鋼筋混凝土受壓構件加固

鋼筋混凝土受壓構件加固第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1混凝土柱的破壞及原因分析7.1.1混凝土柱破壞特征鋼筋混凝土柱的破壞形態(tài)可分為受壓破壞(包括軸壓柱和小偏壓柱)和受拉破壞(大偏壓柱)兩類。軸壓柱破壞特征小偏心受壓柱破壞特征大偏心受壓柱破壞特征第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月軸壓柱破壞特征

軸心受壓往的受力過程為，在較大外載作用下首先出現(xiàn)大致與荷載作用方向平行的縱向裂縫，而后保護層混凝土起皮一剝落一混凝土被壓碎一崩裂。上述過程隨往中鋼筋布置不同而稍有差異。例如，當混凝土保護層較薄，箍筋間距較大時，鋼筋外圍的混凝十保護層出現(xiàn)起皮、劈裂或剝落后，鋼筋很快地被壓鼓成燈籠狀。這種破壞帶有很大的突然性，破壞時構件的縱向變形很小。第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1）軸壓柱的破壞特征第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月小偏心受壓柱破壞特征小偏心受壓柱的破壞，發(fā)生在構件截面中壓應力最大的一側。一旦這一側的混凝土出現(xiàn)縱向裂縫，柱子即己臨近破壞，而這時受力較小一側的鋼筋可能受壓，也可能受拉，但均未達到屈服。如果鋼筋受拉，破壞前可能產(chǎn)生橫向裂縫，但裂縫不可能有顯著發(fā)展，以致臨近破壞時，壓區(qū)的應變增長速度大于拉區(qū)，使受壓區(qū)高度略有增大。如果受力較小一側的鋼筋處于受壓狀態(tài)，則這一側在破壞前沒有任何外觀表現(xiàn)?？傊?，小偏心受壓構件的破壞沒有明顯的預兆。如果發(fā)現(xiàn)壓區(qū)混凝土表面有縱向裂縫，則構件已經(jīng)非常危險，接近于破壞.第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2）小偏心受心柱的破壞特征第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月大偏心受壓柱破壞特征對于大偏心受壓往，在荷載作用下受拉一側柱的外表面首先出現(xiàn)橫向裂縫，隨著荷載的增長，裂縫不斷開展、延伸，破壞前主裂縫明顯。受拉鋼筋的應力達到受拉屈服極限，隨之拉區(qū)的橫向裂續(xù)迅速開展，并向壓區(qū)延伸，導致壓區(qū)面積迅速縮小，最后受壓區(qū)的混凝土出現(xiàn)縱向裂縫，發(fā)生混凝土壓碎破壞。破壞區(qū)段內(nèi)受拉一側的橫向裂縫開展較寬，而受壓一側的鋼筋一般也可達到受壓屈服極限。但在某些情況下，如受拉鋼筋用量較少．或受壓鋼筋設置不當(離中和軸太近)時，則受壓鋼筋的應力也可能達不到受壓屈服極限。第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3）大偏心受壓柱的壞特征第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

