1、外包鋼加固軸心受壓混凝土柱的受力性能分析張XX摘 要：本文主要研究了濕式外包角鋼軸心受壓柱在不同應力水平條件下加固后的強度與變形的變化特征，并進行了外包鋼加固后可靠度計算方法的探討，通過對應力水平分別為0，30%，50%，70%，80%的外包鋼軸心受壓混凝土柱分別改變角鋼截面尺寸的軸心受壓混凝土柱的研究，表明:外包鋼混凝土柱軸心抗壓承載能力明顯高于原構件，加固前的混凝土應力水平及外包角鋼的截面積對其承載力有一定的影響，加固后的極限承載力隨著加固前應力水平的增大而減小，同時也隨著外包角鋼截面尺寸的增大而增大。最后，本文在已有的一些加固結構承載力計算方法的基礎上，考慮混凝土柱加固前的應力水平及外包

2、鋼尺寸的影響，提出了較為實用的濕式外包鋼鋼筋混凝土軸心受壓柱的承載力計算公式，并初步探討了外包鋼加固后的可靠度分析方法，所得結果均能比較準確地反映不同應力水平下的濕式外包鋼加固柱的極限承載力變化規(guī)律。關 鍵 詞：外包鋼；軸心受壓；應力水平鋼筋混凝土結構由于強度高、可模性好、耐火性好、造價低等優(yōu)點，在我國建筑業(yè)中被廣泛應用，公共建筑及絕大部分高層建筑均為鋼筋混凝土結構。實事上，工程結構在設計、施工、使用階段，會由于多種因素而不能完全滿足基本功能要求。當建筑物不能滿足或喪失某項或幾項功能要求，為恢復其原有功能，就應及時進行維修和加固。在眾多的加固方法中，外包鋼加固法1尤為適用于被加固的構件截面尺寸

3、受到較嚴格控制，而要較大幅度地提高承載力的情況，同時，外包鋼加固法還具有施工簡便，現(xiàn)場工作量較小和受力可靠等優(yōu)點，因而，在結構補強領域受到極大關注。外包鋼加固法是一種使用較廣泛的傳統(tǒng)加固方法，早在1985年，任富棟、梁少雄、田家弊等人就進行了鋼筋混凝土框架柱外包角鋼加固的試驗研究；1991年，能源部華北電力設計院、能源部電力建設研究所及中國建筑科學研究院又共同作了關于外包鋼混凝土結構的綜述報告，這為我國外包鋼混凝土結構研究奠定了一定的基礎。我國是世界上混凝土結構房屋最多的國家，房屋混凝土結構量大面廣。據(jù)國家統(tǒng)計局1986年底的統(tǒng)計，我國城鎮(zhèn)現(xiàn)有房屋面積46.8億平方米，到2000年至少有50%

4、，即23.4億平方米的房屋將因接近設計規(guī)定的基準使用期，房屋的使用功能將不能滿足要求，安全性降低，需要維修加固。已有的外包鋼加固混凝土結構的計算方法，對于受壓承載力的計算，均未詳細結合考慮應力歷史的計算公式，即在已有的荷載下，使受壓柱產(chǎn)生宏觀裂縫，并且在不同的裂縫發(fā)展時期，保持在此荷載不變的情況下，采取對裂縫化學灌漿，再外包角鋼加固，使鋼筋混凝土受壓柱與角鋼共同作用，其強度與變形的研究至今仍未發(fā)現(xiàn)。本文主要研究軸心受壓混凝土柱在不同應力水平下，改變外包角鋼的截面尺寸，得到加固后混凝土柱的承載力。通過受力性能的分析，可給有損傷建筑物的維修加固提供試驗依據(jù)。并為進一步研究有應力歷史的鋼筋混凝土構件

5、加固理論和計算方法給予支持。1. 加固結構模型的受力特征1.1 二次受力加固前，原結構已經(jīng)載荷受力，具有一定的應力應變水平，此為第一次受力。加固時，新加固的角鋼和原結構共同承擔新增加的外荷載，但是，在新增加的外荷載施加到結構上之前，角鋼處于零應力應變狀態(tài)。在新增荷載作用下，即第二次加載情況下，角鋼開始受力，因此，加固結構新加部分的應變始終滯后于原結構的累計應變。當結構達到極限狀態(tài)時，角鋼的應力應變可能還很低，達不到自身的設計強度，角鋼應力的高低，與包鋼時柱子的受荷狀態(tài)，即柱子的應力水平直接相關。21.2 加固結構共同工作加固結構受力時，尤其當結構臨近破壞時，結合面會出現(xiàn)拉、壓、彎、剪等復雜應力

