加固用纵筋；2—半圆钢板；3—箍筋；4—辐射筋 图4 半圆钢板加固后混凝土柱的截面图

双向预应力施加到位后，在上、下圆形钢筒外表面浇筑钢筋混凝土保护层。钢筋混凝土保护层中，设有辐射状钢筋与外围箍筋，辐射状钢筋垂直于半圆钢板表面径向设置，一端焊接在半圆钢板表面，另一端焊接有围箍筋，在箍筋外立模板浇筑混凝土，形成新的混凝土柱。

2 加固技术原理

2.1 受力总体分析

当预应力半圆钢板加固混凝土柱后，相当于带预应力围压的配筋钢管混凝土柱，加固柱的构造过程及断面见图5。

半圆钢板与箍筋内的混凝土受到半圆钢板的环向约束作用，处于三向应力状态，原柱的箍筋受拉，纵向钢筋受压。混凝土柱被加固后的受力分析见图6。

图5 半圆钢板加固混凝土柱

图6 半圆钢板钢桶及混凝土柱的受力

2.2 半圆钢板的受力

如图6所示，半圆钢板的厚度为t，半圆钢板对混凝土柱的围压为σr1，半圆钢板的受力见图6 b、6 c，可假设半圆钢板轴向预应力σz=0，径向压应力为σr1，环拉应力为σθ，则：

(1)

式中：σr为半圆钢板筒对混凝土产生的侧向约束应力；d为混凝土柱的外径即半圆钢板的内直径。

半圆钢板混凝土柱往往在工程和试验中选用管壁较薄的钢板，即σθ>σz，薄壁钢管的主应力分别为：

σ1=σθ；σ2=σr1；σ3=σz=0

(2)

2.3 箍筋应力

混凝土柱内的箍筋及核心混凝土的受力如图6f所示，半圆钢板通过保护层混凝土给柱内箍筋的作用力为σr1，根据力的平衡，约束应力还可以表示为:

(3)

式中：σr 2为箍筋对核心混凝土产生的约束应力；fy t为表示箍筋屈服强度；dcor(箍筋内边缘)为核心混凝土直径；Acor为核心混凝土(箍筋内边缘)面积；AS 2为单根箍筋的截面积；s为箍筋的纵向间距。

2.4 混凝土承载力

混凝土柱中箍筋外混凝土保护层在没有加固的情况下只能起到保护层作用。箍筋内的核心混凝土处于三向应力状态，核心混凝土的抗压强度在考虑其强度时可按三向受压来计算，可取f′c=fc+4σr 2，σr 2为箍筋对核心混凝土产生的被动侧向压应力即径向压应力，当箍筋应力达到抗拉屈服强度时，径向压应力为：

(4)

混凝土柱通过预应力半圆钢板钢筒加固后，箍筋外半圆钢板内的保护层混凝土受到钢筒约束外部向内的作用力σr1，同时受到箍筋向外膨胀给保护层混凝土的作用力，可以假定这个力的大小也为σr1，如图6e所示。得到处于三向应力状态下的外层混凝土的抗压强度f′c1为:

f′c1=fcy+kσr1

(5)

则外层混凝土的轴压承载力N2为：

(6)

式中：Ac1为外层混凝土截面面积，

半圆钢板筒和箍筋将核心混凝土进行双重约束，处于三向应力状态，推得混凝土在三向应力状态下的轴向抗压强度计算公式为：

f′c=fcy+kσr2

(7)

式中：f′c为三向应力状态下 混 凝 土 抗 压 强 度；k可取4.0；σr 2为核心混凝土所受到的侧向约束应力；fcy为混凝土单轴抗压强度，对于圆形截面柱，取圆柱体单轴抗压强度。

核心混凝土承载力为：

(8)

2.5 纵向钢筋承载力

纵向钢筋屈服体现在加固后的混凝土柱达到了轴压承载力极限，故其轴压承载力N4为:

N4=fySAS3

(9)

