钢筋混凝土柱外包粘钢加固技术研究与应用

1. 概述
　　混凝土结构加固技术是一门新兴的学科，结构试验研究、理论分析及规范编制等基础理论工作，近年来均有很大进展。日本在混凝土结构裂缝修补技术方面，较系统全面，编制了《混凝土工程裂缝调查及补强加固技术规程》；原苏联在工业厂房加固设计构造方面，积累了较为丰富的经验，出版有结构加固构造图集；英国、德国在混凝土结构缺陷修补、防水及防腐处理技术方面，也取得了不少成功经验。我国近几年，在混凝土结构抗震加固旧房改造及工程事故处理方面，进行了大量的工程实践与试验研究，在国内发表了大量论文，出版了不少著作，并且编有《混凝土结构加固技术规范》（CECS25：90）。
　　钢筋混凝土结构的耐久性问题已越来越引起人们的关注。美国学者用“五倍定律”形象地说明耐久性的重要性，特别是设计对耐久性问题的重要性。设计时，对新建项目在钢筋防护方面，每节省1美元，则发现钢筋锈蚀时采取措施多追加5美元，混凝土开裂时多追加维护费用25美元，严重破坏时多追加维护费用125美元。这一可怕的放大效应，使得各国政府投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐久性与加固的研究。除了耐久性外，还有施工质量问题，许多新建的建筑工程也存在较严重的工程质量问题和质量事故，这些建筑的加固在整个加固工作中，也占有相当大的比例。
　　对老化或有病害的钢筋混凝土结构进行加固是提高其耐久性、延长其使用寿命较有效的办法，其主要方法有以下几种：加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、增设支撑加固法、粘钢加固法、托梁拔柱技术、增设支撑体系及剪力墙加固法、增设拉结连系加固法、裂缝修补技术等。
　　其中，粘钢加固法是比较新颖的一种加固方法，它是在混凝土构件表面用特别的建筑结构胶粘贴钢板，以提高结构承载力的一种加固方法。该方法始于60年代，优点是简单、快速、不影响结构外形，施工时对生产和生活影响较小。在国际上它是一种适用面较广的先进的加固方法。不仅在建筑上使用，而且在公路桥梁也普遍采用。
　　外包钢加固法也是一种使用面较广的传统加固方法，分湿式与干式两种情况。两者相比，干式外包钢施工更为简便，但承载力提高量、整体工作性能及受力特点也不如湿式外包钢有效。湿式外包钢加固施工较为复杂。本文拟将湿式外包钢加固技术与粘钢加固技术结合起来，用新型结构胶代替乳胶水泥和环氧树脂化学灌浆，这可给施工带来较大方便，且型钢能与原混凝土结构共同受力，同时发挥了外包钢加固技术与粘钢加固技术的优点。本文就是要通过对这种新型结构胶的外包粘钢柱的模型试验，探讨这种加固技术的受力性能。并还针对广东省电力一局万益钢结构加工厂出现的质量问题，把其作为工程加固研究实例，分析其结构受损的原因，提出结构加固的方案及施工措施，并评价加固效果，进一步说明把上述外包粘钢技术用于工程结构加固的可行性。
2. 钢筋混凝土短柱胶凝混凝土外包粘钢加固试验
　　2.1 试验目的与试件制作
　　试验目的为了满足实际工程中提出的在柱子加固时既要大幅度提高其承载力，又要使柱子的横截面积增大不多，还要整体性强，可靠性高等要求。我们在钢筋混凝土柱原有的加固方法的基础上，提出了钢筋混凝土柱外包粘钢加固法。该方法用高强胶凝混凝土少量增大柱子截面，并外包粘角钢和包粘钢板，在新增加截面的部分提高柱子承载力的同时，还因新增钢板箍的横向约束作用，使原混凝土柱产生良好的三向应力状态，因而可以大幅度提高柱子的承载力。另因粘的效果还使外包钢套、高强胶凝混凝土与原柱之间可靠地联结成整体。
