浦紹武
(云南省建筑科學(xué)研究院,昆明650223)
增大截面法主要在原有混凝土構(gòu)件的基礎(chǔ)上通過外澆新混凝土的方式對(duì)增加的構(gòu)件配筋進(jìn)行加固,從而加大原構(gòu)件的截面,提高構(gòu)件的承載力。采用該加固方法前,應(yīng)對(duì)軸心受壓混凝土構(gòu)件、小偏心受壓混凝土構(gòu)件等結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。
1.1.1 軸心受壓混凝土構(gòu)件和計(jì)算過程
正截面承載力應(yīng)按照式(1)計(jì)算得出:
式中,N為構(gòu)建加固之后的軸向壓力設(shè)計(jì)值;φ為構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù);Aco和Ac分別為構(gòu)件加固前混凝土界面面積和加固后新增部分混凝土截面面積;αcs為修正系數(shù);fco為舊混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;f′yo為鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;f′y為縱向鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fc為新加混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;A′so為原構(gòu)件受壓較大邊縱向鋼筋截面面積;A′s為新加混凝土和縱向鋼筋的截面面積。
在采用增大截面加固軸心受壓構(gòu)件時(shí),正截面受壓承載力需要滿足以上規(guī)定,并對(duì)縱向鋼筋的強(qiáng)度利用系數(shù)α進(jìn)行分析。若新加的混凝土和鋼筋應(yīng)力為σc1和σs1,采用式(2)和式(3)計(jì)算新加混凝土強(qiáng)度的利用系數(shù):
式中,αc為新加混凝土強(qiáng)度的利用系數(shù);f′y1為縱向鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;σ′s1為離軸向力較遠(yuǎn)一側(cè)舊鋼筋的應(yīng)力。
然后,根據(jù)迭加原理以及中心受壓混凝土的應(yīng)變關(guān)系公式,算出新增加部位混凝土的強(qiáng)度利用系數(shù)和強(qiáng)度,得出加固施工時(shí)原混凝土構(gòu)件的極限應(yīng)變值:
式中,εc為加固施工時(shí)原構(gòu)件混凝土的應(yīng)變值;εco為極限壓應(yīng)變。
β為原構(gòu)件混凝土主要應(yīng)力水平指標(biāo),可根據(jù)式(5)計(jì)算:
當(dāng)β在0~1時(shí),αc為1~0,根據(jù)新加部分混凝土的強(qiáng)度利用系數(shù)公式,得出不同的系數(shù)。
由以上的計(jì)算可以得知,在加固過程中,為了充分利用混凝土強(qiáng)度利用效率,可以通過卸荷的方式環(huán)節(jié)超荷載問題。
1.1.2小偏心受壓混凝土構(gòu)件和計(jì)算過程
一般情況下,鋼筋在小偏心受壓混凝土構(gòu)件中,如果在遠(yuǎn)離軸向力的一側(cè)插入鋼筋時(shí),無法達(dá)到鋼筋屈服強(qiáng)度,計(jì)算雙側(cè)加固時(shí),需要按照式(5)計(jì)算其正截面承載力:
式中,fcm1為舊混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值;fcm為新混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值;b為原構(gòu)件截面的寬度;b1為新加部分的截面寬度;h1為受壓側(cè)新加混凝土的截面厚度;A1為受拉區(qū)縱向鋼筋的截面面積;A′為受壓區(qū)縱向鋼筋的截面面積;A2為新加受拉區(qū)縱向鋼筋的截面面積;f′y1為新受拉區(qū)縱向鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。σs、σs1均為離軸向力較遠(yuǎn)的一側(cè)應(yīng)力,σs應(yīng)根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》做如下計(jì)算:
式中,ξ為混凝土構(gòu)件的相對(duì)受壓區(qū)高度;ξb為相對(duì)界限受壓區(qū)高度;fy為縱向鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。
對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)加固時(shí),可以采用型鋼外包原構(gòu)件,能夠發(fā)揮加固作用,提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的承載力。這種加固方法主要是將角鋼包在構(gòu)件截面的4個(gè)角,再運(yùn)用一些螺絲或者膨脹螺栓等將角鋼與混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接,從而使角鋼與混凝土成為整體,提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。采用型鋼外包的方法不僅能對(duì)柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,還能對(duì)梁結(jié)構(gòu)以及不同形狀的截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。但是無論哪種結(jié)構(gòu)加固,其都需要對(duì)結(jié)構(gòu)橫向設(shè)置或者應(yīng)用角鋼等焊成箍套。當(dāng)外包鋼設(shè)置在梁的受拉邊側(cè),需要按照式進(jìn)行計(jì)算正截面承載力:
式中,As為縱向鋼筋的截面面積;h01為原構(gòu)件截面有效高度;x為混凝土受壓區(qū)高度;fa為新加型鋼抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Aa為全部受拉肢型鋼截面面積;M為軸向壓力設(shè)計(jì)值
計(jì)算時(shí),還需要考慮型鋼的受拉和受壓強(qiáng)度,按照相關(guān)規(guī)范,計(jì)算后,對(duì)其進(jìn)行折減,其中我國(guó)規(guī)范規(guī)定其系數(shù)為0.9。
采用該方法進(jìn)行加固能夠提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的承載力、抗震性能以及耐久性。該方法主要是將樹脂膠結(jié)合碳纖維布(板)粘貼在原建筑結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行加固。這些材料的質(zhì)量較輕、黏合強(qiáng)度較大,加之碳纖維材料的成本較低,施工難度不大,采用此方法對(duì)建筑進(jìn)行加固后,建筑結(jié)構(gòu)很少發(fā)生腐蝕現(xiàn)象,因此,成為建筑結(jié)構(gòu)加固中的常用方法。需要注意的是,碳纖維材料的耐高溫性能較差,因此,使用這種方法進(jìn)行加固時(shí),對(duì)溫度的要求相對(duì)較高,一般需要將環(huán)境溫度控制在60℃以下,如果超出范圍,則需要采用保護(hù)措施。
利用預(yù)應(yīng)力鋼拉桿、型鋼等構(gòu)件提高建筑結(jié)構(gòu)承載能力的方法稱為預(yù)應(yīng)力加固法。預(yù)應(yīng)力加固方法主要是采用外加預(yù)應(yīng)力鋼拉桿或者型鋼撐桿對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固的一種方法。采用該方法后,可以在提高構(gòu)件的抗彎能力的同時(shí),減小構(gòu)件的撓度,有效控制建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形[1]。
為保證加固的構(gòu)件具備相應(yīng)承載能力,應(yīng)對(duì)加固施工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)和實(shí)施的方法加以重視,從而達(dá)到預(yù)期的效果,主要包括以下3方面:(1)先對(duì)待加固建筑進(jìn)行全面的分析與調(diào)查,包括對(duì)原有構(gòu)件的實(shí)地考察、見證取樣以及試驗(yàn)檢測(cè)等,并由具備資質(zhì)的質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)室對(duì)取樣的原材料和新材料等進(jìn)行試驗(yàn)分析,以保障評(píng)估后出具的報(bào)告更加真實(shí)準(zhǔn)確。采購(gòu)后期所使用的輔材時(shí),特別要對(duì)焊條的規(guī)格和焊接技術(shù)等予以高度重視。(2)加固施工技術(shù)應(yīng)用前,對(duì)鋼材等原材料表面上的氧化物、雜質(zhì)等進(jìn)行清理,掌握原構(gòu)件結(jié)構(gòu)損壞情況,為之后開展加固設(shè)計(jì)工作提供重要保障和依據(jù)。(3)設(shè)計(jì)人員對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算并加以討論后,應(yīng)結(jié)合理論計(jì)算數(shù)據(jù),把握房屋建筑的承載能力,進(jìn)一步完善加固方案。為滿足施工需要,在加固施工實(shí)施前,還應(yīng)明確加固施工的原材料和設(shè)備,使其工藝技術(shù)更符合專業(yè)技術(shù)規(guī)范,全面提高質(zhì)量和質(zhì)量施工效率。此外,在加固過程中,還需要靈活應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的問題,在加強(qiáng)監(jiān)督和檢查的力度基礎(chǔ)上及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的問題予以調(diào)整和改進(jìn),并提出更加全面的解決對(duì)策,提高房屋建筑結(jié)構(gòu)加固的質(zhì)量。
通過剖析不同的加固方法,探討加固施工技術(shù),可以為之后開展房屋建筑加固工作提供計(jì)算依據(jù)。同時(shí),房屋建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和改造能夠有效提升房屋建筑結(jié)構(gòu)的承載能力,通過借助這些加固方法能夠進(jìn)一步提升整體構(gòu)件的剛度,為促進(jìn)房屋建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了重要保障。