綜上所述，鋼筋混凝土柱除大偏心受壓破壞具有較明顯的外觀表現(xiàn)之外，軸心受壓和小偏心受壓的破壞預兆均不明顯，都屬脆性破壞。同時，無論何種受壓狀態(tài)，當在受壓一側發(fā)現(xiàn)縱向裂縫或保護層剝落時，鋼筋混凝土柱已臨近破壞，應盡快采取加固措施。在加固時，判明鋼筋混凝土接的受力特征是極為重要的。如果是大偏心受壓，則對往的受拉一側進行加固是較為有效的，如果是小偏心受壓，則應著重對柱的受壓較大一例進行加固。第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.2混凝土柱承載力不足的原因（1）設計不周或錯誤(如荷載漏算、截面偏小、計算錯誤等)。（2）施工質(zhì)量差。（3）施工人員業(yè)務水平低下，工作責任心不強。（4）施工現(xiàn)場管理不善。（5）地基不均勻下沉。其他原因:例如，因火災燒酥了混凝土，并使鋼筋強度下降；因遭車輛等突然荷載碰撞，使柱嚴重損傷；因加層改造上部結構，或改變使用功能使柱承受荷載增加等，都將可能導致柱的承載力不足。第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2增大截面法加固混凝土柱增大截面法又稱外包混凝土加固法，是一種常用的加固柱的方法。由于加大了原柱的混凝土截面積及配筋量，因此這種方法不僅可提高原柱的承載力，還可降低柱的長細比，提高柱的剛度，取得進一步的加固效果。具體加固方法有四周外包、單面加厚和兩面加厚等加固方法。第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月在原柱四周澆灌鋼筋混凝土外殼的加固方法，稱為四周外包混凝土加固法(如圖7.1（a）、(b)、(c))。圖7.1(b)是將原柱的角部保護層打去，露出角部縱筋，然后在外部配筋，澆筑成八角形，以改善加固后的外觀效果。四周外包加固法的效果較好，對于提高軸心受壓柱及小偏心受壓柱的受壓能力尤為顯著。當柱承受的彎矩較大時，往往采用僅在與彎矩作用平面垂直的側面進行加固的辦法。如果柱子的受壓面較薄弱，則應對受壓面進行加固(如圖7.1(d)所示)，反之，應對受拉面進行加固(如圖7.1(e)所示)；不少情況，則需兩面都加固(如圖7.1(f)所示)。第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.2構造及施工要求加固柱的構造設計及施工應特別注意如下幾點：（1）當采用四周外包混凝土加固法時，應將原柱面鑿毛、洗凈。（2）當采用單面或雙面增澆混凝土的方法加固時，應將原柱表面鑿毛，凸凹不平度≥6mm，并應采取下述構造措施中的一種。①當新澆層的混凝土較薄時，用短鋼筋將加固的受力鋼筋焊接在原柱的受力鋼筋上(如圖7.2(c)所示)。②當新澆層混凝土較厚時，應用U形箍筋固定縱向受力鋼筋，U形箍筋與原柱的連接可用焊接法(如圖7.2(d)所示)，也可用錨固法(如圖7.2(e)所示)。（3）新增混凝土的最小厚度≥60mm,用噴射混凝土施工時不應小于50mm。（4）新增縱向受力鋼筋宜用帶肋鋼筋，最小直徑應≥14mm,最大直徑應≤25mm。（5）新增縱向受力鋼筋應錨入基礎，柱頂端應有錨固措施?？蚣苤庸讨?，受拉鋼筋不得在樓板處切斷，受壓鋼筋應有50％穿過樓板。新澆混凝土上部與大梁的底面間需確保密實，不得有縫隙。第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.3受力特征

試驗表明，只要新舊柱結合面粘結可靠，在后加荷載作用下，新舊混凝土的應變增量基本一致，整個截面的變形符合平截面假定。對于大偏心受壓柱，由于新加部分位于構件的邊緣，在后加荷載作用下，其應變發(fā)展較原柱快,這部分地彌補了新柱的應變滯后。此外，由于新加部分對原柱的約束作用和新舊柱之間的應力重分布，新加部分承載力的降低較軸心受壓柱小。第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月對于軸心受壓柱，新舊混凝土間存在著明顯的應力重分布。試驗表明，應力水平低的新混凝土對應力水平高的原柱會產(chǎn)生約束作用，并且新舊混凝土間的應力、應變差距越大，這一約束作用越大。亦即在原柱混凝土的應變達到0.002時，混凝土并沒有立即破碎。但這種約束作用，不能完全彌補新柱應變滯后對加固柱承載力的降低。因此，混凝土結構加固規(guī)范說明中指出：在加固時當原柱的軸壓比處在0.1~0.9范圍，則原柱混凝土極限壓應變達0.002時，新加混凝土的應力比其強度設計值fc小得多，且其比值α約在0.99～0.53范圍內(nèi)變化?？紤]到抗震規(guī)范對柱軸壓比的限制和在加固施工時已卸除一部分外載，故折減系數(shù)α不會太小。為簡化計算，加固規(guī)范建議α取為定值，軸心受壓時取0.8，偏心受壓時取0.9。第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.4截面承載力計算方法第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月采用增大截面加固鋼筋混凝土軸心受壓構件（圖5.4.1）時，其正截面受壓承載力應按下式確定：