6、，特別是受彎或偏壓構件的剪應力，有時可能相當大。加固結構新、舊兩部分整體工作的兼鍵主要在于結合面能否有效的傳遞和承擔這些應力，而宜變形不能過大。結合面?zhèn)鬟f壓力一般不存在問題，主要是剪力和拉力?；炷两Y合面所具有的粘結抗剪和抗拉能力，有時遠遠不能滿足受剪和受拉要求，因此，結合面的受力性能總是一個薄弱環(huán)節(jié)。四川省建筑科學研究院通過試驗提出:即使是軸心受壓，加固柱的初始縱向裂縫也總是最先出現(xiàn)在結合面，致使新、舊兩部分過早分離而單獨受力，或產(chǎn)生過大變形降低了結構整體剛度，因此，加固柱試驗破壞荷載比整澆柱要低。實用設計中，加固結構承載力的這一降低因素可采用截面組合系數(shù)中(或稱共同工作系統(tǒng))、予以考慮。根

7、據(jù)有關試驗研究，中值主要與結合面構造處理和施工方法有關。通常取值在0.8-1之間。31.3 加固結構基本假定4 加固后，組合結構的承載力同新加部分與加固時原結構的應力差值直接相關，與原結構的極限變形值有關，與兩部分材料的應力應變有關。從理論上講，只要這些關系確定，加固結構的承載能力就可以用分析的方法求解。今參照混凝土結構設計規(guī)范GBJ10-89規(guī)定，加固結構截面承載力按下列基本假定進行計算分析:（1）平截面假定。（2）混凝土受壓的應力與應變曲線采用曲線加直線段形式，按下式計算當c0時，c=fc1-(1-c/0)n （1）當0ccu時，c=fc （2）式中fc混凝土的抗壓強度；0混凝土壓應力剛達

8、到fc時的壓應變；cu混凝土極限壓應變。（3）加固結構承載能力極限狀態(tài)是以截面變形達到下列情況之一時表示:當原混凝土或新加混凝土壓應變達到混凝土極限變形值時；當原鋼筋或新加鋼筋拉應變達到鋼筋極限變形值時；當混凝土達到Ec及鋼筋達到Ea時。2. 加固結構的受力性能分析2.1 構件材料及尺寸（1）混凝土柱的截面尺寸為120mm120mm，混凝土力學性能指標見表1。表1 混凝土力學性能指標4混凝土強度等級面積/mm2抗壓強度設計值/kPa彈性模量/MPaC251440011.92.80104（2）采用兩種規(guī)格的Q235角鋼，一種為30303，另一種為25252。角鋼的指標見表2。表2 角鋼力學性能指

9、標5角鋼類型面積/cm2抗壓強度設計值/kPa彈性模量/MPaL252523.042352.1105L303037.002352.11052.2 未加固結構的極限承載力根據(jù)己有的試驗結果分析，在進行抗壓承載能力計算時，鋼筋混凝土壓應力值可取fc，再考慮到穩(wěn)定系數(shù)值的影響，按內(nèi)外力平衡條件可得到混凝土柱軸心受壓承載力計算公式:N（Asfs+Afc） （3）式中，N軸心壓力設計值； 穩(wěn)定系數(shù)； A混凝土截面積，一般可采用構件截面面積； fc混凝土軸心抗壓強度設計值； A全部縱向鋼筋的截面面積； fs縱向鋼筋的抗壓強度的設計值。本次研究共進行了3根混凝土柱的破壞試驗，其試驗結果見表3。其荷載與應變的

