【毕业学位论文】自密实混凝土增大截面法加固轴心受压柱的研究与应用-结构工程

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论文题目 自密实混凝土增大截面法加固 轴心受压柱的研究与应用 学科、专业 结 构 工 程 研究生姓名 何 红 霞 导师姓名及 专业技术职务 余 志 武 教 授 二七年五月 I 摘 要 当今国内外建筑物加固改造业发展非常迅速， 自密实混凝土增大截面加固法是既广泛使用又经济有效的加固方法。 本文采用后张无粘结预应力钢绞线模拟柱上已有荷载， 对该加固技术进行试验研究和理论分析，主要研究内容如下: 进行五根钢筋混凝土轴心受压柱试验，其中一根为对比柱，未加固。 其余四根采用自密实混凝土增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱。通过试验研究，分析柱的二次受力引起的应力超前和应变滞后现象对柱的破坏形态、强度、刚度等的影响，重点讨论了初始应力水平指标对加固柱性能的影响以及新增混凝土对核心混凝土的约束作用，得出如下结论： 其正截面承载力提高十分显著。 其极限承载力不是新、旧混凝土承载力的简单叠加，而是随着应力水平指标的增加而降低。 提出增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱的正截面承载力计算公式，与试验结果吻合较好。 加固效果显著。 关键词： 自密实混凝土，增大截面，二次受力，应力水平指标 t is in of is of is an is In is by to of as is is by on of of of of by is as in as C by C by is it of by to a of is a by in an of 录 第一章 绪论 .述 . 结构加固的工作背景 . 引起结构加固与修复的原因 . 国内外研究现状综述 .凝土结构加固工作程序及加固方法选择 . 混凝土结构加固工作程序 . 混凝土结构加固方法选择 .密实混凝土增大截面法加固的发展和现状 .在的问题及本文研究的内容 . 有关研究存在的问题 . 本文研究的内容 .二章 增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱的试验研究 .言 .件的设计及制作 . 原材料及混凝土配合比 . 材料的力学性能 . 加固的操作流程 .载方案及加载装置 .验结果及分析 . 受力特征和破坏现象 . 纵向钢筋应力 . 混凝土应变 . 核心柱应力水平指标的影响 .结 .三章 增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱的理论分析 .言 .凝土结构加固基本原理 . 加固结构受力特征 . 加固结构共同工作问题 . 加固结构基本计算假定 . 加固结构承载力极限状态设计表达式 .V 凝土结构加固材料的要求 . 卸载对加固结构承载力的影响 .响轴心受压加固柱承载力的主要因素 .心受压构件承载力分析 . 极限状态的确定 . 加固时混凝土的应力状态 . 加固后构件的受力状态 .混凝土压应变达到.包混凝土对内核混凝土的约束作用 .小配箍率 . 轴心受压加固柱的正截面承载力 .结 .四章 工程应用 .程概况 .测评估 .固设计 . 加固方案的确定 . 柱子的加固方案 . 加固柱轴心受压承载力计算 .固施工 . 结构卸荷 . 自密实混凝土加固柱施工的特点 . 加固工艺 .固效果 .结 .五章 结论与展望 .论 .后研究的方向 .考文献 . 谢 .读硕士论文期间发表的论文及科研情况 .士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 述 构加固的工作背景 建筑物的加固改造，虽是人类有建筑史以来便已出现的一个传统专业，但因受建筑业以及科学技术发展的限制，致使它仅在近几十年才初具规模，随着加固技术、加固理论、加固设计、加固施工等方面研究的蓬勃发展，建筑物加固改造业逐渐成为结构工程专业的一门分支学科。 