圖5.4.1軸心受壓構件增大截面加固7.2.4截面承載力計算方法第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5.4.1）式中 N——構件加固后的軸向壓力設計值；

——構件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)加固后的截面尺 寸，按現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計 規(guī)范》GB50010的規(guī)定值采用；和——構件加固前混凝土截面面積和加固后新 增部分混凝土截面面積；、——新增縱向鋼筋和原縱向鋼筋的抗壓強度 設計值；

——新增縱向受壓鋼筋的截面面積；

——綜合考慮新增混凝土和鋼筋強度利用程 度的修正系數(shù)，取值為0.8。第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2采用增大截面加固鋼筋混凝土偏心受壓構件時，其矩形截面正截面承載力應按下列公式確定（圖5.4.2）：

圖5.4.2矩形截面偏心受壓構件加固的計算注：當為小偏心受壓構件時，圖中σs0可能變向第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月式中 ——新舊混凝土組合截面的混凝土軸心抗壓 強度設計值，可按 確定;

、 ——分別為新舊混凝土軸心抗壓強度設計值; ——原構件受拉邊或受壓較小邊縱向鋼筋應 力;當算得時,取; ——受拉邊或受壓較小邊的新增縱向鋼筋應 力;當算得時,取; ——原構件受拉邊或受壓較小邊縱向鋼筋截 面面積; ——原構件受壓較大邊縱向鋼筋截面面積；第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月 ——偏心距，為軸向壓力設計值N的作用點至新 增受拉鋼筋合力點的距離，按本節(jié)第5.4.3條 確定；

——原構件受拉邊或受壓較小邊縱向鋼筋合力點 到加固后截面近邊的距離；

——原構件受壓較大邊縱向鋼筋合力點至加固后 截面近邊的距離；

——受拉邊或受壓較小邊新增縱向鋼筋合力點至 加固后截面近邊的距離；

——受壓較大邊新增縱向鋼筋合力點至加固后截 面近邊的距離；

——受拉邊或受壓較小邊新增縱向鋼筋合力點至 加固后截面受壓較大邊緣的距離；

——原構件截面有效高度。第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3外包鋼加固混凝土柱7.3.1概述所謂外包鋼加固，就是在方形混凝土柱的周圍包以型鋼的加固方法。加固的型鋼在橫向用綴板連成整體。對于圓柱、煙囪等圓形構件，多用扁鋼加套箍的辦法(如圖7.5所示)。習慣上，把型鋼直接外包于原柱(與原柱間沒有粘結)，或雖填塞有水泥砂漿但不能保證結合面剪力有效傳遞的外包鋼加固方法稱為干式外包鋼加固法(如圖7.5(b)、(c))。在型鋼與原柱間留有一定間隔，并在其間填塞乳膠水泥漿或環(huán)氧砂漿或澆灌細石混凝土，將兩者粘結成一體的加固方法稱為濕式外包鋼加固法(如圖7.5(a)所示)。經(jīng)外包鋼加固后，混凝土柱不僅提高了承載力，又由于柱的核芯混凝土受到型鋼套箍和綴板的約束，柱子的延性也得到了提高。第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3.2濕式外包鋼加固設計7.3.2濕式外包鋼加固設計采用濕式外包鋼加固法時，型鋼粘結于原柱，使原柱的橫向變形受到型鋼骨架的約束。同時，混凝土的橫向變形又對型鋼產(chǎn)生側向擠壓，使外包型鋼處于壓彎狀態(tài)，導致型鋼抗壓承載力的降低。此外，如同上節(jié)中的外包混凝土加固一樣，后加的型鋼亦存在應力滯后現(xiàn)象，影響型鋼作用的充分發(fā)揮。因此，在濕式外包鋼加固設計時，型鋼的設計強度應予折減。濕式外包鋼加固柱的正截面承載力可以按整截面計算，但對外包型鋼的強度設計值應乘以折減系數(shù)。《混凝土結構加固規(guī)范》規(guī)定：受壓角鋼的折減系數(shù)為0.9。由于濕式外包鋼加固中的后澆層混凝土（或砂漿）較薄，使后澆層與原柱間的粘結受到削弱。在極限狀態(tài)下，后澆層極有可能先剝落。因此，在加固設計計算中略去了后澆層混凝土的作用。第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

