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来源:孙工 发布时间: 2015-11-3
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干式外包钢加固法加固法在

 

湿式外包钢加固法的应用

 

钢材使用前,应除锈、 除油污、并整平调直-----柱面应仔细凿毛---刷尽碎块浮尘---

 

 

 

 

 

 

本文结合工程实例,详细介绍了湿式外包钢加固法的设计和施工要点。 本文结合工程实例,详细介绍了湿式外包钢加固法的设计和施工要点。

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        湿式外包钢加固法的应用本文结合工程实例,详细介绍了湿式外包钢加固法的设计和施工要点。 关键词:湿式外包钢加固法,结构加固,施工要点 图分类号:TU375 1. 引 言钢筋混凝土结构构件加固的方法很多,常用的有加大截面加固法、外包钢加固法、预应 力加固法、外部粘钢加固法、改变结构传力途径加固法等。近年来碳纤维加固法发展很快,已成为一个新的技术领域。

     混凝土构件外包钢加固技术在我国始于二十世纪六十年代, 它是指在梁、 柱四周包以型 钢的一种加固方法,型钢一般采用角钢,也可用槽钢或钢板。外包钢加固法可分为干式和湿 式两种。

 2. 基本原理湿式外包法用乳胶水泥或环氧树脂化学灌浆等方法将角钢粘贴在柱四角, 角钢之间焊以 缀板相互连接。在荷载作用下,角钢套箍对核心混凝土有侧向约束作用,使混凝土的轴向抗压强度提高;但是同时,核心混凝土对角钢有一定的侧向挤压作用,使角钢处于压弯受力状 态,角钢抗压承载力下降。另外,角钢是后加的,存在应力滞后现象,其承载能力难以充分发挥。因此,设计计算角钢的承载能力应予以折减,抗拉压强度折减系数可取09,抗剪 强度折减系数可取07。以钢筋混凝土轴心受压构件为例,现行《混凝土设计规范》[1] (GB50010—2002)7.3.1 条正截面受压承载力计算公式为: N=0.9ψfcA+fyAs’) 因此,根据《混凝土加固设计规范》[2],轴心受压构件加固后承载力应该为: N=0.9ψfcA+fyAs’+0.9faAa’) 式N为轴向承载力设计值;ψ 为钢筋混凝土构件的稳定系数;fc 为混凝土轴心抗压 强度设计值; 为构件截面面积;fy为纵向钢筋抗压强度设计值;A 为全部纵向钢筋截面面积;fa为外 包钢截面抗压强度设计值;Aa’为外包钢截面面积。对偏压构件和受弯构件,可以用类似的 方法推导出加固后的承载力设计值。 3. 工程实例 3.1 工程概况某发展大厦,规划用地面积 3843.2m2,建筑占地面积 1458.2m2,原设计地上总建筑面 积为 13889.36m2。在建造过程,由于业主要求变更,需加层,将原第十二层改成两层楼。原十二层楼层高为 5.2m,现将其改为层高 3.02m,并加第十三层,层高为 2.18m,增加建筑 面积 1134.25m2。工程改造导致荷载增加,通过采用国建筑科学研究院的 PKPM 程序,对原结构分析,结果表明, 原结构部分柱承载力不足, 无法满足因改造导致的荷载增加的需要, 必须对原结构加固。 图 1 发展大厦第十二层平面图 3.2 杆件验算 3.2.1 地上一层,柱位 F -8 轴,层高 4.8 米,底层柱高取 4.8 米。 (1)计算简图(见图 2)图 2 计算简图 双偏心构件,考虑 Y 向弯矩较小(My=28KN·m先考虑 X 向偏心问题(Mx=447KN·m) 柱 截 面 尺 寸 : b×h=800×800mm,H=4.8m,Mx=447KN·m,N=8280KN,C30 2 2 砼 , 5 fc=14.3N/mm ,ш 级钢,fy=360MPa,对称配筋;As=As’=1570mm ,弹性模量 Es=2.0×10 Mpa。 (2)界限受压区相对高度 ξb:见《混凝土结构设计规范》,以下简称规范 7.1.4 条, ξb=β1/[1+fy/Es×εcw ] 由规范[1]7.1.3 条:对 C50 以下混凝土,系数 β1=0.8 由规范[1]7.1.2 条:知 C30 混凝土,fcu,k=30Mpa;正截面的混凝土极限压应变: εcu=0.0033-( fcu,k-50)×10-5=0.0033-(30-50)×10-5=3.5×10-30.0033 , εcu=0.0033 -2- http://www.paper.edu.cn ∴ ξb=β1/[1+fy/Es×εcw ] =0.8/[1+360/2×105×0.0033]=0.5176 3)计算该柱偏心状况: 受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值由规范[1]7.1.3 条知: 的 比 值 α1 1.0 , ( 当 混 凝 土 强 度 等 级 不 超 过 C50 时 ) , 该 受 压 截 面 有 效 高 度 h0=800-40=760mm,受压区钢筋合力点至受压边缘距离 a s’=40mm由 规 范 [1]7.3.4 条 : 初 始 偏 心 距 ei=e0=ea , 轴 向 压 力 对 截 面 重心 偏 心 距 e0=Mx/N=447×106/(8280×103)=54mm ; 由规范[1]7.3.3 条:附加偏心距 ea=800/30=26.7mm,且要与 20mm 比较后取大值,即 ea=26.7mm ∴初始偏心距 ei=54+26.7=86.7mm ③由规范[1]7.3.4 条知:轴向力作用点至纵向普通受拉钢筋合理点距离 e =η×ei+h/2-a; 按规范[1]7.3.10 条:偏心受压构件考虑二阶弯矩影响的轴向力偏心距增大系数: η =[1+1/1400×ei/h0]×(L0/h)2×ζ1×ζ2 构件计算长度 L0 按规范 7.3.11 条表 7.3.11-2 知: 对底层现浇柱 L0=1.25H=4.8m×1.25=6.0×103mm 偏心受压构件的截面曲率修正系数 ζ1 ζ1=0.5×fc×A/N=0.5×14.3×800×800/(8281×103)=0.5531,取 ζ1=0.553 L0/h=6.0×103/800=615, ζ2=1.0(曲率影响系数) ∴η=1+[1/1400×80.7/760]×7.522×0.553×1.0=1.21 压力作用点至受拉边钢筋合力点距离 e e=η×ei+h/2-a=1.21×80.7+800/2-40=458mm, 初估为小偏心受压;由规范[1]7.3.4 条的第 4 点:对称配筋,相对受压区高度 ξ ξ=N-ξb×1×fc×b×h0)/(Ne-0.43×α1×fc×b×h02)/{[(β1-ξ1)×(h0-as’)]+α1×fc×b×h02}+ξb =(8280×103-0.5176×1×14.3×800×760)/(8280×103×452-0.43×1×14.3×800×7602)/{[(0.8-0.51 76)×(760-40)]+1×14.3×800×760}+0.5176 =3779778.56/(901230080/203.328+8694400)+0.5176 =3779778.56/13126795.34+0.5176=0.8055ξb=0.5176; 证实此柱为小偏心受压构件。