据有关部门统计，我国现有城镇房屋建筑面积 50 亿平方米，按照设计基准期50年计算，相当多的房屋已进入“中老年期”1;另外，建筑物在使用过程中，由于自然 (如大气、地震、地 基沉降，风火，水灾等)、 电化学、机械作用等诸多因素引起的破损(如开裂、失稳、钢筋锈蚀、混凝土剥落、酥松等)，以及由于设计或施工错误，材料性能未达要求，新工艺的特殊要求等，引起结构的强度、刚度或耐久性不足，至使不少建筑物过早地出现缺陷形成“早衰”从而步入“正常退役”之列。此现象在工业建筑中尤为突出。因为五十年代曾是我国工业大发展与大建设时期， 基本建设在国内各条战线上蓬勃发展， 新建与扩建了大批厂房，这些厂房在建国后的经济复苏与发展中曾发挥过重大作用。然而，逆溯到 50 年代“蜂拥而上”的大建设时期，缺乏先进的设计经验以及施工技术而建造的厂房占了相当大的比例。经过几十年的使用，不少厂房在材料与结构方面呈现出严重的损伤及破坏;但因我国现阶段经济实力尚不雄厚， 仍然有不少50年代所建的厂房仍在继续使用。必须指出:其中不少厂房，由于损伤程度相当严重，己划入危险房屋之列，直接影响生产，危及职工生命安全。如 199 0年3月酒 泉钢厂高炉发生崩塌，死 19 人，伤 10 人；199 2年2月 大连重型机器厂屋顶突然塌下，死亡 42 人，受伤 130 人。从中显见对已有建筑物进行评估、加固维修技术的研究已势在必行。 从国外来看，近几年一些发达国家对旧建筑物评估、国外建筑物的维修改造己形成一个完整的体系(一般称为建筑物维修改造业)，与新建筑业并行成为建筑业的重要力量。因为世界上经济发达国家建设大体上经历了以下三个阶段:即战后恢复的大规模新建时期，新建与维修改造并重时期以及目前强调的维修与现代化改造为主时期。以美国为例，建筑业曾是美国三大经济支柱之一，现在新建的建筑业开始呈现萧条迹象，而建筑改造业开始兴旺乃至膨胀发展，据美国劳工部对 2000 年以后的热门行业预测，认为硕士学位论文 第一章 绪论 2 旧房维修改造业是最受欢迎的新行业之一;西欧不少国家也非常重视旧房维修加固，一些发达国家加固改造投资已占建筑业总投资的50%左右2。 由于以上种种原因，旧建筑物的可靠性评价、加固理论的研究已成为建筑工程学科的一个研究新热点，建设部九五科技发展纲要中已把该课题重点提出，作为一个攻关的目标。从 1991 年至今已召开共八届“全国建筑物鉴定与加固改造的学术会议”。专家学者云集各次大会，针对国内建筑物改造与加固的严峻形式进行学术研讨与交流。 建筑物的加固改造所涉及的结构(或构件)加固有其自身的特点:首先，相对于新建结构的设计，它的自由度要小得多，因为现有建筑结构的型式、跨度、高度、结构(或构件)截面尺寸等因素都在一定程度上限定了设计者的思路，设计者不得不根据现场条件来分析， 提出合乎于实际情况的加固方案和技术措施。 其次，加固结构与普通结构有着本质的区别。加固结构属于二次受力结构，新、旧两部分存在着应变滞后和应力超前现象， 新加部分材料的潜力一般不能得到充分利用;又如加固结构多半属于新旧材料组成的组合结构或组合截面， 原有结构的破损程度、新旧材料的结合情况、应力水平、具体的施工措施等等，都对加固结构的受力性能有相当大的影响;再次，加固结构必须立足于整个结构性能的考虑，不能仅采用局部破坏就只加固局部的处理方法。 例如天津某厂在唐山地震主震作用下第二层柱子破损严重，加固时主要针对该层柱子加固(外包6000后研究认为，倒塌的主要原因在于加固第二层柱子后把薄弱层转移到底层， 使底层在地震作用下出现了很大的弹塑性变形而导致该建筑结构倒塌。 总之，建筑物加固是一门研究使受损建筑重新恢复作用，即使失去部分抗力的结构重新获得原有的构件抗力甚至超过原有抗力的学科3。该学科所涉及的内容十分广泛，包含了结构损伤学、检测学、加固理论和加固技术、设计方法、施工方法以及加固方案选择与投资效益的优化等等。从实质上讲，它是一门研究结构服役期间的动态可靠度及其维修理论的综合学科， 现已成为建筑工程学科的一个新领域。 我国现有的加固方法虽很多(如增大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、改变结构受力体系加固法，粘钢加固法，外粘纤维增加塑料（固法等等)，但这些方法的现有加固技术多是建立在实践经验的基础上， 缺乏系统的试验研究和理论分析，还没有建立一套完整的加固设计计算方法，因此进行现有结构的加固理论和加固技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。