　　为了验证上述加固方法的加固效果，进行了钢筋混凝土的短柱轴压试验。未加固的试件为配置了纵筋和箍筋的短柱，截面尺寸150×150m，柱长600mm，配有4Ф6纵筋，箍筋采用Ф4@150，见图1（a）。预制四组不同等级的钢筋混凝土柱，第一组试件数9根，另外三组试件数均为6根，共预制了27根短柱，四组试件混凝土立方体抗压强度依次为14.7N/mm2、22.6N/mm2、23.6N/mm2、26.0N/mm2。由于柱子尺寸不大，将外包角钢和钢板箍用外包钢板套筒代替。加固步骤是先预制好钢筋混凝土短柱，用2mm厚的A3钢板做好钢板套筒，要求钢板套筒与柱子等长，然后将混凝土短柱表面和钢板套筒内壁做粘接前的表面处理，再二者表面涂上WSI界面胶，最后将短柱置于钢板套筒中，在钢板套筒与柱之间浇筑高强胶凝细石混凝土。
　　钢板套筒采用三种不同的横断面。它们分别是边长为180mm的正方形，边长为188mm的正方形和直径212mm的圆形。用边长为180mm的正方形使柱横截面面积增加了44%，用边长为188mm的方形与直径为212mm的圆形，均使柱截面面积增加了57%，见图1（b）。
　　为了观测试件在轴向加载过程中的变形和钢板箍的横向约束效果，在第一组试件的中部贴有横向和纵向应变片，应变片在前后两面对称布置。加固柱除原混凝土柱贴片外，钢板外套筒也贴有应变片，见图1（c）。
　　第一组试件数为9根，其中3根不加固，3根按方型截面加固，3根按圆型截面加固。另外三组，每组6根试件。其中3根不加固，3根按方型截面加固。钢板与混凝土柱间浇筑高强胶凝细石混凝土的立方体抗压强度
　　2.2 试验成果及其分析
　　2.2.1 试验结果
　　将每3根一批的试件在压力试验机上做轴压试验，应变值为前后两面应变结果采取均值。极限承载力由3根一批的结果取均值得到。
　　图2显示出了未加固柱的轴压力和应变关系曲线；图3示出了方形套筒加固柱的轴压力和应变关系曲线；图4示出了圆形套筒加固柱的轴压力和应变关系曲线。
　　试验得到的承载力结果见表1、表2
表1 试件的试验结果
组
号 短柱混凝土的立方体抗压强度 未加固短柱
的承载力 方形箍筒的承载力 提高
百分比 圆形箍筒加
固的承载力 提高
百分比
1 14.7N/mm2 289kN 835kN 195% 1308kN 353%
2 22.6N/mm2 418kN 970kN 132% 　 　
3 23.8N/mm2 440kN 990kN 125% 　 　
4 26.0N/mm2 477kN 1033kN 117% 　 　

表2 试验值与理论值比较
组号 未加固短柱的承载力（kN） 方形箍筒的承载力（kN） 圆形箍筒加固的承载力（kN）
理论值 试验值 理论值 试验值 理论值 试验值
1 292 289 935 853 1190 1308
2 427 418 982 970 　 　
3 447 440 1002 990 　 　
4 486 477 1041 1033 　 　
　　2.2.2 试验结果分析
　　（1）由第一组未加固短柱的试验结果可知，荷载不大时，柱子的轴向应变和横向应变与轴压力大致成正比。当荷载增大到一定程度，轴压力与应变的变化不再成正比例，应变增加比荷载增加要快，最后应变失效，表明柱中混凝土的微裂缝迅速发展。
　　（2）当轴压力小于600kN时，钢板套筒与混凝土柱的轴向应变同步增加，表明钢板套筒与混凝土柱共同工作情况良好。当轴压力大于600kN时，两者轴向应变差别明显，分析其原因可能是钢板套筒与混凝土柱的长短不一致造成的。
　　从钢板套与混凝土柱的横向应变看，两者的应变也基本同步增加。与轴向应变对应，当轴压力大于600kN时，横向应变显著增加或应变片失效。
　　（3）第一组按圆形箍加固的短柱轴压力与轴向应变关系和横向应变关系，从轴向与横向应变看，当轴压力小于800kN时，两者按比例增加。当轴压力大于800kN时，应变比轴压力增加要快，且钢板套筒与混凝土柱的轴向应变相差明显，原因同方板箍加固，也是三种情况。