——分別為原構件混凝土和加固型鋼的彈性模量；

——原構件截面慣性距；

——加固構件一側外粘型鋼截面面積；

——受拉與受壓兩側型鋼截面形心間的距離。2）軸心受壓柱的承載力對于外粘型鋼加固后為軸心受壓的柱，截面承載力可按下式計算：

——新增型鋼強度利用系數(shù)，抗震取=1.0，其余取0.9。

第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3）偏心受壓柱的承載力計算正截面承載力可按下式計算：

第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月華茂大廈第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3.3干式外包鋼加固設計7.3.3.1設計原則干式外包鋼構架的變形與原柱的變形并不協(xié)調(diào)，因此在設計加固柱時，宜采用如下設計原則:首先，按各自的剛度將外力分配給外包鋼構架和原柱，然后驗算原柱的承載力，最后設計鋼構架。在分得的外力作用下，原柱的承載力驗算方法按《混凝土結構設計規(guī)范》進行，此處不再贅述。第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3.3.2外包鋼構架的設計在所分配給的外力作用下，外包鋼構架的設計應包括：肢桿的強度計算，穩(wěn)定性驗算和綴板的設計等。由于外包鋼構架不會發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象，因此只需驗算單肢桿的穩(wěn)定性。（1）肢桿的承載力驗算在按工程情況及構架構造確定出肢桿的形式及截面積之后，按下式驗算肢桿的承載力。Na/Aa±Ma/γWa≤fa′(式中Na、Ma——分別為外包鋼構架應承擔的軸力和彎矩；Aa、Wa——分別為外包鋼構架肢件的總截面面積及截面彈性抵抗矩;γ——塑性系數(shù)，當肢桿采用角鋼時，取1.2;fa′——肢桿的抗壓強度設計值。第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）單肢桿的穩(wěn)定性驗算受壓肢桿的穩(wěn)定性按下式計算：式中φ——肢桿在彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)，按鋼結構規(guī)范取值；壓肢的計算長度，對焊接綴板取兩綴板間的凈長；A1、W1——單肢壓桿的截面面積和截面彈性抵抗矩；NE——彎矩作用平面內(nèi)的歐拉臨界力。I1——截面的慣性矩；S0——截面的靜矩。第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）綴板設計從柱中取出脫離體，則可得綴板所受的剪力T及端部彎矩Mz分別為：T=2sV1/cMz=V1s綴板的承載力，按承受上述內(nèi)力的受彎桿件驗算，并應驗算綴板與肢桿間的焊縫。焊接應采用三面圍焊，水平焊縫的長度不宜小于bz／2，焊縫的總長度應大于8hf(hf為焊縫高度)。第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3.4構造要求（1）外包角鋼的邊長不宜小于25mm；綴板截面不宜小于25mm×3mm,間距不宜大于20r(r為單根角鋼截面的最小回轉半徑)，同時不宜大于500mm。（2）外包角鋼須通長、連續(xù)，在穿過各層樓板時不得斷開，角鋼下端應伸到基礎頂面，用環(huán)氧砂漿加以粘錨(如圖7.9所示)，角鋼兩端應有足夠的錨固長度，如有可能應在上端設置與角鋼焊接的柱帽。（3）當采用環(huán)氧樹脂化學灌漿外包鋼加固時，綴板應緊貼混凝土表面，并與角鋼平焊連接。