10、關系如圖1。表3 未加固結構的極限承載力編號123平均承載力/kN307.5337.5315.0320圖1 未加固結構荷載與縱向應變關系曲線187.5 kN時此三根不包鋼混凝土柱柱頭均豎向和斜向出現(xiàn)裂縫，在此后的繼續(xù)加載過程中，裂縫繼續(xù)開展，直至破壞。破壞部位均發(fā)生在柱頭，破壞時，柱頭混凝土大塊剝落，柱內(nèi)的縱筋和箍筋暴露，柱頭處第一、二箍筋間的縱筋被壓彎，并向外鼓出。從應力應變圖上可以看出在混凝土柱出現(xiàn)裂縫前，即荷載低于187.5 kN時，柱頭和柱中的應變基本上一致；由于裂縫大多出現(xiàn)在柱頭處，故混凝土柱開裂后，柱頭的應變會增加很快，與柱中的應變不再同步。從應力應變圖中，看出在荷載小于125 k

11、N時，荷載應變呈直線關系，說明此時的混凝土仍處于線彈性階段；此后，隨著荷載的增加，應變繼續(xù)增大，并且應變的增加速度超過了荷載的增加速度，此時，應力應變呈曲線關系。2.3 加固結構的極限承載力本次研究分了五個應力水平，即分別在極限荷載的0， 30%， 50%，70%，80%，加載條件下穩(wěn)壓包鋼，共15個試件。用六道角鋼箍箍在包鋼混凝土柱上，箍的位置如圖2，上、下柱端各一道箍，距上、下柱頭100mm處各一道箍，其余中間箍間距為200mm，角鋼與混凝土柱之間用環(huán)氧樹脂粘結。圖2 外包鋼加固混凝土柱表4 加固結構的極限承載力應力水平030%50%（25）50%（30）70%80%1462.5437.5

12、400490400387.52437.5400512.54254403495.5462.5525400圖3 應力水平50%時荷載與縱向應變關系曲線圖4 應力水平70%時荷載與縱向應變關系曲線從表中可以看出，包鋼混凝土柱與未包鋼混凝土柱相比，承載力有很大幅度的提高。加大外包角鋼截面尺寸，加固柱的承載力顯著提高，與不包鋼混凝土柱相比，承載力提高了59.1%，與相同應力水平下的改變鋼箍間距及改變角鋼尺寸為L25252的混凝土柱相比，承載力分別提高了34%和21%柱頭混凝土被壓酥；角鋼與混凝土柱表牢固粘結，破壞后很難將角鋼與混凝土柱分離，破壞時，角鋼的應變值小于截面為L25252的角鋼的破壞應變值。2

13、.4 極限承載力統(tǒng)計及分析表5 極限承載力統(tǒng)計應力水平/%角鋼規(guī)格極限荷載力/kN極限承載力提高/%0L25252462.544.530L25252455.842.550L25252420.831.550L30303509.259.170L25252412.528.980L25252409.227.9從表中可以看出，包鋼加固后，混凝土柱的承載能力有了很大提高，最高的提高量可達59。1% 。在角鋼尺寸相同的條件下，承載力的提高值隨加固前混凝土的應力水平的提高而降低。這是因為外包角鋼構架只是對混凝土柱后續(xù)橫向變形加側向約束并與混凝土柱共同受力，由混凝土材料的物理性能可知，包鋼前混凝土的應力水平越高

14、，混凝土柱內(nèi)部裂縫就開展越充分，變形更接近其極限變形，鋼構架側向約束所控制的變形區(qū)段越小，自然包鋼加固后的承載力提高得也就越小。加大角鋼載面積，加固柱的承載能力有很大提高。3. 結論本文通過對不尚應力水平的鋼筋混凝土軸心受壓柱外包角鋼加固后的強度和變形特性的試驗研究，得出以下結論: （1）試驗表明，鋼筋混凝土軸心受壓柱經(jīng)外包角鋼加固后，它的承載力獲得了很大的提高，提高值最大可達到59.1%，即原鋼筋混凝土軸心受壓柱的極限承載力為320 kN，但用L30303的角鋼外包加固后，其承載力上升到509.2 kN 。 （2）試驗表明，對相同截面尺寸和相同配合比的混凝土柱，在相同的應力水平條件下，加大外包角鋼的截面尺寸，對整個混凝土柱的承載力有很大提高。比如，在應力水平為150 kN，即應力水平為50%的極限荷載時，包鋼加固后，混凝土柱的承載力最大可達到525 kN。