　　（4）从最后破坏形态看，未加固短柱混凝土被压碎而破坏，方形钢板套筒加固柱破坏时中部向外凸起，钢板纵向失稳，圆形钢板套筒加固柱因套筒轴向受压屈服，起皱失稳而破坏。
　　（5）比较第一组试件的极限承载力，方形钢板套筒加固短柱的承载力比未加固短柱提高了195%，圆形钢板套筒加固短柱的承载力提高了353%，可见加固效果非常显著。
　　（6）由第二、三、四组的试验结果可以看出，对于不同强度等级的混凝土柱采用相同的加固方法，其混凝土的强度越低，加固后提高的百分比越大，加固的效果愈佳。
3. 外包粘钢柱的承载力计算
　　3.1 短柱未加固的承载能力
　　原柱混凝土的立方体抗压强度。
　　混凝土的棱柱体抗压强度由经验公式得：
　　
　　混凝土的横截面积A=22500mm2。
　　钢筋的屈服强度
　　钢筋的横截面积AS=113mm2
　　当短柱达到极限受压状态时，混凝土的强度达到了棱柱体的抗压强度，钢筋的压应力达屈服强度，则未加固的钢筋混凝土短柱的极限承载力
　　　　　　　　　　　（1）
　　第一组混凝土的，则，钢筋的，混凝土截面面积为22500mm2，钢筋面积为113N/mm2，代入上式得Nc=292kN。
　　3.2 方形钢板套筒加固的短柱
　　不考虑套筒的横向约束，则方形套筒加固的极限承载力为
　　　　　　　　　　　（2）
　　加固用的胶凝细石混凝土立方体抗压强度，棱柱体抗压强度，细石混凝土截面积A1=1842-1502=11356mm2，A3钢钢板的屈服强度，钢板套筒的横截面积AS1=4×186×2=1488mm2，代入上式得Nc=935kN
　　3.3 圆形钢板套筒加固的短柱
　　不考虑套筒的横向约束，则圆形套筒加固的极限承载力为
　　　　　　　　　　　（3）
　　细石混凝土截面积A1=1042×π-1502=11479mm2，钢板套筒的横截面积AS1=210×π×2=1319mm2，代入上式得Nc=898kN。
　　3.4 考虑圆形套筒的横向约束时，可依照韩林海等著《钢管混凝土力学》中的计算公式进行混凝土轴压强度承载力计算：
　　　　　　　　　　　（4）
　　式中：ASC=AC+AS钢管混凝土截面积，为钢管混凝土组合轴压屈服强度极限。
　　通过大量回归分析计算，得：
　　　　　　　　　　　（5）
　　式中：B=0.1759fy/235+0974，C=－0.1038fck/20+00309，ζ为套箍系数：
　　　　　　　　　　　（6）
　　其中AS为钢管截面积，AC为混凝土截面积。
　　该计算公式只适用于钢管内为同一种混凝土材料，与本加固试件有差别。为了能用该公式计算，取钢管内的混凝土强度为横截面积的加权平均值，且用混凝土的棱柱体抗压强度代替混凝土的标准强度进行计算，于是得：

　　柱内混凝土的平均强度=15.9N/mm2
　　B=0.1759×240/235+0.974=1.1536
　　C=－0.1038×15.9/20+0.0309=－0.05177
　　ζ=－0.0388×240/15.9=0.5847
　　＝32.57N/mm2
　　考虑柱内钢筋，则
　　3.5 试验值与计算值比较
　　把（1）式的计算结果与表1的试验结果比较可知，未加固短柱实验值与理论值非常接近，而方形钢板套筒加固试验值比计算值偏低。相对而言，圆形箍板（曲面）的局部稳定性较方形箍板（平面）的局部稳定性要好，且内部混凝土的横向变形使钢板套筒环向受拉，也有利于钢板套筒的轴向稳定性。反过来钢板套筒的横向约束使内部混凝土具有良好的三向受压应力状态，也提高了混凝土的轴压强度。从钢板套筒的失稳现象看，最后钢板只是纵向屈服局部失稳，钢板套筒充分发挥了轴向抗压强度。试验结果比不考虑横向约束的计算值高出46%，说明了混凝土的二向受压应力效应明显。与考虑横向约束的计算结果比较，试验值高出计算值10%说明了混凝土内部的整体性好，该加固方法达到了预期的目的。
