预应力钢板环箍加固设计与施工.doc

预应力钢板环箍加固设计和施工【摘 要】利用钢材的热胀冷缩原理，通过箍板降温回缩对加固柱混凝土产生预压应力，使核芯混凝土处于三向受压状态，从而有效提高混凝土强度和变形能力。用形状改变比能理论对混凝土三向受压进行受力分析，对预应力加固缀板进行详细设计，并进行施工、检测并从中得到的经验。【关键词】 预应力钢板环箍 三向受力 缀板 加固 形状改变比能理论 第 6 页 共 6 页1 前言 结构加固工程是对房屋的结构安全和使用功能有较大影响的环节之一。随着建筑商品化的发展，人们对个性化空间的追求，房屋的改建、扩建、使用功能的改变将越来越受到人们的重视，混凝土结构加固技术也不断地发展、提高。常见的混凝土加固法主要有预应力加固法、外包钢法、增大截面法以及环氧砂浆修补法等。预应力钢板环箍加固是利用钢材的热胀冷缩原理，通过箍板降温回缩对加固柱混凝土产生预压应力，使核芯混凝土处于三向受压状态，从而有效提高混凝土强度和变形能力。预应力钢板环箍加固技术具有以下优点。(1)时间短。一般构件加固3天后即可受力使用，加固时不必停产或少停产，只需卸除构件承担的全部或部分荷载，施工工期很短，特别适用于应急的加固工程。(2)工艺简单，施工方便。只需对被加固构件的表面进行处理，使钢板与原构件牢固结合在一起、共同工作，且不需特殊设备，所需劳动力少，易于操作。(3)预应力钢板所占空间小、几乎不增加构件的断面尺寸和重量，不影响建筑物的使用净空间、不影响构件的外观。(4)加固效果显著，不仅相当于补充了原构件的配筋，可较大幅度地提高其承载能力，而且通过钢板产生预应力可有效地保护原构件的混凝土不再产生裂缝或使已有的裂缝得到控制而不继续扩展，加强了结构的整体性，提高了原构件的整体刚度。2 工程概况 青岛亿达发展大厦原为地下一层、地上十一层的框架剪力墙结构办公楼，总建筑面积16823，地下一层、地上一层和二层层高均为4.8米，三层层高为2.2米，标准层为3.6米。2003年根据建设单位意愿对原大厦进行改造扩建，在原有结构主体的基础上向临街扩建一跨，并加建两层。该工程始建于1994年，主体完工后因故停工，原有技术资料和图纸等全部遗失。楼体经过10年的风吹日晒，混凝土碳化深度较深，部分钢筋锈蚀严重，经过检测和加层设计，部分结构构件承载力不能满足设计要求，需进行加固补强。同时考虑到框架柱间距较小，采用加大柱截面的方法将影响办公空间的划分，经研究决定采用预应力钢板环箍进行加固部分框架柱。根据现场实际情况，现场切割加工缀板，采用钢材的热胀冷缩性能，对缀板进行加热升温、固定，等缀板温度回落到常温后，使框架柱受到预加压应力，从而使框架柱混凝土处于三向受压状态，使混凝土抗压强度得到提高，从而满足新设计的要求。3 预应力钢板环箍加固设计根据现场回弹和钻芯取样对混凝土强度进行综合评定，部分框架柱混凝土抗压强度标准值评定为25Mpa，而新设计框架柱混凝土抗压强度标准值为30Mpa。这些框架柱承载力严重不足，必须进行加固补强处理。3.1 材料选择缀板：150*15*500 Q235碳素结构钢；角钢：100*10 Q235碳素结构钢；焊缝长度200mm，三面围焊、焊脚尺寸10mm；焊条采用E43焊条；预加热温度为200250，设计室外平均温度为10；缀板在常温下弹性模量为2.1*105 N/mm2；钢材的膨胀系数为12*10-6/。3.2 缀板布置（见图1） 图1 缀板布置3.3、缀板设计每块缀板上的应变根据公式：有（200-10）*12*10-6=2.28*10-3，因为大于Q235钢材的屈服应变，所以最大预应力取钢材的强度设计值210 N/mm2。所以根据公式可以得出缀板焊接完成时缀板的温度为1005（考虑应力松弛后）。由于预应力缀板对所加固框架柱的预加压力作用点为柱的四角，根据集中应力扩散原理，预加压应力会向柱内部扩散，从而形成柱内各个微小单元体受到三向压缩，从而每块缀板对柱面的压力考虑最不利情况为210*15*150*2/（600*250）=6.3N/mm2 。