(4)计算简图(见图 3): 图 3 计算简图 采用外粘钢胛骨钢筋混凝土偏心受压构件: 由《混凝土结构加固设计规范》,以下简称加固规范原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋应力: σs0=(0.8×h01/x-1)×Es0×εcn=(0.8×760/x-1)×2×105×0.0033=660×(608/x-1) -3- http://www.paper.edu.cn 受拉肢或受压较小肢型钢的应力:粘钢用 Q235 钢材,Ea=2.1×105MPa σa=(0.8×h0/x-1)×Ea×εcu=[0.8×(2.5+800)/x-1]×2.1×105×0.0033=(642/x-1)×693 原构件混凝土轴心抗压强度设计值:fco=fc=14.3MPa 原构件受压区纵向钢筋抗压强度设计值:fy0’=fy’=360MPa 原构件受压区纵向钢筋截面面积:As0’=As=1570MM2=As0 全部受压肢型钢截面面积:Aa’=5×50×3=750mm2=Aa 对于级钢:fa’=fy’=210MPa; 新增型钢强度利用系数 a 0.9,由加固规范[2]8.2.2 条: N≤α1×fc0×b×x+fy0’×As0’-σs0×As0+αa×fa’×Aa’-αa×σa×Aa 8280×103=1×14.3×800x+360×1570-660×(608/x-1)+0.9×210×750-0.9×693×(642/x-1)×750+ 11440x2-7104615x-300712830=0→解得 x=661mm ∴σs0=660×(608/x-1)=660×(608/661-1)=-52.92MPa(仍为受压) σa=693×(642/x-1)=693×(642/661-1)=-19.92MPa(仍为受压) 由加固规范[2]8.2.2 条: Ne≤α1×fc0×b×x(h0-x/2)+fy0’×As’×(h0-as0’)+σs0×As0as0-aa)+αa×fa’×Aa’×(h0-aa’) 左边=N×e=8280×103×452=3742560000N·mm=3742.56KN·m ×[760-(-2.5)]=3759307568N·mm=3759.31KN·m>左边=3742.56KN·m 满足要求 结论: 显然, 采用外粘型钢板加固此柱符合要求, 即每边外粘 Q235 钢板 5mm 60mm 宽 钢板三条,2 条沿柱外边缘布置,一条沿柱布置,至于钢板的两断锚固和钢板上连结的缀 条,请按加固规范的构造要求进行布置,另外,柱 Y 向的加固亦按此设计进行,与之受力相近的各柱均按此设计进行加固。 3.2.2 地上一层,柱轴位 J-16 轴,层高 4.8 米(柱高) ,底层柱。 (1)计算简图(见图 4) 边 =1.0×14.3×800×661×(760-661/2)+360×1570×(760-40)+(-52.92)×1570×[40-(-2.5)]+0.9×210×750 4 计算简图 考虑 X 向偏心,Y 向近似于轴压: 柱截面尺寸:b×h=500×600mm,Mx=281KN·m,N=3298KN,C30 混凝土:fc=14.3MPa,ш 级 钢,fy=360MPa,对称配筋;As=As’=1137mm2,Es=2.0×105MPa。 (2)界限受压区相对高度: -4- http://www.paper.edu.cn ξb=β1/[1+fy/Es×εcw ] =0.8/[1+360/2×105×0.0033]=0.5176 3)杆件偏心状况:h0=600-40=560mmN=3298×103NMx=281×106N·mm 相对受压区高度: ξ=N-ξb×1×fc×b×h0)/(Ne-0.43×α1×fc×b×h02)/{[(β1-ξ1)×(h0-as’)]+α1×fc×b×h02}+ξb =85.20mm 0/h=85.2/600=0.0420.3 ψη=1.2 e 取 偏心距: 0=Mx/N=281×106/ 3298×103 e 初始偏心距:ei=e0=ea 附加偏心距:ea=600/30=20mm,且要与 20mm 比较后取大值,即 ea=20mm ∴初始偏心距 ei=85.2+20=105.2mm 偏心距增大系数:η =[1+1/1400×ei/h0]×(L0/h)2×ζ1×ζ2 柱的计算长度:L0=1.0×H=4.8m L0/h=4.8×103/800=815, ζ2=1.0(曲率影响系数) 曲率修正系数 ζ1 ζ1=0.5×fc×A/N=0.5×14.3×500×600/(3298×103)=0.651,取 ζ1=0.65 ∴η’=1+[1/1400×105.2/600]×82×0.65×1.0=1.169 η=φh×η’=1.169×1.2=1.40 压力作用点至受拉边钢筋合力点距离 e e=η×ei+h/2-a=1.4×105.2+600/2-40=407.28mm, 初估为小偏心受压; 相对受压区高度 ξ ξ=N-ξb×1×fc×b×h0)/(Ne-0.43×α1×fc×b×h02)/{[(β1-ξ1)×(h0-as’)]+α1×fc×b×h02}+ξb =(3298×103-0.5176×1×14.3×500×560)/(3298×103×407.28-0.43×1×14.3×500×5602)/{[(0.8-0. 5176)×(560-40)]+1×14.3×500×560}+0.5176 =31225529.6/(379046240/146.848+4040000)+0.5176 =0.7037ξb=0.5176; 该柱为小偏心受压杆件。 (4)计算简图(略)同前一柱的计算简图,所不同的为:b×h=500×600mm, 对称配筋 配筋面积为 1137mm2;现拟在柱两侧边缘粘-5×60(共二条)Q235 级钢,由加固规范[2]得: 原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋应力: σs0=(0.8×h01/x-1)×Es0×εcn=(0.8×560/x-1)×2×105×0.0033=660×(448/x-1) 受拉肢或受压较小肢型钢的应力:粘钢用 Q235 钢材,Ea=2.1×105MPa σa=(0.8×h0/x-1)×Ea×εcu=[0.8×(2.5+600)/x-1]×2.1×105×0.0033=(482/x-1)×693 原构件混凝土轴心抗压强度设计值:fco=fc=14.3MPa 原构件受压区纵向钢筋抗压强度设计值:fy0’=fy’=360MPa 原构件受压区纵向钢筋截面面积:As0’=As=1137MM2=As0 全部受压肢型钢截面面积:Aa’=5×60×2=600mm2=Aa 对于级钢:fa’=fy’=210MPa; 新增型钢强度利用系数 αa 0.9,由加固规范[2]8.2.2 条: N≤α1×fc0×b×x+fy0’×As0’-σs0×As0+αa×fa’×Aa’-αa×σa×Aa 3298×103=1×14.3×500x+360×1137-660×(448/x-1)+0.9×210×600-0.9×693×(482/x-1)×600X 2 -387X-25268=0→解得 x=444mm ∴σs0=660×(448/x-1)=660×(448/444-1)=5.95 MPa(受拉) σa=693×(482/x-1)=693×(482/444-1)=6.24MPa(受拉) 由加固规范[2]8.2.2 条: -5- http://www.paper.edu.cn Ne≤α1×fc0×b×x(h0-x/2)+fy0’×As’×(h0-as0’)+σs0×As0as0-aa)+αa×fa’×Aa’×(h0-aa’) 左边=N×e=3298×103×407.28=1343209440N·mm=1343.21KN·m 右 边 =1.0×14.3×500×444×(560-444/2)+360×1137×(560-40)+5.95×1137× 40+2.5 +0.9×210×600× 560+2.5 =1349936219N·mm=1349.94KN·m>左边=1343.21KN·m 满足要求。

