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1、7钢筋混凝土受压构件加固,本 章 提 要本章论述了混凝土柱的破坏及原因，介绍了增大截面法、外包钢法、预应力加固法等加固方法。对这些方法不仅要掌握承载力的计算方法，而且应熟知其构造要求。,7.1混凝土柱的破坏及原因分析,混凝土柱破坏特征钢筋混凝土柱的破坏形态可分为受压破坏(包括轴压柱和小偏压柱)和受拉破坏(大偏压柱)两类。轴压柱破坏特征小偏心受压柱破坏特征大偏心受压柱破坏特征,轴压柱破坏特征,轴心受压往的受力过程为，在较大外载作用下首先出现大致与荷载作用方向平行的纵向裂缝，而后保护层混凝土起皮一剥落一混凝土被压碎一崩裂。上述过程随往中钢筋布置不同而稍有差异。例如，当混凝土保护层较薄，箍筋间距较大
2、时，钢筋外围的混凝十保护层出现起皮、劈裂或剥落后，钢筋很快地被压鼓成灯笼状。这种破坏带有很大的突然性，破坏时构件的纵向变形很小。,1）轴压柱的破坏特征,小偏心受压柱破坏特征,小偏心受压柱的破坏，发生在构件截面中压应力最大的一侧。一旦这一侧的混凝土出现纵向裂缝，柱子即己临近破坏，而这时受力较小一侧的钢筋可能受压，也可能受拉，但均未达到屈服。如果钢筋受拉，破坏前可能产生横向裂缝，但裂缝不可能有显著发展，以致临近破坏时，压区的应变增长速度大于拉区，使受压区高度略有增大。如果受力较小一侧的钢筋处于受压状态，则这一侧在破坏前没有任何外观表现。总之，小偏心受压构件的破坏没有明显的预兆。如果发现压区混凝土表
3、面有纵向裂缝，则构件已经非常危险，接近于破坏.,2）小偏心受心柱的破坏特征,大偏心受压柱破坏特征,对于大偏心受压往，在荷载作用下受拉一侧柱的外表面首先出现横向裂缝，随着荷载的增长，裂缝不断开展、延伸，破坏前主裂缝明显。受拉钢筋的应力达到受拉屈服极限，随之拉区的横向裂续迅速开展，并向压区延伸，导致压区面积迅速缩小，最后受压区的混凝土出现纵向裂缝，发生混凝土压碎破坏。破坏区段内受拉一侧的横向裂缝开展较宽，而受压一侧的钢筋一般也可达到受压屈服极限。但在某些情况下，如受拉钢筋用量较少或受压钢筋设置不当(离中和轴太近)时，则受压钢筋的应力也可能达不到受压屈服极限。,3）大偏心受压柱的坏特征,综上所述，钢
4、筋混凝土柱除大偏心受压破坏具有较明显的外观表现之外，轴心受压和小偏心受压的破坏预兆均不明显，都属脆性破坏。同时，无论何种受压状态，当在受压一侧发现纵向裂缝或保护层剥落时，钢筋混凝土柱已临近破坏，应尽快采取加固措施。在加固时，判明钢筋混凝土接的受力特征是极为重要的。如果是大偏心受压，则对往的受拉一侧进行加固是较为有效的，如果是小偏心受压，则应着重对柱的受压较大一例进行加固。,混凝土柱承载力不足的原因,（1）设计不周或错误(如荷载漏算、截面偏小、计算错误等)。（2）施工质量差。（3）施工人员业务水平低下，工作责任心不强。（4）施工现场管理不善。（5）地基不均匀下沉。其他原因:例如，因火灾烧酥了混凝
5、土，并使钢筋强度下降；因遭车辆等突然荷载碰撞，使柱严重损伤；因加层改造上部结构，或改变使用功能使柱承受荷载增加等，都将可能导致柱的承载力不足。,7.2增大截面法加固混凝土柱,增大截面法又称外包混凝土加固法，是一种常用的加固柱的方法。由于加大了原柱的混凝土截面积及配筋量，因此这种方法不仅可提高原柱的承载力，还可降低柱的长细比，提高柱的刚度，取得进一步的加固效果。具体加固方法有四周外包、单面加厚和两面加厚等加固方法。,在原柱四周浇灌钢筋混凝土外壳的加固方法，称为四周外包混凝土加固法(如图7.1（a）、(b)、(c)。图7.1(b)是将原柱的角部保护层打去，露出角部纵筋，然后在外部配筋，浇筑成八角形