焊好后，用環(huán)氧膠泥將型鋼周圍封閉，并留出排氣孔，然后進行灌漿粘結。（4）當采用乳膠水泥砂漿粘貼外包鋼時，綴板可焊于角鋼外面。乳膠含量應不少于5%。（5）型鋼表面宜抹厚25mm的1∶3水泥砂漿保護層，亦可采用其他飾面防腐材料加以保護。第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.4柱子的預應力加固法7.4.1概述所謂預應力加固柱，是指柱子在加固過程中，對加固用的撐桿施加預頂升力，以期達到卸除原柱承受的部分外力和減小撐桿的應力滯后，充分發(fā)揮其加固作用。對撐桿施加預頂升力的方法有縱向壓縮法和橫向收緊(校直)法。本節(jié)的預應力加固法的施工工藝與6.3節(jié)中的預應力法基本相同，但兩者在受力上有差異：本節(jié)是在柱的加固過程中對撐桿施加預頂力，加固后撐桿與原柱共同抵抗外力，而6.3節(jié)中的預應力撐桿是為了加固梁，加固后撐桿是獨立工作的。因此，它們的承載力及頂升量的計算也是不同的。第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月通常，對于軸心受壓柱，應采用對稱雙面預應力撐桿加固;對于偏心受壓柱，一般僅需對受壓邊用預應力撐桿加固，而受拉邊多采用非預應力法加固。一般情況下，采用預應力撐桿加固柱子應對加固后的柱子進行承載力計算和撐桿施工時的穩(wěn)定性驗算。第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月外加預應力撐桿加固柱雙側撐桿加固：適用于軸心受壓和小偏心受壓柱單側撐桿加固：適用于彎矩不變的大偏心受壓柱第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.4.2加固柱的承載力計算7.4.2.1軸心受壓柱當采用預應力撐桿對稱雙面加固軸心受壓柱時，加固后柱的受壓承載力可按下式計算：N≤φ(Acfc+As′fy′)+βφ1Ap′fpy′式中φ——原柱的穩(wěn)定系數(shù);Ac——原柱的混凝土截面面積,當原柱為鋼柱時，Ac＝0；As′——原混凝土柱中的受壓縱筋總面積,當原柱為鋼柱時，As′表示鋼柱的截面積；fy′——原混凝土柱中的縱筋抗壓強度設計值,當原柱為鋼柱時，fy′表示鋼柱的抗壓強度設計值；Ap′——預應力撐桿的總截面面積；fpy′——鋼撐桿的受壓強度設計值；β——撐桿與原柱的協(xié)同工作系數(shù)(取0.9)；φ1——撐桿構架的穩(wěn)定系數(shù)。撐桿和綴板的設計按《鋼結構設計規(guī)范》進行。第40頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月7.4.2.2偏心受壓柱預應力撐桿應置于原柱的受壓邊。值得指出的是，加固后可能會改變原柱的受力特征和破壞形態(tài)——大偏心受壓轉變?yōu)樾∑氖軌?。用預應力鋼撐桿加固的鋼筋混凝土偏心受壓柱，其正截面承載力可按下式計算:N≤Nu=α1fcbx+fy′As′-σsAs+0.85fpy′Ap′Ne≤Mu=α1fcbx(h01-x/2)+fy′As′(h01-as′)+0.85fpy′Ap′(h01-ap′)Nu、Mu——加固柱的抗壓承載力和抗彎承載力；Ap′、fpy′——預應力鋼加固撐桿的截面面積和抗壓強度設計值；σs——原柱中受拉縱筋的應力，小偏心受壓時按式(7.9)計算，大偏心受壓時，取fy；0.85——鋼撐桿受壓強度折減系數(shù)；ap′——鋼撐桿合力點至原柱受壓邊緣的距離。其余符號意義同式(7.3)。當小偏心受壓時，直接聯(lián)解式(7.24)和式(7.25)較為困難，因此一般采用試算法，即首先根據(jù)構造確定Ap′，并算出Nu及Mu。如果加固柱的承載力小于外荷