近年来，国内外对加固混凝土构件的基本性能及设计计算方法进行了许多研究，但由于加固结构(或构件)模拟试验手段未能解决，多数试验是在一次受力情况下进行的试验研究，硕士学位论文 第一章 绪论 3 而对加固结构(或构件)二次受力性能的试验研究较少。 因此对现有结构二次受力性能(如加固理论、加固技术)的研究尤为重要. 起结构加固与修复的原因 按照极限状态设计的钢筋混凝土结构或砌体结构，必须满足强度、刚度和耐久性的要求。但由于各种原因，结构往往需要进行加固。以下是常见的几种结构加固原因4。（1）由于使用不当、年久失修、结构受 到损伤破坏、不能满足日前使用要求而需要加固。 （2）改变建筑物使用要求而引起的结构加固。 例如，将民用房屋改造为工业厂房，或是其他要求的加层，使原有房屋结构产生各种增加负荷的情况。 （3）因为设计、施工的失误而引起的结构加固。 （4）由于灾害性事件(如地震、台风、火灾、水灾、冰灾等)的发生使结构产生开裂和破坏，需要对结构进行加固与修复。 （5）对一些重要的历史性建筑、有纪念意义的建筑进行保护性的加固。 内外研究现状综述 建筑物加固维修技术在我国正处于迅速发展阶段，近年来取得了很大的进步。在建筑物加固改造与修补技术方面，除了传统的增大截面法、外包钢法外，国内使用广泛的技术还有喷射混凝土加固法、 钢丝网外喷高强砂浆加固法5预应力加固法7、粘钢板加固法8等。此外，一些高校及研究单位也在研究并试用了如粘贴玻璃钢板加固技术9、缠绕钢丝法加固技术，碳纤维加固技术10等等并取得了一定成效。 但总的来说， 不论从其研究历史还是从其目前研究现状来看，我国落后于一些发达国家，诸如美、日、英等国。 前苏联早在 30 年代末中央建筑科学研究院等单位就从事黑色与有色冶金厂房的诊断、鉴定及加固工作11。50 年代初，一些发达国家采用灌浆加固修补技术，印度洛基大学土木工程系和地震研究院于 60 年代初期开始钢筋混凝土构造柱的加固技术研究。到了 70 年代，前苏联、墨西哥、加拿大等国家也进行了大量的类似试验，并把此法运用于实际工程;美、苏、日等国于60年代便广泛采用粘钢加固技术并用此技术对公路、桥梁、水工建筑等进行加固修复。进入 70 年代，粘钢加固法开始运用于房屋建筑结构加固;关于碳纤维混凝土的性能研究，一些发达国家自70年代便开始12。 随着日益繁重的建筑物加固任务和加固工程实例的增多， 各国在积累工程实硕士学位论文 第一章 绪论 4 践经验、完善原有加固技术的同时，还在不断研究新的加固方法。如自 70 年代后期日本学者 人提出的运用粘滞阻尼器13进行抗震加固观点后，隔震加固法应运而生，具有 90 多年历史的 府大楼在不改变原有建筑物风貌的基础上成功地运用此法进行加固修复。70 年代，日本便在工程中采用钢支撑体系进行抗震加固;到了 80 年代末一种新的结构加固技术 碳纤维混凝土加固修补技术已普及于日、美、欧洲等国家和地区，使用范围广泛深入到土木工程中的众多领域14。90 年代欧洲喜利得(司还研制出 与其相比，我国加固维修技术研究的历史 较短(主要是从解放后逐渐开展起来的)，如灌浆技术 70 年代初才开始研究。粘钢加固技术直至 80 年代初中国科学院、大连化物所等单位 建筑结构胶15的研制成功，该技术的研究与应用才得以迅速发展起来，碳纤维混凝土的研究仅仅是近几年的事。 尽管我国在加固理论和加固技术等方面的研究起步较晚，但自唐山地震后，该领域的研究有了长足的发展，某些领域现已步入世界先进行列(如多层砖混结构的加固)，先后对多种常用的加固方法(如增大截面法、外包钢加固法、预应力加固法等)进行一系列研究， 四川省建筑科学研究院和中国建筑科学研究院结构所则对外包混凝土轴心受压构件和外包钢轴心受压构件分别进行了试验研究114,西安建筑科技大学和冶金部建筑研究总院等单位对外包钢板箍混凝土柱进行了大量的试验研究。 为了迎接世界上新的加固技术的挑战，我国有关高校、科研部门正在对一些新的加固技术进行试验研究。 如中国建筑科学研究院已开展了混凝土结构后装锚固技术的研究，清华大学、哈尔滨建筑大学、西安建筑科技大学、中国建筑科学研究院等单位先后对隔震抗震加固方法进行试验研究16冶金部建筑研究总院近两年正在进行碳纤维应用技术的研究。 总之，我国虽在建筑物加固维修方面有了较大的发展和提高，但仍尚处于起步阶段，可以说主体还是建立在工程实践经验基础上，缺乏系统的试验研究，理论上还有待于进一步系统和深化，与国外相比，不仅在技术上有一定差距，而且在研究方向的把握上还有一些问题。 