周 樂, 鄭 媛, 吳劍秋, 劉宇涵

(1. 沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044; 2. 富利建設(shè)集團(tuán)有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110000)

目前,國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活提供了良好的保障.然而在其迅速發(fā)展的同時(shí),鋼結(jié)構(gòu)建筑自身的安全性能也亮起了紅燈,安全事故頻發(fā).為避免因結(jié)構(gòu)承載能力不足造成建筑物坍塌等安全事故,就要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行加固,其中型鋼柱作為主要的受壓構(gòu)件,其加固工程就更為重要.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼柱加固的諸多方法都進(jìn)行了研究,周樂等[1]對(duì)粘貼CFRP加固鋼柱的方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元模擬,得出了相應(yīng)的承載力計(jì)算方法和有限元模型,但該方法成本較高,且加固效果有限.王元清等[2]采用焊接增大截面法加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明,對(duì)于有初始負(fù)載的鋼結(jié)構(gòu)來說采用該方法加固會(huì)有不利影響,且焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力問題有待解決.此外,趙士永等[3]對(duì)外粘鋼加固鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,通過試驗(yàn)和ABAQUS有限元分析軟件對(duì)外粘剛加固鋼梁的承載能力及影響參數(shù)進(jìn)行分析,但該方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)膠要求較高,且結(jié)構(gòu)膠使用年限較短,一定時(shí)間后容易發(fā)生建筑結(jié)構(gòu)膠開裂的現(xiàn)象.郝大軍[4]通過實(shí)際工程中某集團(tuán)寶泉嶺公司鋼結(jié)構(gòu)倉(cāng)庫(kù)的加固工程,介紹了體外預(yù)應(yīng)力法加固實(shí)腹鋼梁的具體操作方法.該方法雖然加固效果明顯,但前期設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,具有一定的難度.周樂[5-8]等對(duì)外包鋼筋混凝土加固負(fù)載下軸壓鋼柱的方法進(jìn)行了理論分析、試驗(yàn)研究和有限元分析,研究結(jié)果表明,該方法可以提高鋼柱的承載能力,并得到了承載力計(jì)算公式,以及影響加固后承載力大小的混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、初始負(fù)載大小等具體參數(shù).該方法中外包的混凝土可以解決鋼結(jié)構(gòu)不耐火、不耐腐的問題,同時(shí)加固效果明顯,對(duì)于缺少承載能力的鋼結(jié)構(gòu),采用該方法對(duì)鋼柱進(jìn)行加固后,可以很大程度上提高承載能力,滿足使用要求.由此可見,對(duì)于需要加固的鋼柱,采用外包鋼筋混凝土的方法進(jìn)行加固具有一定的合理性和安全性.

本文根據(jù)對(duì)外包鋼筋混凝土的加固方法研究出的理論成果,在型鋼混凝土施工工藝的基礎(chǔ)上,對(duì)外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱的實(shí)際施工工藝進(jìn)行研究與論述,得出適用于該加固方法的具體施工操作方法,從而進(jìn)一步確保加固后鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全和質(zhì)量.

1 外包鋼筋混凝土加固方法的相關(guān)概念

1.1 外包鋼筋混凝土加固的概念

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)建筑不能滿足使用要求時(shí),要對(duì)其構(gòu)件進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),對(duì)于受壓構(gòu)件中的柱結(jié)構(gòu)來說,可采用增大截面法進(jìn)行加固,考慮到受壓構(gòu)件的實(shí)際情況及存在的問題,在滿足承載力、施工條件、加固效果等條件下,可以選取外包鋼筋混凝土法對(duì)鋼柱進(jìn)行加固,即在鋼柱外進(jìn)行外包鋼筋混凝土施工,從而達(dá)到增大構(gòu)件承載力的目標(biāo).實(shí)腹式工字形鋼柱加固截面形式如圖1所示.

圖1 加固鋼柱截面圖Fig.1 The cross-section of reinforced steel column

1.2 外包鋼筋混凝土加固的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)外包鋼筋混凝土加固軸心受壓鋼柱的試驗(yàn)可知,對(duì)有負(fù)載的鋼柱進(jìn)行加固時(shí),鋼柱和外包的鋼筋混凝土所受到的壓應(yīng)變是不同的,受力特性與沒有負(fù)載的整體型鋼混凝土柱也是不同的,原型鋼柱在加固前已經(jīng)承擔(dān)載荷,在負(fù)載下加固完成后,新加的鋼筋和混凝土不能立即承擔(dān)載荷,當(dāng)整體結(jié)構(gòu)的負(fù)載增大時(shí),外包的鋼筋混凝土才開始承受載荷,因此會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力滯后現(xiàn)象,因此這時(shí)就無法按照《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(JGJ 138—2016)》[9]中規(guī)定的型鋼混凝土組合柱的設(shè)計(jì)規(guī)定考慮.在考慮了加固鋼柱的承載力計(jì)算研究中[10]所提出的應(yīng)力滯后的問題后,分別將外包的縱筋、箍筋和混凝土進(jìn)行強(qiáng)度折減,得到相應(yīng)的折減系數(shù),提高了外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱的承載力計(jì)算準(zhǔn)確度.