3.4 混凝土框架柱三向受力分析承受轴向压力的混凝土，当同时受到侧压力时，则顺纵轴的微裂缝有重新闭合的趋势。为此混凝土微细裂缝的发生和发展只有在较高压力下才会发生，而微柱的失稳只有在更高的压力下才有可能发生，其结果就提高了混凝土的抗压强度和抗变形能力，沿骨料与水泥砂浆的结合面形成的微柱不易失稳，则混凝土的破坏就成了粗骨料的破坏，因此混凝土的作用机理完全具有了三向受压混凝土的特点。同时在常温静载条件下，当处于三轴压缩应力状态时，混凝土将产生屈服破坏，所以可以采用形状改变比能理论研究混凝土的破坏。所以在混凝土柱中取一个微小单元体，对此微小正六面体进行受力分析见图2： 1 3 2 图2 正六面体受力分析根据形状改变比能理论公式：因为：三个主应力分别为 所以：23.7 Mpa 材料的允许压应力为25Mpa 因此框架柱经过加固后满足设计要求。 4 加固施工：4.1 工艺流程原有柱面抹灰剔凿柱面打磨高强水泥砂浆找平钢材调直柱角角钢安装角钢预加紧缀板加热缀板焊接柱面保护4.2 施工要求4.2.1 柱面抹灰凿除及打磨用手锤、凿子等凿除柱面原有抹灰层，清除被加固构件表面砼的疏松、蜂窝、腐蚀等劣化部分，（需要修补的采用C30细石混凝土或高强水泥砂浆修补平整）用磨光机将包钢部分混凝土表面打磨平整。柱面清理完毕后用水泥砂浆在柱角处沿柱高找出圆角以方便角钢与柱面结合紧密。4.2.2 钢材切割调直根据设计图纸并现场实测后对钢材进行切割，为保证切割后的缀板不会出现咬边和割缝不平整，影响缀板的受力性能，采用半自动乙炔切割机进行切割。切割时清除钢材表面的切割区内的铁锈、油污等，切割截面与钢材表面的不垂直度应不大于钢材厚度的10%，且不大于2.0。切割后，断口上不得有裂纹和大于1.0mm的缺棱，并应清除边缘上的焊瘤和飞溅物等。钢材切割后应进行平直处理，采用火焰矫正。 4.2.3柱角角钢的安装柱面清理干净、角钢调直后把角钢包在柱角上并用夹具加紧。夹具间距不大于1米，角钢固定后用夹具把角钢对拉上紧，使角钢与柱面紧密结合。4.2.4缀板加热、焊接缀板加热是一个重要的环节，加热的好坏和温度的控制直接影响到预应力的质量， 首先调整火炉进风口的朝向和挡风帷幕，防止自然风对炉火的影响，等炉火稳定后向缀板加热箱中放入缀板，使缀板在加热箱中均匀受热，当缀板自身温度达到200250后，取出缀板用红外线温度探测仪测量缀板的温度（见图3），当缀板的温度达到设计要求时（200250），对缀板进行施焊。焊接缀板时同一高度环箍（四块缀板）必须同时施焊（见图4），施焊完毕缀板表面温度为1005，以保证角钢和缀板变形均匀。要求焊接金属表面焊缝均匀，不得有表面气孔、咬边、弧坑、表面裂缝等缺陷，焊缝外形较均匀，成型良好，焊缝与焊缝、焊缝与金属之间过渡平滑，焊渣与飞溅物清理干净（缀板焊接后质量见图5）。 图3 温度测控 图4 4块缀板同时施焊 图5 缀板焊接完成后4.2.5柱面防护预应力环箍加固柱完成后，对柱表面进行防护处理。先用水泥砂浆甩浆，等强度上来后再用高强砂浆抹面，柱面抹灰要根据具体情况分层分次完成。一次完成的厚度不得大于2cm。 5 检测控制检测工作贯穿于加固的整个过程中，在缀板切割加工完成后要进行尺寸检测，对翘曲的缀板用火焰矫正，使之满足设计尺寸要求。当缀板刚出炉时要进行温度检测，使温度不能高于250，当温度过高时将影响钢材的力学性能，温度过低又不会达到预加应力的效果。在每一块缀板安装完成时要进行缀板温度检测，使温度在1005，从而保证不至于温度过高使钢材的膨胀过大，等缀板冷却到自然温度后变形超出了钢材屈服应力下的变形，使钢材的预应力丧失。在加固过程中要严格控制缀板温度和尺寸，使之满足设计要求，以免保证对混凝土的预加侧向压应力达到设计要求和达到预定的效果，必要时增加对缀板