燕志剛，黃佳林

（1、廣東精特建設(shè)工程有限公司 廣州510660；2、廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州510010）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和新工藝的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的功能逐漸不能滿足要求。所以既有建筑結(jié)構(gòu)的改造在日常生活中越來越常見，改造過程中舊結(jié)構(gòu)經(jīng)常無法滿足原設(shè)計荷載或新增荷載的要求?；炷两Y(jié)構(gòu)的加固技術(shù)及加固后構(gòu)件的承載能力，已成為當(dāng)前業(yè)界的重點(diǎn)關(guān)注對象［1-3］。常見的柱加固方法有增大截面加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法、預(yù)應(yīng)力加固法和外包鋼加固法［4］。柱包角鋼的加固方式為常用的方法，施工時需要一條柱上下多層貫通包角鋼。在現(xiàn)在的高層建筑中隨著樓層的升高，柱子的截面會變化，如果在變截面的節(jié)點(diǎn)處理不好，會嚴(yán)重影響加固的整體受力效果，使建筑物結(jié)構(gòu)加固后達(dá)到應(yīng)有的抗震效果。本文主要介紹柱包鋼結(jié)構(gòu)加固遇到柱截面變化，節(jié)點(diǎn)處理的一種加固方式。此方法可以使柱子加固結(jié)構(gòu)的完整性，達(dá)到應(yīng)有抗震效果。

1 設(shè)計方法

1.1 設(shè)計思路

由于使用年限過長或設(shè)計不合理等原因，結(jié)構(gòu)柱會出現(xiàn)承載力不足的情況。正常的加固做法有增大柱截面加固、碳纖維加固、外包鋼加固等［4］。

外包鋼加固是比較方便、經(jīng)濟(jì)的加固方法。此方法是在柱子的4個角分別包豎向角鋼，并在水平方向用綴板連接角鋼。使得柱與角鋼、綴板形成一個整體，起到加固作用［1］。不過當(dāng)外包鋼加固法遇到變截面柱時，由于柱子截面的不連續(xù)，角鋼也不能連續(xù)，角鋼的荷載不能很好地傳遞。

由此本文提出一種變截面柱節(jié)點(diǎn)加固的設(shè)計方法。此方法是在變截面柱節(jié)點(diǎn)的柱交接處，設(shè)置一厚鋼板，此鋼板承擔(dān)上層柱角鋼的荷載，并把荷載傳遞至下層柱角鋼。

1.2 設(shè)計方法

本文的加固方法，就是在柱四邊加角鋼，并在角鋼中間用綴板連接，形成的整體受力加固柱子。在變截面柱的節(jié)點(diǎn)處，下層柱的頂面處加一頂板，頂板處布置一圈化學(xué)錨栓，連接上層的加固柱及下層的加固柱。加固大樣如圖1～圖2所示。

圖1 柱加固立面及剖面Fig.1 Elevation and Section of Column Reinforcement

圖2 柱加固平面Fig.2 Plan of Column Reinforcement

柱子變截面處，上、下層加固角鋼與加固頂板均為開坡口焊接，加固頂板上焊接20 mm厚加勁板。變截面處的加固做法如圖3所示。

圖3 柱變截面處加固做法Fig.3 Reinforcement Method at Variable Cross-section of Column（mm）

1.3 構(gòu)造措施

在柱變截面處加固的設(shè)計中，錨栓的錨固長度為35d［4］；柱頂鋼板的厚度應(yīng)不小于加固角鋼最大厚度的1.5倍。

2 施工工藝

2.1 混凝土表面處理

⑴根據(jù)施工圖紙對施工現(xiàn)場進(jìn)行柱位進(jìn)行復(fù)核，柱加固節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，拆除柱裝飾、批蕩層，為使柱上下貫通將柱變截面處柱角樓板進(jìn)行鑿除并切斷鋼筋，然后彎起，以便恢復(fù)樓板使用，將洞口沿柱角方向進(jìn)行，在主梁節(jié)點(diǎn)停止，寬度10 cm，大小柱變截面節(jié)點(diǎn)處以大柱邊為基準(zhǔn)線進(jìn)行鑿除樓板，鑿毛并使鑿除面平整。

