艾心熒,李威雄,潘兆東,楊 孝,袁華民,馮俊雄
(1.東莞理工學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院,廣東 東莞 523808;2.東莞市工程結(jié)構(gòu)檢測/鑒定/加固研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 東莞 523808;3.廣東中青建筑科技有限公司,廣東 東莞 523808)
建筑加固改造是指既有建筑因某些原因需在科學(xué)檢測鑒定基礎(chǔ)上采取合理的加固修繕措施(如利用碳纖維、黏鋼、高壓灌漿等),或通過結(jié)構(gòu)改造以提高原結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。建筑加固是近幾年建筑行業(yè)中比較熱門的新興朝陽行業(yè),現(xiàn)有已建、在建,甚至未來擬建的建筑都是建筑加固行業(yè)廣闊的市場基礎(chǔ)。
混凝土結(jié)構(gòu)柱作為建筑中的主要承重結(jié)構(gòu),在房屋結(jié)構(gòu)中起了重要的支撐作用,是各類建筑中主要構(gòu)件之一。隨著建筑服役年份的增長,由于前期缺陷或荷載、環(huán)境的不斷變化,經(jīng)常出現(xiàn)柱耐久性下降,強(qiáng)度與剛度不足的情況;或者由于建筑物建成后其使用功能(荷載、環(huán)境發(fā)生改變)發(fā)生變化,導(dǎo)致柱體承載力無法滿足使用要求。而混凝土柱的破壞具有突然性,易導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此關(guān)注混凝土柱的狀態(tài),對有缺陷或承載力不足柱體進(jìn)行加固是極為必要的[1-3]。
混凝土柱子加固的方法很多[4,5],其中較為常用的分別是增大截面加固法、外包鋼加固法、黏鋼加固法、碳纖維布加固法、繞絲法。其中,外包鋼加固法憑借其構(gòu)件的截面尺寸增加不多,但承載力可有較大幅度提高等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用[6-9]。根據(jù)現(xiàn)有研究及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)構(gòu)柱外包鋼加固中,鋼和混凝土結(jié)構(gòu)依靠膠體和錨栓粘結(jié),應(yīng)力傳遞的有效厚度一般在 6 mm 左右,若外包鋼板太厚就沒有實(shí)際意義了。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范和規(guī)程,濕式外包鋼加固鋼板厚度一般不超過 30 mm。
然而現(xiàn)有建筑物往往由于建筑規(guī)模較大、層數(shù)較多,一旦結(jié)構(gòu)柱所承載的荷載發(fā)生變化,根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范方法計(jì)算得出的外包鋼板厚度往往超出這一數(shù)值,達(dá)到 50~70 mm 厚。因此,針對大尺寸結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行外包鋼加固時(荷載增加較大導(dǎo)致外包鋼板較厚的結(jié)構(gòu)柱),基于現(xiàn)有規(guī)范和規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工是否合理,還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。本文基于東莞國貿(mào)中心商業(yè)裙房大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)柱濕式外包鋼加固實(shí)例,開展受力性能監(jiān)測研究,為類似工程提供有益借鑒。
東莞國貿(mào)中心商業(yè)裙房為多層綜合商業(yè)購物中心(1 F~9 F),其結(jié)構(gòu)柱截面為正方形(見圖 1)。由于裙房功能發(fā)生改變,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外荷載發(fā)生增大,超出原設(shè)計(jì)荷載。經(jīng)設(shè)計(jì)后決定通過原結(jié)構(gòu)柱外包鋼板進(jìn)行加固(鋼板與原結(jié)構(gòu)柱中間灌注高強(qiáng)度漿體),提高其承載力,外包鋼板厚度最大達(dá) 70 mm。為了檢驗(yàn)加固效果,驗(yàn)證加固設(shè)計(jì)計(jì)算的科學(xué)合理性,特針對加固后大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)柱開展受力性能監(jiān)測研究(見圖 2)。
圖1 國貿(mào)中心裙樓結(jié)構(gòu)柱加固平面布置圖
圖2 裙房結(jié)構(gòu)柱加固施工現(xiàn)場
本項(xiàng)目采用振弦傳感器技術(shù),對加固后結(jié)構(gòu)柱外包鋼板在結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營期間的表面應(yīng)力及溫度進(jìn)行監(jiān)測,具體監(jiān)測方法如下。
