钢筋混凝土柱梁外包钢板大筑三重连接加固的应用与研究.doc

钢筋混凝土柱梁外包钢板大筑三重连接加固的应用与研究邹鲜江1、祝亦霖1、王剑2、祝又霖1、王华福1、朱天顺1（1 武汉大筑建筑科技有限公司 武汉 430022；2 中南建筑设计院 武汉 430071）提要钢筋混凝土构件外包钢板加固方法已被广泛应用，该方法的关键是如何保证外包钢板与被加固件的连接效果，大筑公司采用“锚固焊接粘结”三重连接技术使二者很好地连接成一体，达到了同步受力，消除应力滞后的效果。本文就此技术的应用和研究作了较详细的叙述。关键词三重连接；内胀螺栓；焊接；灌注型粘钢胶；同步受力The research and application that wraps, Dazhu tertiary connection of steel plate besides the column beam of reinforced concrete to consolidate/ Zou Xianjiang1, Zhu Yilin1, Wang Jian2, Zhu Youlin1, Wang Huafu1, Zhu Tianshun1 (1 Wuhan Dazhu construction technology Co.Ltd., Wuhan 430014; 2 Central-south architectural design institute, Wuhan 430022)Abstract: It had been applied extensively that reinforced concrete wraps the consolidation method of steel plate besides component, the key of this method is how to guarantee outside bale steel plate and the connection by consdidation effect. We adopt: the anchor-welding-cementation the tertiary connection technology to make both very good connection has reached synchronism into one body to get force, the effect of eliminating stress hysteresis. This paper has made detailed statement for this techonlogys application and research.Key words: tertiary connection, expand bolt, welding adhesive for packing steel and infusing syrup synchronized stress.1 工程应用实例1.1工程概况武汉市某高层建筑，原设计地下二层，地上二十五层，其中13层为商场，以上各层为办公或住宅用途，总高度91米，建筑面积3.6万平米；混凝土部分框支抗震墙结构，框架的抗震等级为二级。施工至第七层结构时，第四层（设备转换层）有部分柱和托梁的混凝土试块强度未达到设计强度，随后又进行了二次钻芯法和回弹超声综合法检测，检验结果也均未达到设计要求，判定为工程质量事故，经过多次研究和认证，决定对不合格的柱和托梁采用混凝土构件外包钢板和植筋加腋进行加固。委托中南建筑设计院设计，武汉大筑建筑科技有限公司（简称：大筑公司）施工。1.2加固补强原因的分析1.2.1混凝土强度三次检验均不合格第四层（设备转换层）结构的混凝土设计强度等级为C35。混凝土试块经28天标准养护后检测，有部分柱和托梁的抗压强度平均值达22.3MPa，仅为设计值的64%。为慎重起见，又二次用取芯法和回弹超声综合法作进一步检测鉴定，检测结果，一次平均值达24.5MPa，为设计值的70%；另一次平均值达27.9MPa，为设计值的80%。由于该批混凝土的抗压强度标准值和二次实测的强度值均未达到设计强度，且相差过大，经各方检查核实后，判定为工程质量事故。1.2.2经验算现有强度不能满足设计由于第四层上还有22层，特别是每条托梁（托梁的截面尺寸为8002500）上有二根直通25层的承重钢筋混凝土柱，实为重要结构。