摘要：由于承载力不足和使用功能的改变等因素导致钢筋混凝土柱需要进行加固改造。介绍目前土木工程施工中常见的钢筋混凝土柱加固方式,阐述各种加固方法的原理和优缺点,为工程应用提供参考。
关键词：钢筋混凝土柱; 加固技术; 分析;
0 引言
在结构柱中最为常见的就是钢筋混凝土柱。在实际工程中常常因为设计不周、施工质量差、施工现场管理不善等原因,导致RC柱的人为缺陷。在使用过程中,RC柱会由于侵蚀性介质的腐蚀、钢筋的锈蚀等出现耐久性问题,建筑物改变使用功能、荷载增加,民用建筑中房屋结构加层改造、工业厂房中的设备增设及公路、铁路桥梁因为设计荷载的增加需要带来承载力不足,加上原有抗震设计标准较低,抗震性能与现行抗震规范要求相差较大,地震、火灾等偶然因素也会引起混凝土柱的抗震性能不良等诸多影响其安全和使用功能的问题非常普遍。同时,虽然我国建筑物的设计基准期为50年,但限于我国国情,建国初期建成的大量建筑物己逐渐接近或超过50年,其中的大部分仍不可能推倒重建。这就迫切需要采取切实有效的加固改造方法来大幅提高结构柱的承载力,同时又显著改善其抗震性能。
随着土木工程施工技术的发展和新材料的开发利用,钢筋混凝土柱的加固方式也越来也多。常见的加固方法有增大截面加固法、外包钢加固法、外粘FRP材料加固法、预应力加固法和复合加固法等多种方法,下面对几种常用的加固方法作简要介绍。
1 增大截面加固法
增大截面加固法作为一种传统的加固方法,是通过增大构件或者建筑物的截面面积和配筋来提高其强度、刚度、稳定性以满足构件正常使用要求的一种加固方法。增大截面法有四周包裹、单面加固和双面加固等不同形式。四周包裹是在柱四周浇筑混凝土,在主要承受轴向力的结构应用较多,单面或双面主要针对同时又承受较大弯矩的柱结构,在主受力面进行增大。特别在抗震设防地区,这可使原来的强梁弱柱变为有利于抗震的强柱弱梁结构。
增大截面法加固柱与普通混凝土构件在受力性能上有所不同,这是因为在增大截面加固时,一般无法进行完全卸载,被加固柱在加固前已经承受荷载,截面内已经产生了一定的应力和应变。新加部分在加固后并不能立即分摊原已施加于被加固柱上的荷载,而只能是在新增荷载作用下才开始与被加固柱共同工作,承担荷载。这样加固后新加部分的应变始终滞后于原柱。当被加固柱达到极限状态时,新增加钢筋和混凝土性能无法得到充分发挥,直接带来后加固材料的利用率不高等问题,加固之前混凝土柱的应力水平越高,加固效果就越差。
2 外包钢加固法
外包钢加固混凝土柱,就是在柱的四角包以型钢的加固方法。其优点是施工简便,现场工作量较小,受力较为可靠。按照施工工艺的不同,外包钢加固法可分为湿式和干式外包钢两种。其中干式外包钢加固就是把型钢直接外包于原构件,或虽然填塞有水泥砂浆,但不能保证结合面有效地传递剪力。湿式外包钢加固法,是在外包型钢和原构件之间留有一定的间隙,并在其间填灌乳胶水泥浆或细石混凝土,使二者粘结成整体,协同工作,工程中一般多采用湿式加固方法。
外包钢加固构件的截面尺寸一般扩大不多,但其承载力提高幅度较大,且由于横向外包钢的约束作用,构件的延性也有较大提高。该加固方法适用于原构件截面尺寸不允许有较大增长,却又要求大幅度地提高截面承载能力的混凝土结构加固。
3 外粘FRP材料加固法
粘贴FRP(Fiber Reinforced Plastic)材料加固法是20世纪80、90年代在国外兴起的一种新型加固技术,它利用树脂类胶结材料将碳纤维织物粘贴于混凝土表面来达到对结构补强加固及改善结构受力性能的目的。现阶段在土木工程中研究和应用较广的主要有碳纤维增强聚合物(CFRP)、玻璃纤维增强聚合物(GFRP)、芳纶纤维增强聚合物(AFRP)和玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)等。
将FRP材料水平包裹或缠绕于混凝土构件的外围,当构件承受竖向荷载时而发生横向变形时,FRP可为混凝土被动提供约束力,从而提高核心混凝土的极限抗压强度和极限应变,从而改善混凝土柱的受力性能。FRP加固能有效改变混凝土柱的破坏模式,避免发生延性较差的剪切破坏,显著改善混凝土变形能力,同时这与其他传统加固方法相比,外粘纤维增强塑料加固法虽然具有耐腐蚀、量轻(几乎不增加结构自重)、强度高、维护费用较低等优点,适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物,但其加固后结构延性较差,变形能力不足;另外,由于粘贴纤维材料底部树脂为环氧类结构胶,对温度要求较高,易老化,需要专门的防火处理等问题存在。同时,由于单一FRP无法满足结构加固的需要,近年来国内外对混杂纤维复合加固也进行了研究与应用。为了提高FRP材料的利用率,对FRP材料在加固前施加一定的预应力也逐渐成为研究的一个热点。
4 预应力加固法
采用预应力加固法的主要思想就是施加一部分预先设想的力或变形,来减小或抵消不希望出现的力和变形,预应力法加固按加固对象的不同,分为预应力拉杆加固和预应力撑杆加固。预应力拉杆加固法适用于大偏心受压构件的加固,钢拉杆布置在受压构件的受拉侧,施加预应力后,能降低构件的内力,提高构件的承载力。轴心受压柱应在加固柱两侧设置压杆肢;对于小偏心受压柱,压杆肢设置在压力较大侧。此法主要适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性及加固后占空间小的混凝土承重结构,尤其是高应力状态下的大跨结构,如钢筋严重锈蚀柱等。但这种方法的缺点是在施工时需要有专门的预应力设备,施工工序较为复杂。
由于桥梁结构自重较大,且跨度一般较大,预应力加固方法因其内在的优势致使其在桥梁加固工程中应用较多,关于预应力加固方法的相关研究国内外也开展较多。
5 结语
钢筋混凝土柱的加固方式随着施工工艺和新材料的开发不断发展,通过对常用钢筋混凝土柱加固方法的分析发现,增大截面加固法工艺简单,施工方便,应用较为普遍。但是,用于加固钢筋混凝土桥墩柱时会由于加固柱刚度的增加导致柱子分担的荷载增大,需要进行优化分析;外包钢加固法施工简便,受力较为可靠,但是外包型钢利用率不高;粘贴FRP加固法能改变混凝土的受力状态,提高其承载力和变形能力,但是加固柱的延性提高程度不显著;预应力加固法受力机理明确,但是施工工序较为复杂。各种加固方式都有相应的优缺点,实际工程应用中应结合具体情况采用合适的加固方式。
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