6、，以改善加固后的外观效果。四周外包加固法的效果较好，对于提高轴心受压柱及小偏心受压柱的受压能力尤为显著。当柱承受的弯矩较大时，往往采用仅在与弯矩作用平面垂直的侧面进行加固的办法。如果柱子的受压面较薄弱，则应对受压面进行加固(如图7.1(d)所示)，反之，应对受拉面进行加固(如图7.1(e)所示)；不少情况，则需两面都加固(如图7.1(f)所示)。,构造及施工要求,加固柱的构造设计及施工应特别注意如下几点：（1）当采用四周外包混凝土加固法时，应将原柱面凿毛、洗净。（2）当采用单面或双面增浇混凝土的方法加固时，应将原柱表面凿毛，凸凹不平度6mm，并应采取下述构造措施中的一种。当新浇层的混凝土较薄时
7、，用短钢筋将加固的受力钢筋焊接在原柱的受力钢筋上(如图7.2(c)所示)。当新浇层混凝土较厚时，应用U形箍筋固定纵向受力钢筋，U形箍筋与原柱的连接可用焊接法(如图7.2(d)所示)，也可用锚固法(如图7.2(e)所示)。（3）新增混凝土的最小厚度60mm,用喷射混凝土施工时不应小于50mm。（4）新增纵向受力钢筋宜用带肋钢筋，最小直径应14mm,最大直径应25mm。（5）新增纵向受力钢筋应锚入基础，柱顶端应有锚固措施。框架柱加固中，受拉钢筋不得在楼板处切断，受压钢筋应有50穿过楼板。新浇混凝土上部与大梁的底面间需确保密实，不得有缝隙。,受力特征,试验表明，只要新旧柱结合面粘结可靠，在后加荷载作
8、用下，新旧混凝土的应变增量基本一致，整个截面的变形符合平截面假定。对于大偏心受压柱，由于新加部分位于构件的边缘，在后加荷载作用下，其应变发展较原柱快,这部分地弥补了新柱的应变滞后。此外，由于新加部分对原柱的约束作用和新旧柱之间的应力重分布，新加部分承载力的降低较轴心受压柱小。,对于轴心受压柱，新旧混凝土间存在着明显的应力重分布。试验表明，应力水平低的新混凝土对应力水平高的原柱会产生约束作用，并且新旧混凝土间的应力、应变差距越大，这一约束作用越大。亦即在原柱混凝土的应变达到0.002时，混凝土并没有立即破碎。但这种约束作用，不能完全弥补新柱应变滞后对加固柱承载力的降低。因此，混凝土结构加固规范说
9、明中指出：在加固时当原柱的轴压比处在0.10.9范围，则原柱混凝土极限压应变达0.002时，新加混凝土的应力比其强度设计值fc小得多，且其比值约在0.990.53范围内变化。考虑到抗震规范对柱轴压比的限制和在加固施工时已卸除一部分外载，故折减系数不会太小。为简化计算，加固规范建议取为定值，轴心受压时取0.8，偏心受压时取0.9。,截面承载力计算方法,采用增大截面加固钢筋混凝土轴心受压构件（图）时，其正截面受压承载力应按下式确定：,图5.4.1 轴心受压构件增大截面加固,截面承载力计算方法,（）式中N构件加固后的轴向压力设计值；构件稳定系数，根据加固后的截面尺 寸，按现行国家标准混凝土结构设计规
10、范GB50010的规定值采用；和 构件加固前混凝土截面面积和加固后新增部分混凝土截面面积；、新增纵向钢筋和原纵向钢筋的抗压强度设计值；新增纵向受压钢筋的截面面积；综合考虑新增混凝土和钢筋强度利用程 度的修正系数，取 值为0.8。,5.4.2 采用增大截面加固钢筋混凝土偏心受压构件时，其矩形截面正截面承载力应按下列公式确定（图）：,图5.4.2 矩形截面偏心受压构件加固的计算注：当为小偏心受压构件时，图中s0可能变向,式中 新旧混凝土组合截面的混凝土轴心抗压 强度设计值，可按 确定;、分别为新旧混凝土轴心抗压强度设计值;原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋应 力;当算得 时,取;受拉边或受压较小边的