4. 结构加固技术在万益钢结构厂厂房加固中的应用
　　4.1 万益钢结构厂工程简介及损坏现状
　　工程概况：万益钢结构加工厂是广东省电力一局安装公司进行钢结构制造安装的专门加工厂，该厂位于广州番禺万顷沙滨海处的软土地基上，厂房结构于96年4月建成，96年10月投入使用。在使用过程中，逐渐发生基础沉降，经过一年的细致观测与检查，除发现基础沉陷外，还发现柱子出现水平裂缝，天车梁及牛腿处均有破损现象，地梁破损严重。广东省电力一局质量检测中心站于97年10月至11月对厂房构件进行全面检测。检测结果表明：该厂房存在如下问题：
　　1、基础沉降问题：首先是最大绝对沉降量大，其绝对沉降量达350mm，单基础最大绝对沉降量达365mm，最小绝对沉降量达348mm，其次是相对沉降量大，沉降不均匀，最大相对沉降量达17mm。另外，沉降时间长期难以稳定。
　　2、吊车梁质量问题：厂房的108根吊车梁中，混凝土强度满足设计要求的仅有27根，其余75%的天车梁均不合格。
　　3、柱子的质量问题：柱子设计混凝土强度为C25，检测结果表明符合设计要求的仅为50根，不符合设计要求的有70根。
　　柱子的破损现状首先是有些柱已产生水平裂缝，裂缝是明显的偏心受压性质，水平裂缝由一边开裂扩展，裂缝由宽到窄，有的裂缝使柱横截面三分之二裂开，最大裂缝宽度达0.5mm，牛腿与梁连接处发生四处局部破坏，其中一处为破碎性破坏。
　　4.2 损坏原因分析
　　造成万益钢结构厂车间厂房目前这种损坏现象，可以认为是下列几个方面原因造成的：
　　4.2.1 设计方面的原因：
　　（1）基础设计对地基情况了解不够，采用的桩型、规格不能有效地满足承载力要求；
　　（2）桩长设计为25m，造成部分桩没有打入岩层，不能承担上部结构荷载；
　　（3）灌入度设计规定偏松；
　　（4）原设计的柱子对5t吊车梁的牛腿处理不当；
　　（5）柱子的另一侧10t吊车梁直接放置在柱子上；
　　（6）副车间的屋架梁与柱子的结点为固定结点，形成一个刚架，在刚架薄弱处的混凝土容易被拉裂。
　　4.2.2 施工方面的原因。
　　（1）基础打桩未按图纸和规范规定进行施工，造成基础不均与沉降。
　　（2）上部结构混凝土浇筑强度严重不合格，施工现场混凝土浇筑振捣不密实，强度多数达不到图纸要求，而且在许多地方出现表面混凝土疏松与脱落。
　　4.3 加固方案
　　厂房的整体加固方案原则上是先考虑地基基础，再处理上部结构。截至1997年12月的观测资料发现，各柱的沉降量以达到规范规定的允许沉降范围内，表明厂房基础已趋于稳定，于是取消了原加固地基基础的方案，只针对上部进行加固处理。
　　根据万益钢结构厂房柱混凝土回弹试验结果，即使把原设计的混凝土强度等级C25降低标准使用，降到强度等级为C20，仍有22根柱达不到要求，占实测数的30%。其中A、D列柱有6根达不到要求，B、C列柱有16根达不到要求，其中B18柱实测强度仅为12.4N/mm2，其它柱则在14.9N/mm2以上。可知加固的工程量很大，为了不影响生产，只能采取边生产边加固的方法。显然传统的加固方法无法满足上述要求，一般的外部粘钢加固技术也不适合该厂房的加固。
　　前面已提到，钢筋混凝土柱外包粘钢加固法，用高强胶凝混凝土少量增大柱子截面，并外包粘角钢和包粘钢板，在新增加截面的部分提高柱子承载力的同时，还因新增钢板箍的横向约束作用，使原混凝土柱产生良好的三向应力状态，因而可以大幅度提高柱子的承载力。另因粘的效果还使外包钢套、高强混凝土与原柱之间可靠地联结成整体。外包粘钢加固方法不仅能满足广东省电力一局提出的在柱子加固时既要大幅度提高其承载力，又要使柱子的横截面积增大不多的要求，而且具有整体性强，可靠性高等优点。第二章的试验也证明，在万益钢结构厂采用这种方法加固钢筋混凝土柱，在理论上是可行的，在实际操作上简便易行，加固时对万益厂生产影响较小，且工期短，见效快。这种加固方法较好地解决了万益钢结构厂的加固上的技术难题和并缓解了因加固影响生产的矛盾。