1.3 外包鋼筋混凝土加固的構(gòu)造規(guī)定

加固型鋼柱時(shí),需要滿足一般組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求.為了加強(qiáng)型鋼與混凝土之間的黏合作用,減少因未卸載所帶來的應(yīng)力滯后等問題,可在鋼柱兩端設(shè)置箍筋加密區(qū).對(duì)此《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(JGJ 138—2016)》中規(guī)定,滿足型鋼混凝土框架柱中箍筋體配筋率的要求,只有配置一定量的箍筋,才能夠有能力約束混凝土,使得框架柱具有一定的變形能力,充分發(fā)揮外包鋼筋混凝土強(qiáng)度和塑性性能.考慮到加固工程中,多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件加固都是因?yàn)槠涑休d能力不足所導(dǎo)致的,因此在選取混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼筋直徑時(shí),要盡量避免等級(jí)較低和直徑較小的混凝土和鋼筋,避免為后續(xù)施工造成損失.此外,為方便澆筑混凝土,鋼筋間距也不宜過小.

2 外包鋼筋混凝土加固方法的施工工藝

2.1 工藝流程

外包鋼筋混凝土加固型鋼柱施工過程較為簡(jiǎn)單,在滿足施工條件的基礎(chǔ)上,可以先確定該建筑是否可以進(jìn)行卸載.如卸載成功,則可以按照型鋼混凝土柱進(jìn)行設(shè)計(jì)施工;若無法進(jìn)行卸載,則在滿足組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上,按照加固柱進(jìn)行設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)完成后,對(duì)型鋼柱表面進(jìn)行清理、修整,確?；炷僚c型鋼更好地黏合,之后進(jìn)行測(cè)量,完成箍筋和縱筋的綁扎、支模板,最后進(jìn)行混凝土澆筑.施工流程見圖2.

圖2 施工流程圖Fig.2 Flow chart of construction

2.2 施工難點(diǎn)分析

外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱的施工不同于普通的型鋼混凝土柱的施工,是一種新型的技術(shù)與嘗試,工程經(jīng)驗(yàn)較少,施工質(zhì)量要求較高,且加固、施工方案要與該結(jié)構(gòu)的加固目的和實(shí)際使用相關(guān)聯(lián),具有一定的復(fù)雜性,主要表現(xiàn)為如下幾點(diǎn).

(1) 原加固鋼柱所承受的載荷是否需要進(jìn)行卸荷后再加固.

(2) 施工現(xiàn)場(chǎng)的局限性對(duì)模板支設(shè)、鋼筋綁扎及混凝土澆筑造成一定的空間干擾.

(3) 柱模板支設(shè)時(shí),若采用對(duì)拉螺栓的方法穿過型鋼腹板的難度較大,要考慮采用柱箍進(jìn)行支設(shè).

(4) 混凝土澆筑時(shí),由于外包箍筋與縱筋會(huì)導(dǎo)致柱內(nèi)空間較小,因此澆筑后的振搗較困難.

(5) 外包混凝土與原型鋼易產(chǎn)生相對(duì)滑移.

2.3 施工操作要點(diǎn)

(1) 型鋼柱卸載.卸載工程是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程,尤其對(duì)于柱結(jié)構(gòu)來說,很難達(dá)到百分之百的卸載,目前的2種卸載方式均為被動(dòng)卸載,即采用剛性支撐作為原結(jié)構(gòu)的支撐體系[11].對(duì)于單層的鋼結(jié)構(gòu)建筑,可以采用頂撐方式進(jìn)行卸載.然而對(duì)于多層結(jié)構(gòu),尤其是對(duì)難度很大的多層結(jié)構(gòu)最底層鋼柱,可以采用吊索和吊桿等方式進(jìn)行卸載.此外,還可以采用傳統(tǒng)的“托梁換柱”進(jìn)行卸載,但該方法施工難度較大,需要空間也比較大.

采用外包鋼筋混凝土法加固型鋼柱時(shí),卸載與否對(duì)于加固效果的影響不是很明顯,因此可在綜合考慮工程的實(shí)際情況后,設(shè)計(jì)出正確且高效的加固設(shè)計(jì)方案.