11、新增纵向钢筋应 力;当算得 时,取;原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋截 面面积;原构件受压较大边纵向钢筋截面面积；,偏心距，为轴向压力设计值N的作用点至新 增受拉钢筋合力点的距离，按本节第条 确定；原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋合力点 到加固后截面近边的距离；原构件受压较大边纵向钢筋合力点至加固后 截面近边的距离；受拉边或受压较小边新增纵向钢筋合力点至 加固后截面近边的距离；受压较大边新增纵向钢筋合力点至加固后截 面近边的距离；受拉边或受压较小边新增纵向钢筋合力点至 加固后截面受压较大边缘的距离；原构件截面有效高度。,7.3外包钢加固混凝土柱,概述所谓外包钢加固，就是在方形混凝土柱的周围包以
12、型钢的加固方法。加固的型钢在横向用缀板连成整体。对于圆柱、烟囱等圆形构件，多用扁钢加套箍的办法(如图7.5所示)。习惯上，把型钢直接外包于原柱(与原柱间没有粘结)，或虽填塞有水泥砂浆但不能保证结合面剪力有效传递的外包钢加固方法称为干式外包钢加固法(如图7.5(b)、(c)。在型钢与原柱间留有一定间隔，并在其间填塞乳胶水泥浆或环氧砂浆或浇灌细石混凝土，将两者粘结成一体的加固方法称为湿式外包钢加固法(如图7.5(a)所示)。经外包钢加固后，混凝土柱不仅提高了承载力，又由于柱的核芯混凝土受到型钢套箍和缀板的约束，柱子的延性也得到了提高。,湿式外包钢加固设计,湿式外包钢加固设计采用湿式外包钢加固法时，
13、型钢粘结于原柱，使原柱的横向变形受到型钢骨架的约束。同时，混凝土的横向变形又对型钢产生侧向挤压，使外包型钢处于压弯状态，导致型钢抗压承载力的降低。此外，如同上节中的外包混凝土加固一样，后加的型钢亦存在应力滞后现象，影响型钢作用的充分发挥。因此，在湿式外包钢加固设计时，型钢的设计强度应予折减。湿式外包钢加固柱的正截面承载力可以按整截面计算，但对外包型钢的强度设计值应乘以折减系数。混凝土结构加固规范规定：受压角钢的折减系数为0.9。由于湿式外包钢加固中的后浇层混凝土（或砂浆）较薄，使后浇层与原柱间的粘结受到削弱。在极限状态下，后浇层极有可能先剥落。因此，在加固设计计算中略去了后浇层混凝土的作用。,
14、分别为原构件混凝土和加固型钢的弹性模量；原构件截面惯性距；加固构件一侧外粘型钢截面面积；受拉与受压两侧型钢截面形心间的距离。2）轴心受压柱的承载力对于外粘型钢加固后为轴心受压的柱，截面承载力可按下式计算：新增型钢强度利用系数，抗震取=1.0，其余取0.9。,3）偏心受压柱的承载力计算正截面承载力可按下式计算：,华茂大厦,干式外包钢加固设计,设计原则干式外包钢构架的变形与原柱的变形并不协调，因此在设计加固柱时，宜采用如下设计原则:首先，按各自的刚度将外力分配给外包钢构架和原柱，然后验算原柱的承载力，最后设计钢构架。在分得的外力作用下，原柱的承载力验算方法按混凝土结构设计规范进行，此处不再赘述。,
