陳志紅 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

20世紀(jì)50、60年代建造了大批鋼筋混凝土廠房和公建、辦公樓，這些房屋使用至今也有約50年的歷史，由于使用維修不當(dāng)或者建造質(zhì)量原因，許多房屋存在這樣或那樣的問(wèn)題，有些相當(dāng)嚴(yán)重，危及結(jié)構(gòu)安全。而由于土建投資大，往往不會(huì)因此拆除重建，而是采用結(jié)構(gòu)加固的辦法，以恢復(fù)其承載力后繼用使用。

1 柱加固方法及設(shè)計(jì)原理

1.1 增大截面加固法

增大截面加固法是采用混凝土材料來(lái)加大原有構(gòu)件的截面面積，以此來(lái)提高原構(gòu)件的承載能力和剛度。作為傳統(tǒng)加固方法的一種，增大截面加固法具有非常成熟的技術(shù)，其特點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，適用在混凝土柱截面尺寸偏小或者軸壓比需要得到明顯提高的構(gòu)件中。設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體情況在柱截面的若干側(cè)或全部側(cè)面加設(shè)縱向鋼筋并澆筑混凝土進(jìn)行柱的加固。加固中應(yīng)將新舊鋼筋加以焊接，做好新舊混凝土的結(jié)合。

我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(CECS25:90)指出：當(dāng)加固柱的軸壓比為0.1～0.9，則原柱混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變0.002時(shí)，新加混凝土的應(yīng)力比其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值小，其比值約為0.99～0.53。根據(jù)上述分析，增大截面法加固鋼筋混凝土柱軸心受壓承載力計(jì)算如公式（1）。

式中：N 為加固后混凝土柱承載力；As'、fy'分別為原柱縱向鋼筋的界面面積和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；φ 為構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；Ac、fc分別為原柱混凝土的截面面積和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fc1、Ac1、f'y1、A's1分別為加固部分混凝土和鋼筋截面面積與軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；α 為新加部分混凝土和縱筋的強(qiáng)度折減系數(shù),可取為0.8。

1.2 外粘型鋼加固法

外粘型鋼加固法是用型鋼（角鋼、扁鋼板等）外包于構(gòu)件表面并通過(guò)綴材形成框架，通過(guò)結(jié)構(gòu)膠粘劑與原有構(gòu)件粘結(jié)以達(dá)到共同工作效果的一種加固方法。原構(gòu)件全部或者部分被外包鋼構(gòu)架替代，以此達(dá)到外包型鋼框架與原有構(gòu)件共同受力的目的。矩形柱子施工工藝就是柱四個(gè)角包裹角鋼，柱橫向相距一段距離用綴板焊接。

外粘型鋼加固法優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)件截面尺寸增加不明顯，對(duì)于構(gòu)件承載力的提升有很好的效果，外包鋼起到約束構(gòu)件混凝土的作用，使原柱子的承載力和延性等相關(guān)受力性能得到提升。外粘型鋼加固法還具有施工簡(jiǎn)單、工期短等特點(diǎn)。但是外包鋼法的缺點(diǎn)是較費(fèi)材料，施工較為復(fù)雜，尤其是針對(duì)框架節(jié)點(diǎn)區(qū)的外包鋼加固、錨固及粘結(jié)施工都不易實(shí)施，可采用外粘型鋼加固混凝土方法。

計(jì)算柱軸心受壓的截面承載力時(shí)，外包型鋼可視作柱的縱筋，為了保證安全性，采取一定的強(qiáng)度折減系數(shù)，按照外包鋼構(gòu)架與原柱共同工作的原則進(jìn)行計(jì)算。其承載力計(jì)算公式如公式（2）。

式中：fa'為加固型鋼的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As'為加固型鋼的截面面積。

對(duì)于濕式外包鋼加固大偏心受壓構(gòu)件，在其設(shè)計(jì)中考慮到加固柱受拉肢型鋼存在應(yīng)力滯后現(xiàn)象，應(yīng)也對(duì)其強(qiáng)度取一定的折減系數(shù)(根據(jù)工程實(shí)際建議折減系數(shù)取0.9)。根據(jù)其受力分析，其加固柱截面承載力計(jì)算公式如公式（3）。

式中：b、h 分別為原柱的截面寬度和高度；x 為原柱混凝土截面的受壓區(qū)高度；As'、fa'分別為加固柱受壓一側(cè)的型鋼截面積和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；aa'為受壓肢型鋼截面形心至原柱受壓的距離；aa為拉肢型鋼及受拉鋼筋合力點(diǎn)至原柱受拉邊緣距離；h01為柱受拉鋼筋和加固用受拉鋼筋合力點(diǎn)至加固截面受壓邊緣的距離。

1.3 粘貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法

粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是用結(jié)構(gòu)膠粘劑將纖維復(fù)合材料粘貼于構(gòu)件的表面，多為構(gòu)件主要受拉區(qū)的表面，以提高截面受彎、受剪及混凝土抗壓強(qiáng)度的加固方法。

由于纖維復(fù)合材料和混凝土是兩種不同性質(zhì)的材料，纖維復(fù)合材料加固法加固的難點(diǎn)在于如何保證加固后的纖維材料能夠和原構(gòu)件協(xié)調(diào)受力，對(duì)于兩者間界面的研究是該加固法的難點(diǎn)。另外，纖維材料高強(qiáng)度低彈性模量也是妨礙其發(fā)揮出最大加固效果的一個(gè)因素。