经设计反复验算，有14根柱（柱的截面尺寸为15001500）轴压比超限，4条托梁斜截面抗剪强度承载力无法满足设计，需进行加固补强。加固柱和托梁平面位置详见图一。原设计框支柱的轴压比：0.7，由于混凝土强度的降低，经复核计算，现轴压比0.9，明显超限。原设计框支梁由于混凝土强度的降低，经复核计算，原有梁断面尺寸已不能满足以下公式：V1rRF（0.15fcbh0）注：V剪力设计值1.3补强方案1.3.1工程加固补强设计的指导思想：尽可能少的破坏原结构，补强范围尽可能少，施工尽可能简单易行，要保证结构的安全性及永久性，不能影响使用功能和外立面效果。1.3.2固补强方法的选择 适合于本工程的加固补强方法有如下几种：混凝土扩大截面法，混凝土外包钢板、混凝土粘钢板、混凝土外包型钢和混凝土粘贴碳纤维片材等。图1 加固柱和托梁平面布置图 经对上述加固补强方法优缺点进行综合比较、设计验算和对比试验后，确定混凝土柱采用外包钢板加固；混凝土托梁采用底部两端植筋混凝土扩大截面，再将原托梁和扩大部用钢板外包的加固方法。钢板与混凝土构件的连接则采用：“强力锚固+钢板焊接+灌注粘结”三重连接技术（详见图2）。图2 柱和托梁加固节点图1.3.3固补强方法简介1.3.3.1外包钢板三重连接加固柱该工程加固补强的柱为第四、五层，总高度为6.4m（钢板穿过楼板处，将该处楼板凿开，钢板穿过，再将楼板钢筋焊于钢板上，重新浇捣混凝土）；外包钢板厚度为10mm，材质为Q235，外包面积共计745；粘钢胶为灌注型粘钢结构胶（自制）；螺栓为M16高强度粘结内胀螺栓（自制，以下简称螺栓）。灌注型粘钢结构胶和高强度粘结内胀螺栓的技术性能详见表1、表2。大筑灌注型粘钢结构胶技术性能 表1外观甲组份：淡黄色透明液体乙组份：棕红色液体胶体自身强度（Mpa）压缩70拉伸30钢钢粘接强度（Mpa）剪切24拉伸36钢混凝土粘结强度C80混凝土破坏推荐比例(重量比)甲：乙1：0.30.5混合后密度（g/3）1.051.1施工温度（）550可操作时间（min）25451060固化时间（h）25612102436耐湿热老化性（时间h/剪切MPa）4000/22施工工艺：将混凝土表面的水泥浆浮层（23mm厚）打磨去掉，直至露出砂石面层，弹线钻预埋螺栓孔；用清洗剂仔细的清除钢板表面的油污，然后将钢板打磨粗糙并清理干净，按实际尺寸对钢板切割下料和钻螺栓孔；用M16螺栓（螺栓间距300400）将钢板锚固并紧贴于混凝土表面；钢板与钢板的连接为对接焊缝，全部为通长焊（本工程焊缝为一级、二级焊接质量标准）；焊接完工后，将螺栓帽切割掉，将螺杆与钢板焊接；然后用速凝耐压密封胶（自制）将钢板上所有的孔洞和缝隙封闭，待密封胶干硬后，用机械方法将灌注型粘钢胶由下向上，由中间向两侧，慢慢的压入钢板与混凝土之间，使钢板与混凝土构件牢固的粘结为一体。外包钢板工程质量验收合格后，在钢板外表面用建筑结构胶粘上一层中粗砂（增加水泥砂浆外饰面层与钢板外表面的附着力）。1.3.3.2混凝土扩大截面法和外包钢板三重连接法加固托梁首先将托梁两端底面的混凝土凿毛，并将原箍筋凿出，然后在两端底部增加725加腋钢筋和16间距200腰筋，钢筋的一端植入混凝土柱内（高强度粘结内胀螺栓技术性能 表2内胀螺栓规格固定钢板最大厚度（mm）钢材破坏（kN）混凝土破坏（kN）锚栓弯矩（Nm）M1Rd.s拉力剪力拉力剪力混凝土锥体破坏NRd，c构件边缘破坏VRd.c作用力反向混凝土破坏VRd.cpC20C30C40C50C60C20C30C40C50C60C20C30C40C50C60M12103417212630313328354043454862677377122M16306331324046485150617173787389103113119289M2040984945556467718097110118123102125144158166565M24501417160728489931131391601701771351671942122191221M305022411283101117124131184224257260279188234267297306190825钢筋植入深度为350mm，16钢筋植入深度为200mm），725钢筋的另一端焊于后置的钢板套箍上；箍筋为12，与原托粱的箍筋焊接；支模浇捣C40混凝土；待混凝土达到100%设计强度后，再用10厚钢板将原托梁和扩大加腋部分外包，用三重连接技术将钢板与混凝土连接牢固，并与柱的外包钢板通长焊接连成一个整体。