1)外包鋼板表面應(yīng)力監(jiān)測。采用 BGK-4000 型振弦式弧焊型應(yīng)變計(jì)監(jiān)測加固后結(jié)構(gòu)柱外包鋼板表面應(yīng)力,并利用內(nèi)置的溫度傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,從而獲得加固后結(jié)構(gòu)柱外包鋼板的實(shí)際應(yīng)力值。采用美國基康公司生產(chǎn)的 BGK408 型振弦式讀數(shù)儀采集。
2)外包鋼板表面溫度監(jiān)測。采用 BGK-4000 型振弦式弧焊型應(yīng)變計(jì)內(nèi)置的溫度傳感器監(jiān)測加固后結(jié)構(gòu)柱外包鋼板表面的溫度。采用美國基康公司生產(chǎn)的BGK408 型振弦式讀數(shù)儀采集。
2.2.1 傳感器布置原則
1)考慮結(jié)構(gòu)柱在商場施工及運(yùn)營期間的溫度變化及受力特點(diǎn)(荷載變化)。
2)結(jié)合裙房結(jié)構(gòu)施工工藝及流程,考慮測點(diǎn)布置與結(jié)構(gòu)施工相互影響。
3)考慮其他影響加固結(jié)構(gòu)柱受力、溫度及施工流程的因素。
2.2.2 傳感器布置方案(見圖 3、圖 4)
圖3 各樓層傳感器布置方案
圖4 -2 層/ -4 層傳感器安裝示意圖
1)豎向每間隔 2 層布置傳感器,共 2 層需要布置(底層已施工完畢)。
2)每層選擇 1 根截面最大的柱子布設(shè)傳感器。
3)每根柱子在柱腳(離樓面約 50 cm 處),沿柱子截面四周布置 4 個傳感器,分別位于 4 塊鋼板表面。
1)各監(jiān)測指標(biāo)的實(shí)際監(jiān)測頻率,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工布置及階段、結(jié)構(gòu)柱環(huán)境溫度及受力特點(diǎn),分階段動態(tài)調(diào)整執(zhí)行。
2)各監(jiān)測指標(biāo)監(jiān)測頻率如表 1 所示。
表1 監(jiān)測頻率表
3)監(jiān)測周期。自傳感器安裝完畢起至國貿(mào)中心商業(yè)裙房施工完畢及試運(yùn)營期間(見圖 5)。
圖5 測點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集照片
選取 2017.11.5~2017.12.24(共 50 d)期間溫度監(jiān)測數(shù)據(jù),以時間為橫坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)柱表面溫度值為縱坐標(biāo),繪制各監(jiān)測結(jié)構(gòu)柱表面溫度時程曲線,如圖 6、圖 7 所示。
圖6 -2 層結(jié)構(gòu)柱表面溫度時程曲線
圖7 4 層結(jié)構(gòu)柱表面溫度時程曲線
圖8 東莞歷史同期溫度時程曲線
通過上述結(jié)構(gòu)柱表面溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)及東莞歷史同期溫度數(shù)據(jù)分析可知:-2 層結(jié)構(gòu)柱表面溫度監(jiān)測開始 0~8 d,柱子表面溫度隨環(huán)境溫度由 21°緩慢上升至24.5°;第 8~21 d,柱子表面溫度隨環(huán)境溫度逐漸下降,且下降速率日趨增大,由 24.5°下降至 16°;第 21~47 d,結(jié)構(gòu)柱表面溫度隨環(huán)境溫度在波動中總體逐漸下降,但下降速率較?。坏?47 d 以后結(jié)構(gòu)柱表面溫度隨環(huán)境溫度呈上升趨勢。4 層結(jié)構(gòu)柱表面溫度從第 15 d 開始監(jiān)測,其變化趨勢與 -2 層結(jié)構(gòu)柱基本一致。
上述結(jié)構(gòu)柱表面溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)與東莞歷史同期環(huán)境溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致,表明結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度受環(huán)境溫度影響較大,兩者變化規(guī)律基本一致。其主要原因是構(gòu)件混凝土澆筑凝結(jié)一定時間后,其水化放熱量較小,構(gòu)件熱量特性主要受環(huán)境溫度場影響。當(dāng)場地內(nèi)無較大施工熱源產(chǎn)生時,構(gòu)件溫度特性取決于環(huán)境溫度場。
選取 2017.11.5~2017.12.24(共 50 d)期間各監(jiān)測結(jié)構(gòu)柱加固鋼板表面應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù),以時間為橫坐標(biāo)、應(yīng)力值為縱坐標(biāo),繪制各監(jiān)測結(jié)構(gòu)柱表面應(yīng)力時程曲線,如圖 9、圖 10 所示。
圖9 -2 層監(jiān)測結(jié)構(gòu)柱加固鋼板表面應(yīng)力時程曲線
圖10 4 層監(jiān)測結(jié)構(gòu)柱加固鋼板表面應(yīng)力時程曲線
通過上述結(jié)構(gòu)柱加固鋼板表面應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知。