15、外包钢构架的设计,在所分配给的外力作用下，外包钢构架的设计应包括：肢杆的强度计算，稳定性验算和缀板的设计等。由于外包钢构架不会发生整体失稳现象，因此只需验算单肢杆的稳定性。（1）肢杆的承载力验算在按工程情况及构架构造确定出肢杆的形式及截面积之后，按下式验算肢杆的承载力。Na/AaMa/Wafa(式中Na、Ma分别为外包钢构架应承担的轴力和弯矩；Aa、Wa分别为外包钢构架肢件的总截面面积及截面弹性抵抗矩;塑性系数，当肢杆采用角钢时，取1.2;fa肢杆的抗压强度设计值。,（2）单肢杆的稳定性验算,受压肢杆的稳定性按下式计算：式中肢杆在弯矩作用平面内的轴心受压稳定系数，按钢结构规范取值；压肢的计算长
16、度，对焊接缀板取两缀板间的净长；A1、W1单肢压杆的截面面积和截面弹性抵抗矩；NE弯矩作用平面内的欧拉临界力。I1截面的惯性矩；S0截面的静矩。,（3）缀板设计,从柱中取出脱离体，则可得缀板所受的剪力T及端部弯矩Mz分别为：T=2sV1/cMz=V1s缀板的承载力，按承受上述内力的受弯杆件验算，并应验算缀板与肢杆间的焊缝。焊接应采用三面围焊，水平焊缝的长度不宜小于bz2，焊缝的总长度应大于8hf(hf为焊缝高度)。,构造要求,（1）外包角钢的边长不宜小于25mm；缀板截面不宜小于25mm3mm,间距不宜大于20r(r为单根角钢截面的最小回转半径)，同时不宜大于500mm。（2）外包角钢须通长、
17、连续，在穿过各层楼板时不得断开，角钢下端应伸到基础顶面，用环氧砂浆加以粘锚(如图7.9所示)，角钢两端应有足够的锚固长度，如有可能应在上端设置与角钢焊接的柱帽。（3）当采用环氧树脂化学灌浆外包钢加固时，缀板应紧贴混凝土表面，并与角钢平焊连接。焊好后，用环氧胶泥将型钢周围封闭，并留出排气孔，然后进行灌浆粘结。（4）当采用乳胶水泥砂浆粘贴外包钢时，缀板可焊于角钢外面。乳胶含量应不少于5%。（5）型钢表面宜抹厚25mm的13水泥砂浆保护层，亦可采用其他饰面防腐材料加以保护。,7.4柱子的预应力加固法,概述所谓预应力加固柱，是指柱子在加固过程中，对加固用的撑杆施加预顶升力，以期达到卸除原柱承受的部分外
18、力和减小撑杆的应力滞后，充分发挥其加固作用。对撑杆施加预顶升力的方法有纵向压缩法和横向收紧(校直)法。本节的预应力加固法的施工工艺与6.3节中的预应力法基本相同，但两者在受力上有差异：本节是在柱的加固过程中对撑杆施加预顶力，加固后撑杆与原柱共同抵抗外力，而6.3节中的预应力撑杆是为了加固梁，加固后撑杆是独立工作的。因此，它们的承载力及顶升量的计算也是不同的。,通常，对于轴心受压柱，应采用对称双面预应力撑杆加固;对于偏心受压柱，一般仅需对受压边用预应力撑杆加固，而受拉边多采用非预应力法加固。一般情况下，采用预应力撑杆加固柱子应对加固后的柱子进行承载力计算和撑杆施工时的稳定性验算。,外加预应力撑杆
19、加固柱 双侧撑杆加固：适用于轴心受压和小偏心受压柱 单侧撑杆加固：适用于弯矩不变的大偏心受压柱,加固柱的承载力计算,轴心受压柱当采用预应力撑杆对称双面加固轴心受压柱时，加固后柱的受压承载力可按下式计算：N(Acfc+Asfy)+1Apfpy式中原柱的稳定系数;Ac原柱的混凝土截面面积,当原柱为钢柱时，Ac0；As原混凝土柱中的受压纵筋总面积,当原柱为钢柱时，As表示钢柱的截面积；fy原混凝土柱中的纵筋抗压强度设计值,当原柱为钢柱时，fy表示钢柱的抗压强度设计值；Ap预应力撑杆的总截面面积；fpy钢撑杆的受压强度设计值；撑杆与原柱的协同工作系数(取0.9)；1撑杆构架的稳定系数。撑杆和缀板的设计