　　由此可见，选择外包粘钢加固方案是较为合适的。
　　万益钢结构厂的柱网平面图及外包粘钢方案见图5、图6。
　　对上述加固方案进行了计算。A、D柱列的6根不合格柱中最低的混凝土温度为17.1N/mm2，加固后承载能力可达到6.0×106N，而按C20混凝土计算的承载力仅为12.4N/mm2，加固后的承载力经计算可达到7.6×106N；可知，加固后的柱均可在降低使用标准的前提下满足要求。
　　4.4 加固施工及检验
　　4.4.1 常规粘钢施工要点
　　粘钢加固的效果主要取决于粘结施工质量。粘钢加固施工应严格按下列工艺流程进行，并由专业化施工队伍施工。
　　表面处理—→（）—→粘贴—→固定及加压—→固化—→检验—→防腐处理
　　4.4.2 柱子外包粘钢加固施工步骤
　　（1）实际测量柱子各细部尺寸。
　　（2）根据加固设计图纸及柱子实际尺寸，进行材料（钢板和型钢）剪裁。
　　（3）在地面上将各种钢材焊接起来，形成几个部分。
　　（4）通过定滑轮将各部分币装在柱子上，通过焊工，将各部分型钢焊接起来，形成加固柱子的框架。
　　（5）由下而上分别焊接地脚板、加力板、拉劲板。
　　（6）对需要灌界面胶泥砂浆的部分，进行混凝土表面处理，钢板除锈及涂刷界面胶剂。
　　（7）灌界面胶泥砂浆时，应每焊接一块高50cm钢板就灌浆一次，保证所灌的结构胶泥砂浆密实。
　　（8）焊接完毕后，对加固的钢结构进行防腐处理。
　　4.4.3 外包粘钢施工检验内容
　　（1）粘钢混凝土表面清理干净，呈新混凝土表面，无粉尘，无污物。
　　（2）所粘钢板的抹胶表面，必须打磨出金属光泽。
　　（3）严格按照A、B组分配胶比例，并进行充分搅拌。
　　（4）钢板上抹胶应两边薄、中间厚，并100%抹满，对粘贴的混凝土表面凹处抹胶补平，混凝土上钻孔，应灌胶入孔内。
　　（5）钢板粘贴好后，立即用方木条加压，检验时以钢板两边缘有胶溢出为合格。
　　（6）在常温20℃时，固化时间大约二十小时，温度越高，时间越短。
　　（7）粘钢拆模后，检验钢板边缘溢胶色泽、硬化程度，以小锤敲击钢板的有效粘结面积。标准锚固区面积S≥90%，非锚固区S≥70%。
　　（8）防腐处理应满涂所粘钢板并将钢板溢出胶的范围也包括进去。
5. 结语
　　〈1〉为了验证上述外包粘钢加固方法的可行性，本文进行了四组27根短柱的模型试验，试验结果说明：
　　（1）在钢筋混凝土短柱上采用方形钢板套筒和圆形钢板套筒进行加固，这两种加固方式所增加的柱横截面面积相同，均增加了57%，方形箍板加固使短柱的承载力提高了195%，圆形箍板加固使短柱的承载力提高了353%。由此可见，在使用条件许可的情况下，采用圆形箍方案加固效果更佳。
　　（2）对不同强度等级的钢筋混凝土短柱用同规格的方形钢缀板套筒加图，加固后的短柱横截面面积增加了44%，原混凝土短柱强度越低，加固后承载力提高的百分比越大，即加固效果越显著。
　　（3）从混凝土柱与钢板的应变规律看，说明外包粘钢结构与混凝土柱的共同工作情况良好。
　　（4）在增大同样横截面面积的情况下，圆形加固方案比方形加固方案用钢量少11.4%，而承载力却高出53.3%。
　　〈2〉本文联系工程实际，对广东省电力一局万益钢结构主厂房钢筋混凝土柱、吊车梁、牛腿破坏的原因进行了分析，并论正了采用外包粘钢加固技术加固钢筋混凝土柱的施工方案，进行了具体的加固设计计算，加固检测及成果验收。