1)-2 層監(jiān)測結(jié)構(gòu)柱加固鋼板始終處于受壓狀態(tài),結(jié)構(gòu)柱加固鋼板各測點(diǎn)表面應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測開始 0~8 d,加固鋼板表面應(yīng)力增長迅速,其中增長最快測點(diǎn) -2 層 -3 由 0 增至 108.6 MPa;第 8 d 以后,柱加固鋼板表面應(yīng)力趨于平穩(wěn),未見明顯波動。
分析上述數(shù)據(jù)變化原因,主要是由于-2 層結(jié)構(gòu)柱各測點(diǎn)安裝較晚(已完成灌漿數(shù)日),鋼板與原結(jié)構(gòu)柱中間高強(qiáng)度灌注漿體已逐漸凝固硬化,加固鋼板與原結(jié)構(gòu)柱協(xié)同工作機(jī)制逐漸建立,共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載,因而第 0~8 d 應(yīng)力發(fā)展迅速;后續(xù)加固鋼板與原結(jié)構(gòu)柱共同工作,應(yīng)力重分布完成,因?yàn)槭芰呌诜€(wěn)定。
2)4層監(jiān)測結(jié)構(gòu)柱表面應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測開始 0~12 d,加固鋼板各測點(diǎn)處于受壓狀態(tài),表面應(yīng)力值逐漸增大,但增幅較小,增幅最大測點(diǎn) 4 層-3 應(yīng)力值為 11.4 MPa;第 12~16 d,加固鋼板各測點(diǎn)表面應(yīng)力值由負(fù)變正,反映其受力狀態(tài)“由受壓變?yōu)槭芾?,且變化速率較大;第 16 d 以后,柱加固鋼板表面應(yīng)力趨于平穩(wěn),未見明顯波動。
4 層各測點(diǎn)安裝時還未注漿,0~12 d 處于加固初期,由于鋼板與原結(jié)構(gòu)柱中間高強(qiáng)度灌注漿體尚處于塑性狀態(tài),鋼板與原結(jié)構(gòu)柱之間的協(xié)同工作機(jī)制暫未建立,加固鋼板主要通過上部固定端傳來的部分豎向荷載,因而處于受壓狀態(tài),且應(yīng)力值增長較??;12~16 d,隨著鋼板與原結(jié)構(gòu)柱中間高強(qiáng)度灌注漿體逐漸凝固硬化,加固鋼板與原結(jié)構(gòu)柱緊密結(jié)合,兩者協(xié)同工作機(jī)制逐漸建立,發(fā)生應(yīng)力重分布,因而應(yīng)力值變化較快;同時由于 4 層監(jiān)測柱緊鄰電梯井,在上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜荷載作用下,有向電梯井凌空一側(cè)變形趨勢,從而導(dǎo)致柱底呈受拉狀態(tài)。
圖11 -2 層各測點(diǎn)加固鋼板表面應(yīng)力-溫度關(guān)系曲線
綜合對比圖 7~圖 12 可知:結(jié)構(gòu)柱表面應(yīng)力-溫度變化曲線變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)柱表面應(yīng)力時程曲線一致,與結(jié)構(gòu)柱表面溫度時程曲線變化規(guī)律未呈現(xiàn)明顯相關(guān)性。分析其原因,首先是由于監(jiān)測結(jié)構(gòu)柱處于建筑物內(nèi)部,且監(jiān)測時間區(qū)段總體處于同一個季節(jié)內(nèi),溫度變化差異性不大;其次,結(jié)構(gòu)柱表面加固鋼板,受到鋼板與原結(jié)構(gòu)柱中間灌注漿體高強(qiáng)度約束,與混凝土協(xié)調(diào)變形,熱脹冷縮效應(yīng)較小。
圖12 4 層各測點(diǎn)加固鋼板表面應(yīng)力-溫度關(guān)系曲線
本文針對東莞國貿(mào)中心商業(yè)裙房使用功能改變及上部結(jié)構(gòu)變更,導(dǎo)致其大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)柱承載力不足,需進(jìn)行濕式外包鋼加固這一實(shí)際工程問題,開展加固后結(jié)構(gòu)柱受力性能監(jiān)測研究,基于監(jiān)測結(jié)果分析檢驗(yàn)加固效果,驗(yàn)證加固設(shè)計(jì)計(jì)算的科學(xué)合理性,相關(guān)結(jié)論如下。
1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度變化趨勢總體受環(huán)境溫度影響較大,變化趨勢兩者基本一致。隨著東莞入冬氣溫逐步降低,-2 層和 4 層結(jié)構(gòu)柱中的溫度總體均呈現(xiàn)下降趨勢。
2)鋼板與原結(jié)構(gòu)柱之間協(xié)同工作機(jī)制的建立取決于鋼板與原結(jié)構(gòu)柱中間高強(qiáng)度灌注漿體強(qiáng)度的發(fā)展:隨著灌注漿體強(qiáng)度的逐漸增大,兩者之間的傳力路徑逐漸建立,協(xié)同作用越發(fā)顯著,鋼板參與承擔(dān)上部豎向荷載效果增加,表現(xiàn)為應(yīng)力逐漸增大。
3)本項(xiàng)目基于現(xiàn)有 GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行大尺寸混凝土柱濕式外包鋼加固設(shè)計(jì)是可行的,但建議同步開展施工及使用階段構(gòu)件受力監(jiān)測,以確保設(shè)計(jì)目的的達(dá)成。Q