（详见图2）1.4加固补强后的效果1.4.1原构件截面尺寸基本未扩大，不影响其使用功能和外立面效果。（详见图3）1.4.2加固时，上部结构施工照常进行，工期未受太大影响，也减少了直接经济损失。1.4.3由于加固效果好，经设计验算和对比试验，在原设计25层楼上又增加一层。1.4.4使用已近五年，未发现任何异常，情况良好。外包钢板三重连接（二）（室外效果）外包钢板三重连接（一）植筋加腋扩大截面法图3 加固照片一组2 三重连接工艺的试验与分析为进一步了解三重连接加固后的效果，大筑公司与武汉市建科院、湖北省建科院及福建省建筑设计研究院进行了较系统的试验研究工作，为该工艺的推广应用提供了较好的技术资料，现简介如下：2.1螺栓在粘结与不粘结状况下的抗剪承载能力试验2.1.1试验装置示意图（见图4）2.1.2测试数据（见表3）2.1.3剪力位移曲线图（见图5）2.1.4试验分析2.1.4.1由于螺杆直径小于混凝土孔径24mm，若不灌注锚固胶，会造成螺杆位移增大，螺杆对混凝土孔壁上边缘局部压力增大，使混凝土破坏；螺栓与混凝土壁摩阻力不大，抗拉能力小，而在孔内灌注锚固胶后，以上问题则均得到解决。2.1.4.2螺栓采用粘结与不粘结工艺相比较，粘结的抗剪承载能力可提高60%80%。2.2三重连接工艺与二重连接工艺的承载能力试验为了解外包钢板与加固构件在采用三重连接工艺和仅用螺栓和焊接连接二重连接工艺的抗剪承载能力，作了对比试验，简介如下：2.2.1试验情况：用6M24螺栓将20厚的钢板固定于C40混凝土基体上，用千斤顶对其加载。2.2.2试验数据（见表4）2.2.3试验SP对比曲线（见图6）2.2.4试验分析从试验数据和SP曲线表明：三重连接工艺效果比二重连接工艺效果好得多，其抗剪能力可提高2倍以上。图4 试验装置示意图测 试 数 据 表 表3 荷载（kN）位移（）规格、编号102030405060破 坏 状 况M16螺栓粘结1号0.231.823.844.4560kN时钢牛腿孔壁变形过大，停止试验；混凝土孔未破坏。2号0.972.595.419.0160kN时螺杆剪断；混凝土未破坏。3号0.772.434.5840kN时试验故障，停止试验；混凝土未破坏。不粘结A号1.273.858.2914.8937kN时螺杆拔出；混凝土破坏。B号1.233.227.217.6834kN时螺杆拔出；混凝土破坏。M20螺栓粘结1号0.772.094.268.2979kN时螺杆剪断；混凝土破坏。2号0.873.465.39.3780kN时螺杆未剪断，试验停止；混凝土未破坏。不粘结A号1.142.727.3613.31/37kN时螺杆拔出；混凝土破坏。说明：变形指螺帽处的累计位移，实际螺杆位移值应取1/2螺帽位移值。M16剪力位移曲线图M20剪力位移曲线图图5 剪力位移曲线图试 验 数 据 表4 荷载（kN）80160240320400480回弹二重连接累计位移（）0.3750.8211.211.6232.0952.585三重连接0.0750.3010.4490.7300.250图6 试验SP对比曲线2.3加固与未加固钢筋混凝土短柱轴心抗压对比试验研究2.3.1试验情况2.3.1.1试验柱：2502501000钢筋混凝土柱，混凝土强度为C30和C40，共8根，在柱的钢筋上、混凝土内和外包钢板上粘贴应变片、应变计。2.3.1.2钢板及三重连接材料和设备：3厚Q235钢板、M8螺栓、灌注型粘钢胶，E43焊条、采用5000kN压力试验机、BHR-4型荷载传热器、英国IMP数据采集系统、WBD-30型机电百分表和CMYB-YB-S125埋入式混凝土应变测量传感器。2.3.2试验数据（见表5、表6）加固和未加固短柱破坏荷载（kN） 表5 C30柱未加固1未加固2加固1加固2破坏荷载1270143023002010C40柱未加固1未加固2加固1加固2破坏荷载1730160026002620三重连接加固后破坏荷载提高系数 表6未加固柱破坏荷载平均值（kN）加固后破坏荷载平均值（kN）提高系数C30135021551.59C40166526101.572.3.3加固柱和未加固柱的抗压对比试验曲线。（见图7）2.3.4试验分析2.3.4.1未加固柱的受力破坏特征在混凝土柱近其极限抗压强度之前，荷载混凝土应变，荷载钢筋应变，荷载柱压缩应变曲线基本为线性关系，达到其极限抗压强度时，呈现非线性