 结论:采用外粘型钢板加固此柱符合要求,即每边外粘 Q235 钢板 5mm,宽 60mm 钢板 2 条, 2 条钢板分别布置在加固柱的两侧边缘。 该 至于钢板的两端锚固和钢板上连结的缀条,请按加固规范的构造要求进行布置,柱的其他各边均按此对称布置,与之受力相近的 各柱均按此设计进行加固。 3.3 加固设计根据杆件验算结果采用湿式外包钢加固。采用 Q235 钢材,用 5mm 厚乳胶水泥浆粘 贴角钢,夹具夹紧(夹具间距不超过 500mm),施焊。加固完成后在柱外加钢丝网,用 1 2 水泥砂浆抹 20mm 厚粉刷层作为表面防腐处理。植φ14螺杆 点焊50 柱外角 柱身 植φ16螺杆 -10*200 -5*60@450 -10*200 1-1 柱外角柱身 点焊50 φ14螺杆 2-2 -5*60 φ16螺杆 -10*200 3-3 说明:此加固图用于:地上一层、 轴/ 轴,四层、轴/ 轴, 五层、2/ 轴、8/ 轴、 轴/ 轴、8/ 轴、 轴/ 轴, 六层、8/ 轴。 图 5 加固施工图(1 -6- http://www.paper.edu.cn φ14螺杆 点焊50 φ16螺杆 -10*200 -5*60@450 -10*200 1-1 点焊50 φ14螺杆 2-2 -5*60 φ16螺杆 -10*200 3-3 说明:此加固图用于:地上一层 16/ ,二层 16/ , 五层 10/ 轴、13/ 轴、16/ ,六层、2/ 轴, 五层 16/ 轴、6/ 轴、8/ 轴、10/ 轴, 五层 15/ 轴、16/ ,六层、8/ 轴。 图 6 加固施工图(2 3.4 加固施工要点