⑵打磨。用角磨機(jī)金剛磨片清除混凝土表面的碳化層1～2 mm，使混凝土表面平整、均勻，使用角磨機(jī)呈45°角在混凝土橫向表面磕槽，槽深1～2 mm，用高壓水槍沖洗混凝土表面的灰塵，混凝土表面凹凸不平，凸的要把鑿平，凹的用修補(bǔ)膠修補(bǔ)好。

2.2 鋼板制作及鉆孔

⑴鋼板加工應(yīng)按照設(shè)計圖紙要求進(jìn)行，鋼板長度盡量不要焊接，要焊接最好在端部焊接。

⑵鋼板在加工場裁剪成型后，用板車運(yùn)進(jìn)施工地。

⑶由于設(shè)計錨栓孔可能與原梁鋼筋相沖突，按設(shè)計在梁板上放線鉆孔，遇到鋼筋時鋼板鉆孔要適當(dāng)調(diào)整孔位，待梁孔鉆完后，用紙臨摹下來，根據(jù)臨摹板在鋼板上鉆孔，鉆孔方式采用磁力鉆鉆孔，禁止采用熱開孔。

2.3 鋼板的表面處理

⑴ 用角磨機(jī)砂輪片打磨鋼板，至鋼板去碳化層，使鋼板有光澤。

⑵再用角磨機(jī)橫向磕紋，用鋼刷刷除鋼板上的浮銹。

2.4 鋼板安裝

鋼板采用二次安裝，第一次安裝主要是確定好鋼鉆孔位與混凝土構(gòu)件的孔位，并鉆好構(gòu)件孔位。

⑴用頂托加鋼管把鋼板支撐固定好。

⑵加壓頂托螺栓，使鋼板粘緊混凝土構(gòu)件。

⑶用沖擊鉆對準(zhǔn)鋼板孔進(jìn)行鉆孔，用膨脹螺栓固定或者植筋、植化學(xué)錨栓固定（用膨脹螺栓固定時不需清孔，用植筋、植化學(xué)錨栓固定時必須清孔）。

⑷安裝平爆加長螺栓（螺栓長150 mm），要按鋼管長度均開安裝幾條便可。

⑸松開頂托螺栓，使其預(yù)掛在平爆螺栓上。

⑹再次用角磨機(jī)加吹風(fēng)機(jī)清除鋼板上的灰塵。

⑺再用頂托頂緊鋼板，安裝螺栓。待螺栓安裝好，調(diào)整好鋼板間距，鋼板與混凝土之間縫隙不要大于2 mm。

2.5 封邊、埋設(shè)灌漿嘴

用封邊膠沿鋼板邊進(jìn)行封堵縫隙，壓實(shí)不準(zhǔn)有毛邊，封堵時埋設(shè)灌漿嘴，灌漿嘴埋設(shè)間距不大于500 mm，宜采用對角邊埋設(shè)間距，否則灌漿時會爆邊，封螺栓絲頭要注意膠壓緊，不準(zhǔn)有毛邊，待膠固化后進(jìn)行灌漿封邊時要專人來封邊。

2.6 配制膠

結(jié)構(gòu)膠使用灌注粘鋼膠，配膠時按結(jié)構(gòu)膠按產(chǎn)品說明書規(guī)定的配合比配制膠，配制膠須專人配制，不得隨意更改配合比。配制膠時需用專用工具配制，使膠和固化劑攪拌均勻。

2.7 灌膠

（1）用高壓灌漿機(jī)進(jìn)行灌膠，灌膠時不得猛壓，用力要均勻。使膠能夠均勻進(jìn)入。

（2）灌膠時要用小錘輕輕敲打鋼板，使結(jié)構(gòu)膠能完全填充空隙，灌膠到所有排氣管均有膠液流出。最后當(dāng)排氣孔出現(xiàn)漿液后停止加壓，以鋼板封邊膠堵孔，再以較底壓力持續(xù)10 min以上。

（3）每移動前進(jìn)1個灌漿嘴，必須把灌漿嘴封堵好，不得有滴膠現(xiàn)象。

（4）灌完膠后，鋼板不能出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。

（5）灌好構(gòu)件靜態(tài)72 h養(yǎng)護(hù)，不得有震動或者外力影響。

2.8 養(yǎng)護(hù)