(2) 型鋼表面處理.為使型鋼表面與混凝土有更好的黏合作用,避免澆筑混凝土?xí)r因?yàn)樾弯摫砻孢^于平滑導(dǎo)致混凝土脫落,要去除原結(jié)構(gòu)表面的舊漆膜和防火涂料,同時(shí)型鋼表面的油脂、鐵銹、氧化皮等雜質(zhì)也要去除.對(duì)于表面的油污和舊涂層可以采用常用的堿液清除法、有機(jī)溶劑清除法、乳化堿液清除法進(jìn)行清除.對(duì)于表面銹蝕的清除,可采用常用的手工和動(dòng)力工具除銹、噴射或拋射除銹、酸洗除銹、火焰除銹4種方法進(jìn)行清除[12].在實(shí)際工程中,可根據(jù)實(shí)際操作空間和施工條件選取合理的表面處理方法.

(3) 鋼筋工程.進(jìn)行鋼筋綁扎時(shí),按照設(shè)計(jì)圖紙確定鋼筋走向及縱筋和箍筋的錨固長(zhǎng)度和錨固位置.施工前,根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的鋼筋長(zhǎng)度和數(shù)量進(jìn)行下料和切割.加固工程中,將箍筋套在外包的縱筋上,確定好縱筋位置,縱筋設(shè)置在柱截面的四角.為避免影響梁柱節(jié)點(diǎn)受力,可在鋼牛腿上設(shè)置預(yù)留孔,使得縱筋上端穿過鋼牛腿后連接錨固,下端應(yīng)伸入基礎(chǔ)內(nèi)進(jìn)行連接錨固.由于原結(jié)構(gòu)的存在,箍筋無法自上而下套入縱筋,因此可采用焊接封閉的施工方式,同時(shí)需滿足設(shè)計(jì)和搭接要求.

(4) 模板工程.由于原結(jié)構(gòu)的存在,模板支設(shè)工程中,模板中的對(duì)拉螺栓安裝需要設(shè)計(jì)人員同意后方可在型鋼柱翼緣上鉆孔打眼,但這樣會(huì)加大施工的難度,因此建議采用柱箍的方式進(jìn)行模板安裝.現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和清掃,確保鋼柱四周的清潔度,采用雙槽鋼柱箍進(jìn)行模板支設(shè),同時(shí)用支撐桿支撐加固.由于模板與型鋼柱的縫隙較小,澆筑混凝土?xí)r很難將混凝土振搗密實(shí),因此加固過程中要在模板上預(yù)留澆筑口,確保施工時(shí)混凝土達(dá)到要求.

為防止混凝土漏漿,所有模板的拼接處、模板與梁接縫處要粘貼海綿膠帶或密封條.

(5) 混凝土工程.為了滿足混凝土澆筑的要求,在得到設(shè)計(jì)人員的許可后,可在加固鋼柱的樓板上開設(shè)孔洞.在加固工程中,一般都選取強(qiáng)度較大的混凝土,此時(shí)混凝土中粗骨料可能因?yàn)榭臻g小而無法均勻分布,出現(xiàn)上下分層的現(xiàn)象,因此每次澆筑不宜超過1m,澆筑完成后采用直徑較小的振搗棒認(rèn)真振搗,每個(gè)振搗點(diǎn)振搗時(shí)間不宜少于30 s.除此之外,要同時(shí)設(shè)置同條件養(yǎng)護(hù)試塊,用該試塊來測(cè)量模板內(nèi)混凝土是否達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值,同時(shí)還要通過提高混凝土坍落度,避免出現(xiàn)混凝土蜂窩麻面等質(zhì)量殘缺現(xiàn)象.要充分利用模板上開設(shè)的振搗口加強(qiáng)振搗,去除混凝土浮灰,對(duì)于實(shí)際振搗操作中難度較大的部分,可采用附著式振動(dòng)器振動(dòng)模板,提高混凝土密實(shí)性.采用此種方法依次向上澆筑,直至澆筑完成.

2.4 施工質(zhì)量控制

外包鋼筋混凝土加固軸壓型鋼柱的過程中,外包的鋼筋混凝土材料以及施工方法要滿足相關(guān)規(guī)定,確保加固工程的安全和穩(wěn)定性.

(1) 鋼筋綁扎工程中,當(dāng)采用焊接方式連接箍筋與縱筋時(shí),可采用2個(gè)U形箍筋,同時(shí)要將焊縫均勻布置在柱子四角,避免因焊縫原因?qū)е率芰Σ痪?影響結(jié)構(gòu)的安全性.