目前的研究結(jié)果表明，要使得粘貼纖維復(fù)合材料加固法發(fā)揮其加固效果，必須保證加固材料和原構(gòu)件有足夠的錨固措施，需嚴(yán)格保證施工質(zhì)量，這對(duì)施工人員提出了較高的要求。

對(duì)非細(xì)長(zhǎng)和非預(yù)應(yīng)力的軸向受壓構(gòu)件，采用纖維復(fù)合材料包覆混凝土構(gòu)件承受軸向壓力，用公式（4）計(jì)算。

式中：Pn為混凝土軸向壓力；ψ 為形態(tài)強(qiáng)度折減系數(shù)，圓形截面取1.0，正方形（邊長(zhǎng)小于600mm）取0.5，矩形（B/H<1.5）由模型試驗(yàn)確定；f'cc為外部纖維約束混凝土的抗壓強(qiáng)度；Ag為受壓構(gòu)件截面面積；Ast為縱向鋼筋總面積；fy為鋼筋屈服強(qiáng)度。

1.4 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是建筑結(jié)構(gòu)工程的加固新技術(shù)，它類似于外包鋼加固法，二者區(qū)別在于粘鋼加固主要用薄鋼板粘貼于構(gòu)件主受力面上，從而以提高截面的承載力。對(duì)于簡(jiǎn)支梁或板來(lái)說(shuō)，鋼板應(yīng)粘貼于構(gòu)件的底面。當(dāng)負(fù)彎矩區(qū)鋼筋承載力不足時(shí)，鋼板應(yīng)貼在構(gòu)件的上面，另外連續(xù)構(gòu)件的粘鋼加固受墻柱等障礙的影響，需要采取相應(yīng)處理措施。與其他的加固方法相比，粘貼鋼板法有許多優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)在：不改變混凝土構(gòu)件的外形，不影響建筑使用空間，施工方便快捷。

加固大偏心鋼筋混凝土柱時(shí)，應(yīng)將鋼板粘貼于構(gòu)件受拉區(qū)邊緣混凝土表面，柱的縱軸線方向和鋼筋長(zhǎng)向保持相同。在矩形截面大偏心受壓構(gòu)件受拉邊混凝土表面上粘貼鋼板加固時(shí)，其正截面承載力應(yīng)按下列公式確定。

式中：N 為軸向拉力設(shè)計(jì)值；e 為軸向拉力作用點(diǎn)至縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)的距離；η 為偏心受壓構(gòu)件考慮二階彎矩影響的軸向壓力偏心距增大系數(shù)，除應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010）的規(guī)定計(jì)算外，尚應(yīng)乘以此規(guī)范第5.4.3條規(guī)定的修正系數(shù)ψη；ei為初始偏心距；e0為軸向壓力對(duì)截面重心的偏心距，e0=M/N；ea為附加偏心距，按偏心方向截面最大尺寸h 確定，當(dāng)h≤600mm時(shí)，ea=20mm，當(dāng)h＞600mm時(shí)，ea=h/30；a、a'為縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)，縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊的距離；fsp、f'sp分別為加固鋼板的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2 工程實(shí)例

某學(xué)校主教學(xué)樓B段加層加固工程。原教學(xué)樓有4層，由于使用功能需要，需要在樓頂加2層鋼結(jié)構(gòu)，即原結(jié)構(gòu)向上增加2層鋼框架結(jié)構(gòu)，樓面為壓型鋼板組合樓面，屋面為輕鋼屋面。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，建筑物抗震設(shè)防類別為丙類；結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)：混凝土框架為三級(jí)，鋼框架為四級(jí)；抗震設(shè)防烈度7度(0.10g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組。建筑場(chǎng)地類別：Ⅱ類。

由于多加兩層鋼結(jié)構(gòu)，因此部分柱子軸壓比不滿足抗震要求，就需要加固柱子。柱的加固方法有很多種，本文介紹的四種加固方法，每一種方法原則上都可以使用，應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇合適的加固方法。本工程要求盡量不縮小原結(jié)構(gòu)的使用空間且施工工期較短，所以不能采用增大柱子截面法加固。粘貼碳纖維加固固然很好，但是由于增加2層鋼結(jié)構(gòu)后，根據(jù)計(jì)算需要粘貼3層以上的碳纖維，造價(jià)較高，因此考慮采用外包鋼加固。該加固方法除了其外包鋼與加固的舊混凝土柱能整體受力共同工作提高柱承載力外，外包鋼柱形成整體的緊箍，對(duì)原混凝土起到部分約束作用，提高原混凝土抗壓強(qiáng)度，也可以提高柱的承載力。其加固圖如下圖所示。

圖1 柱外包鋼加固

3 結(jié) 論

本文分別介紹了增大截面法、外貼型鋼加固法、粘貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法和粘貼鋼板加固法各自的特點(diǎn)，并從理論上給出計(jì)算公式。在教學(xué)樓加層加固改造工程中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮加層部分對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行計(jì)算分析后選擇合理的加固方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，重點(diǎn)對(duì)比了幾種方法的優(yōu)劣，為以后的實(shí)際工程加固提供參考。

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