灌注粘鋼件表面應(yīng)進(jìn)行防腐防火處理。首先對鋼件表面進(jìn)行打磨，除去鋼件表面的銹蝕、污物等，使鋼件表面無可見的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹等附著物，然后在表面刷涂防銹漆及防火涂料。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某項目位于廣州市，共有7層，樓齡22年。本工程為框架結(jié)構(gòu)，其中一變截面結(jié)構(gòu)柱上下層均已出現(xiàn)破損。該變截面下層柱截面為600 mm×600 mm，上層柱截面為400 mm×400 mm。通過第三方檢測，該變截面柱子混凝土的強(qiáng)度只達(dá)到C20，鋼筋強(qiáng)度為HRB400。

3.2 模型概況

建立了2個柱子模型進(jìn)行對比模擬分析［5-6］。以分析加固前后混凝土及加固鋼板的應(yīng)力變化。變截面柱上層截面為400 mm×400 mm，下層截面為600 mm×600 mm，箍筋直徑為8 mm，縱筋直徑為25 mm。加固角鋼截面為等肢角鋼100 mm×6 mm，綴條厚度為6 mm。柱頂鋼板厚度為8 mm。

利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行建模［7］，柱子混凝土部分、加固角鋼、綴條均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，單元類型為C3D8R；箍筋和縱筋均采用桿單元模擬。

3.3 本構(gòu)模型

本文混凝土受力性能分析利用混凝土的彈塑性損傷模型。該模型用材料的彈塑性受力性能來模擬混凝土受壓力學(xué)性能，分析中假定混凝土主要呈現(xiàn)拉伸開裂和壓縮破碎導(dǎo)致最終極限破壞。

本文建立了C20混凝土本構(gòu)［8］，Q235鋼材本構(gòu)［9］，HRB400鋼筋本構(gòu)［8］。鋼筋為Truss單元。鋼筋用軟件中鑲嵌方法嵌入混凝土網(wǎng)格單元中。鋼筋本構(gòu)應(yīng)用雙直線分析模型，斜率為鋼筋的彈性模量即Es=210 GPa。

3.4 模型模擬

模型1模擬正常軸壓下［10］，變截面柱受壓破壞的模型。該模型在下層柱底施加完全固定的邊界條件，上下層柱之間綁定連接。并在上層柱頂及下層柱頂分別施加一軸向荷載，該荷載使模型1的上下柱均破壞。

模型2的混凝土柱截面、荷載、邊界條件均與模型1一致。在模型2上施加加固角鋼及綴板。混凝土與角鋼、綴板之間綁定連接［7］。

模型1、模型2的模擬模型如圖4所示。

圖4 模型1、模型2Fig.4 Model 1 and Model 2

3.5 分析結(jié)果

本文利用大型有限元軟件ABAQUS軟件對有無加固2種情況下的柱子應(yīng)力進(jìn)行模擬分析。模擬分析結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖5 混凝土應(yīng)力Fig.5 Concrete Stress（N/mm2）

圖6 模型2鋼板應(yīng)力Fig.6 Model 2 Steel Stress（N/mm2）

3.6 小結(jié)

通過模型1混凝土應(yīng)力可以看出，在模型一軸壓荷載的作用下，上下層柱的受壓應(yīng)力均超過了柱子的設(shè)計軸心抗壓強(qiáng)度9.2 kPa。

模型2經(jīng)過本文所述方式的加固后，上下層柱的受壓應(yīng)力均有大幅度降低，降到了C20混凝土的受壓強(qiáng)度設(shè)計值之下。且鋼板的應(yīng)力也不超過Q235鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值。

4 總結(jié)

本文以廣州市某項目為依托，提出一種針對變截面柱節(jié)點(diǎn)包鋼加固的施工方法。針對原始配筋相同的2根柱進(jìn)行數(shù)字模擬對比分析。在加固后，變截面柱節(jié)點(diǎn)的承載能力有顯著的提高。

在現(xiàn)場施工方面，該加固方法施工速度快，不需要模板，能顯著提高施工速度，縮減工期。