(2) 模板支設(shè)工程中,若加固柱截面尺寸過大,則有必要設(shè)置對(duì)拉螺栓,但開孔率不得高于25%,同時(shí)可采用強(qiáng)度較大的帶有型鋼棱骨的模板.為防止在澆筑混凝土?xí)r發(fā)生漏漿或變形等現(xiàn)象,要進(jìn)行模板加固,設(shè)有專人負(fù)責(zé)模板的拼接質(zhì)量.

通常情況下是當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度值后方可進(jìn)行模板拆除工作.但本文中只是對(duì)型鋼進(jìn)行混凝土外包,僅涉及到鋼柱混凝土模板搭設(shè),未涉及底模部分,因此可在保證混凝土表面及棱角不因拆除模板而受損,即一般強(qiáng)度達(dá)到1.0 MPa左右進(jìn)行拆除.

(3) 混凝土澆筑振搗后,可通過橡皮錘敲擊模板,觀察是否振搗密實(shí).

(4) 混凝土進(jìn)行澆筑時(shí),要注意澆筑時(shí)間,盡量在早晨進(jìn)行澆筑,避免因溫度過高導(dǎo)致變形.

(5) 混凝土澆筑完成后,要對(duì)其進(jìn)行專業(yè)養(yǎng)護(hù).

(6) 施工過程中,若有必要可搭設(shè)里腳手架,保證順利施工.

2.5 施工安全控制及相關(guān)注意事項(xiàng)

安全事故往往發(fā)生在施工過程中,如現(xiàn)場(chǎng)腳手架安裝不合格、模板支撐體系不健全等導(dǎo)致事故發(fā)生,因此施工安全至關(guān)重要.在加固工程中,除了要對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行保障之外,更要對(duì)施工過程中相關(guān)工作人員及現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全控制,避免發(fā)生在建工程的施工意外與傷害.

(1) 根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行施工,合理分配人員,若發(fā)生偏差時(shí),要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,確保施工進(jìn)度.

(2) 人員進(jìn)入施工場(chǎng)地后要及時(shí)佩戴好安全帽.

(3) 施工人員要通過專業(yè)的安全培訓(xùn)及技術(shù)培訓(xùn)后進(jìn)行加固工程施工.

(4) 戶外作業(yè)時(shí)要避免高空落物,保障周圍人員的安全.如有外部作業(yè),必須搭設(shè)外部腳手架,并懸掛綠網(wǎng);若高度在4 m以上,首層要鋪設(shè)第1道固定兜網(wǎng)(平網(wǎng)),且距地面不得小于3 m.

(5) 施工區(qū)域內(nèi)要做好相應(yīng)的警戒線及安全警示標(biāo)語(yǔ)等.

(6) 加固過程中所用的工具及機(jī)具,操作人員要經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)后才能使用,避免因操作不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐?次傷害.

(7) 施工現(xiàn)場(chǎng)要做好消防措施,在一定的場(chǎng)地內(nèi)配備好相應(yīng)的滅火器材.

(8) 大風(fēng)天氣時(shí),避免明火作業(yè).

(9) 施工中,所有的建筑材料及安全設(shè)施都要經(jīng)過相關(guān)人員的專業(yè)檢測(cè),且驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下一步的施工.

(10) 施工過程中所產(chǎn)生的建筑垃圾要及時(shí)清理,不得在施工現(xiàn)場(chǎng)隨意堆放,廢棄材料及時(shí)進(jìn)行回收再利用.

3 總 結(jié)

鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)進(jìn)入維修保養(yǎng)階段,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的鋼柱更是保證整體建筑安全性的重要構(gòu)件,可采用增大截面中的外包鋼筋混凝土的方法對(duì)鋼柱進(jìn)行加固,該方法施工較為方便,加固效果也十分明顯.因此,除了對(duì)鋼柱加固進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算之外,施工工藝也需要進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范.

(1) 本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)際的加固工程和相關(guān)規(guī)范進(jìn)行總結(jié),從施工構(gòu)造要求、操作要點(diǎn)及質(zhì)量控制、安全控制等方面進(jìn)行分析,得到了外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱的施工工藝.

(2) 文中只對(duì)四周外包加固的施工工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹,對(duì)于單側(cè)外包或兩側(cè)外包的情況并未提及,因此需要進(jìn)行更進(jìn)一步的試驗(yàn)與研究.

(3) 對(duì)于型鋼與混凝土表面的黏合問題,可使用微膨脹混凝土進(jìn)行外包加固,可對(duì)該方法的使用進(jìn)行進(jìn)一步的研究.