1)材料:加固钢材用 Q235 钢,焊条用 E43 型,须查验产品质量合格证。钢材使用前,应除锈、除油污、并整平调直。 (2)外包钢施工 粘贴型钢的柱面应仔细凿毛, 凿毛面宽度每侧超过角钢肢宽 l52O mm, 刷尽碎块浮尘。 在柱的粘贴面上均匀涂抹一层乳胶水泥砂浆,厚度 812 mm(乳胶掺量为水泥重量的 5), 随即将角钢粘贴到柱上,用夹具双向夹紧,夹具间距 500~800 mm。夹紧时须见角肢边有水 泥砂浆挤出。扁钢与角钢焊接应分段交错进行,防止焊接热量积聚,烧伤粘结水泥砂浆及柱 混凝土,并防止钢材变形。焊缝冷却后,立即敲除焊渣,逐条逐段检查焊缝外观质量,凡不符合质量要求的, 随即采取补救措施或铲除重焊。 焊缝高度与连接件较薄钢件的厚度相同,扁钢与型钢的搭接长度不小于 5O mm,采用上下两道平行焊缝焊接。 柱脚新老混凝土结合界面应仔细凿毛,清洗干净,浇筑混凝土前应充分湿润。扁钢与柱表面之间的空隙用125水泥砂浆仔细嵌填密实,加固钢件的水泥砂浆保护层厚度不小于 2O mm,必须分层批抹。 -7- http://www.paper.edu.cn 4. 结论湿式外包钢加固钢筋混凝土柱其受力特征属二次受力构件, 即加固前原柱已经承受了一 定荷载, 而外包钢在新增荷载作用下才参与受力, 因此加固柱存在着原构件应力超前和新 加部分应变滞后的特点。实验结果表明,只要施工质量保证,湿式外包钢与原构件在新增荷载作用下完全可以共同工作。 湿式外包钢加固钢筋混凝土梁柱后, 由于受拉和受压钢截面面积大幅度提高, 因此正截 面承载力和截面刚度大幅度提高。湿式外包钢加固法,受力可靠、施工简便、现场工作量较 小,但用钢量较大,且不宜在无防护的情况下用于600℃以上高温场所;适用于使用上不允 许显著增大原构件截面尺寸,但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。 参考文献 [1]混凝土结构设计规范 GB 50010-2002[S].北京:国建筑工业出版社,2002. [2]混凝土结构加固设计规范 GB50367-2006国建筑工业出版社,2006

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