式中：fyS为纵向钢筋的屈服强度；AS3为纵向钢筋的截面面积。

2.6 轴压承载力统一解

钢筒、外层混凝土、核心混凝土和纵向钢筋4个部分提供的承载力组成了预应力半圆钢板加固后的混凝土柱轴压承载力N，即:

N=N1+N2+N3+N4

(10)

(11)

3 工程应用实例

3.1 原柱的承载力

计算得到原柱的屈服承载力Buo=4999.281kN。

3.2 双向预应力加固后混凝土柱的承载力

双向预应力的实施方案为：半圆钢板在混凝土柱轴向加预应力使半圆钢板形成的钢圆筒柱，达到临界轴压力或钢板屈服强度后，环向施加预应力使半圆钢板达屈服强度。

预应力半圆钢板合拢后对混凝土柱进行加固，半圆钢板形成的钢圆筒有可能失稳。钢板厚10mm，钢圆筒的内径d=500mm，外径D=520mm，其截面面积AS1=πdt=3.14×500×10=15700mm2，截面惯性矩I=520855350mm2，其压杆横截面对混凝土柱轴向的惯性半径r=182.14mm，可得柔度λ=32.94，而由Q235钢制成的压杆，其柔度的限界值为：

(12)

式中:E为钢材的弹性模量，E=2.06×105MPa;σP为钢材的比例极限，σP=200MPa。

代入具体数据可得：λp=100，λ<λp。所以钢制成的压杆不存在临界失稳。可以考虑钢圆筒在混凝土柱的轴向也达到其屈服强度fy=235N/mm2，则有N1=AS1×fy=3689.5kN。轴向预顶升力的大小除满足设计要求外，其最大值不能超过原柱的设计承载力、半圆钢板形成的钢圆筒柱的临界轴压力、钢板达轴向抗压屈服强度,算得的轴向承载力为3者的最小值。由于钢圆筒制成的压杆不存在临界失稳，钢圆筒的轴向顶升预应力的最大值不大于N1和原柱设计承载力的最小值。于是有：

Nu1=N1+N

(13)

式中:N1为钢圆筒在混凝土柱的轴向达到屈服强度时的承载力；N为双向预应力半圆钢板在混凝土柱轴向不加预应力，环向施加预应力使半圆钢板达屈服强度得到的加固柱的承载力。

由图5可知，随着ZA质量浓度增大，DPPH自由基清除率明显增强。质量浓度为8 mg/mL时，玉米醇溶蛋白对DPPH自由基清除率为52%，玉米醇溶蛋白锌离子螯合物对DPPH自由基清除率为76%，显著高于未反应的玉米醇溶蛋白（p＜0.05）。

计算得到N=17824.826kN，所以Nu1=21514.326kN。

在使用环向预应力加固后，加固后柱的承载力提高到了原柱的承载能力的3.6倍；在使用双向预应力加固后，加固后柱的承载力提高到了原柱的4.3倍。

4 结语

新方法“双向预应力半圆板无破损加固矩形截面混凝土柱法”2018年获中国发明专利，该法施工简单，操作方便，具有以下特点：

1) 新方法对混凝土柱实施双向预应力加固，且预应力的大小可根据具体要求进行调整， 预应力存在且大小可调，既保证了原结构和加固结构的同步受力又防止了梯次破坏的出现。

2) 新方法在不对原有混凝土柱结构造成损伤的情况下，降低了原混凝土柱的承载力。

3) 双向预应力中存在一定的匹配关系，使得混凝土柱的承载力在加固的情况下达到最优值。

4) 新方法使柱的强度和刚度有所加强，又改善了钢筋混凝土柱抗震性能。

5) 由于加固施工不必要对原有混凝土柱进行卸载，不影响结构的使用，所以加固施工可以在线实施，结构在加固后能够直接承载，立即投入使用。

6) 仅施加环向预应力，混凝土柱的承载力较加固前最大能够提升3.6倍；施加双向预应力后，承载力最大为加固前的4.3倍。