20、按钢结构设计规范进行。,偏心受压柱,预应力撑杆应置于原柱的受压边。值得指出的是，加固后可能会改变原柱的受力特征和破坏形态大偏心受压转变为小偏心受压。用预应力钢撑杆加固的钢筋混凝土偏心受压柱，其正截面承载力可按下式计算:NNu=1fcbx+fyAs-sAs+0.85fpyApNeMu=1fcbx(h01-x/2)+fyAs(h01-as)+0.85fpyAp(h01-ap)Nu、Mu加固柱的抗压承载力和抗弯承载力；Ap、fpy预应力钢加固撑杆的截面面积和抗压强度设计值；s原柱中受拉纵筋的应力，小偏心受压时按式(7.9)计算，大偏心受压时，取fy；0.85钢撑杆受压强度折减系数；ap钢撑杆合力点至
21、原柱受压边缘的距离。其余符号意义同式(7.3)。当小偏心受压时，直接联解式(7.24)和式(7.25)较为困难，因此一般采用试算法，即首先根据构造确定Ap，并算出Nu及Mu。如果加固柱的承载力小于外荷载值(NuN，MuM)，则应加大撑杆的截面面积，直至式(7.24)、式(7.25)得到满足。,预加应力控制值及顶升量计算,预加应力控制值的确定通常，撑杆在施加预应力的过程中尚未形成格构式结构，各肢杆处于独立工作状态，其长细比较大，稳定性较差。因此，在施工时不论对轴心受压柱还是对偏心受压柱，都应控制施加的预应力值，以不使撑杆失稳。由此规定：con21fpy式中con施工时的预压应力控制值(宜控制在5
22、080Nmm2)；2受压肢杆的稳定系数，当用横向收紧(校直)法时，其计算长度取受压肢杆全长之半，长细比不得小于120；当用纵向压缩(顶升)法时，此撑杆全长按格构压杆计算其稳定系数；1经验系数(取0.75)。,竖向顶升量L的计算,当采用千斤顶、楔子等方法对撑杆进行竖向顶升时，顶升量L可按下式计算：L=Lcon/2Ea+a式中Ea钢撑杆的弹性模量；L撑杆的全长；a撑杆端顶板与混凝土间的压缩量(取2 4mm)；con撑杆纵向产生的预应力；2经验系数(取0.9)。随着顶升量L的增大，撑杆应力增加，原柱的应力减小。由于顶撑点处梁的向上变位较小，故式(7.27)略去此变位量。,横向张拉量H的计算,当采用横
23、向张拉(即收紧)的办法使撑杆纵向产生预应力con 时(如图7.11所示)，横向张拉量H按下式计算：H=L/2 2con/(2Ea)+a在弯折撑杆肢时，宜将肢杆中点处的横向弯折量取为H+3mm。施工中只收紧H，以确保撑杆处于预压状态。,1/2,构造要求,（1）预应力撑杆的角钢截面不应小于50mm50mm5mm，压杆肢的两根角钢用缀板连接成槽形截面，也可用单根槽钢作压杆肢。缀板的厚度不得小于6mm，其宽度不得小于80mm，相邻缀板间的距离应保证单个角钢的长细比不大于40。（2）撑杆末端的传力应可靠，图7.12示出了末端的构造做法。图中的传力角钢最后被焊接在预应力撑杆的末端，且其截面不得小于100m
24、m75mm12mm。在预应力撑杆的外侧，还应加焊一块厚度不小于16mm的传力顶板予以加强。,（3）当采用横向收紧法时，应在预应力撑杆的中部对称地向外弯折，并在弯折处用拉紧螺栓建立预应力(如图7.13所示)。单侧加固的撑杆只有一个压杆肢，仍在中点处弯折并采用螺栓进行横向张拉(如图7.14（a）、（b）所示)。（4）在弯折压杆肢前，需在角钢的侧立肢上切出三角形缺口，角钢截面因此受到削弱，应在角钢正平肢上补焊钢板予以加强(如图7.14(c)所示)。（5）拉紧螺栓直径应16mm,其螺帽高度不应小于螺杆直径的1.5倍。（6）在焊接图7.13及图7.14中的连接缀板3时，应采用上下轮流点焊法，以防止因施焊受热而损失预压应力。,
