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）

0 引言

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。

1 工程概況

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

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測方法及技術(shù)

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 傳感器布置

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。

2.3 監(jiān)測頻率及周期

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

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 溫度監(jiān)測結(jié)果分析

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。

3.2 應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果分析

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)。

3.3 應(yīng)力隨溫度監(jiān)測關(guān)系

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

4 結(jié)論

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