凝土结构加固工作程序及加固方法选择 凝土结构加固工作程序 混凝土结构加固一般应遵循以下工作程序18： 硕士学位论文 第一章 绪论 5 图 1固工作程序 结构可靠性鉴定，它好比医生看病一样，主要是对病态结构的病情诊断。加固方案好比处方，处方有好有坏，受主客观等多方面因素所制约。加固设计是按现行加固规范及相关标准对加固方案的深化过程。 加固施工是对被加固结构按加固设计进行加固的实施过程；对于大型结构加固，为确保质量和安全，施工前应编制施工组织设计。 凝土结构加固方法选择 混凝土结构补强加固方法很多，常用的有加大截面法、外包钢加固法、外部粘钢加固法、碳纤维（固法、预应力加固法、增设支点加固法、托梁拔柱技术、增设支撑体系和剪力墙加固法，以及各种裂缝补技术等，分别适用于不同的情况见表1加固方法的选择，应根据可靠性鉴定结果、结构功能型降低及加固原因（如完好情况下的加固及受损状态下的加固） ，结合结构特点、当地具体条件、新的功能要求等因素，并按加固效果可靠、施工简便、经济合理原则，综合分析确定。注意， 静力加固必须考虑结构二次受力问题， 加固重点侧重于结构承载力的提高。抗震加固一般不考虑结构二次受力，加固重点侧重于结构的延性和整体性18。 密实混凝土增大截面法加固的发展和现状 增大截面法,是工程中常用的一种加固方法，它通过增加结构构件的截面面积及配筋量， 提高构件的承载能力， 同时降低柱的长细比， 提高构件的整体刚度，减少构件的变形。增大截面法施工工艺简单、适用性强，适用于梁、板、柱、墙和一般构造物的混凝土加固。在采用增大截面法加固时，模板和原有构件之间的空隙很小，而且其间还分布有钢筋，普通混凝土很难实现密实填充，混凝土质量 结 构 调 查 和 质 量 检 验 可靠性鉴定 加固方案选择 加固设计 施工组织设计 施工 验 收 硕士学位论文 第一章 绪论 6 表 1混凝土结构几种常用的加固方法的特点和适用范围18固方法 主要特点 适用范围 加大截面法 传统加固方法。 以同种材料增大构件截面面积，提高结构承载力和刚度 梁、板、柱、墙等一般结构 外包钢加固法 截面尺寸和外观影响很小， 承载能力提高较大，施工简便，现场工作量较小，受力较可靠 大型结构及大跨结构 外部粘钢加固法 国际上较先进的加固方法。简单、快速，对生产和生活影响小。 正常环境下的一般受弯、受拉构件，及中轻级工作制吊车梁 预应力加固法 卸载、 加固及改变结构受力三者合而为一的加固方法。承载力、抗裂性及刚度可同时得以提高 大跨结构及大型结构 增设支点加固法 增设支承点，减小结构跨度和内力，提高结构总体承载能力 梁、板及桁架等 托梁拔柱技术 不拆或少拆上部结构情况下，拆除、更换、接长柱子的技术 改变适用功能及增大室内空间的旧房改造 增设支撑体系及剪力墙加固法 增强结构抗水平荷载能力和侧向刚度及稳定性 抗侧力加固及抗震加固 增设拉结连系加固法 于房屋周边、纵向、横向、竖向增设相应拉结连系，增强结构稳定性，防止偶然事故下发生连续倒塌 装配式结构抗连续倒塌及抗震加固 裂缝修补技术 恢复或部分恢复结构因裂缝所丧失的承载能力、耐久性、防水性及美观等 各种混凝土结构 得不到充分的保证。而自密实混凝土恰恰可以弥补这方面的缺陷。 自密实混凝土增大截面法加固柱时，无需振捣，仅依靠混凝土的自重作用，就可通过稠密钢筋，自行填充模板内的空间并保持自身的均匀性和密实性，形成密实的混凝土结构，且能满足结构设计所要求的力学性能和耐久性能20 自密实混凝土( 简称可以定义为:混凝土能够保持不离析和均匀性,不需要外加振动，完全依靠重力作用充满模板每一个角落、达到充分密实和获得最佳的性能。在20世纪80 年代早期,挪威建造混硕士学位论文 第一章 绪论 7 凝土结构海上石油平台,由于 配筋密集且结构庞大,无法 对混凝土振捣,所配制使用的混凝土实际上是依靠重力密实。20 世纪 80 年代后期,日本学者首先提出自密实混凝土的概念,当时所面 临的情况:混凝土耐久性在 日本受到高度重视,但由于缺乏熟练工人进行混凝土浇筑施工,不能保证混凝土完全密实成为导致耐久性不良的重要原因之一29,因此就需要一种非常容易实现密实的混凝土自密实混凝土。 于是， 日本东京大学冈村甫教授开发了 “不振捣的高耐久性混凝土” , 称之为高性能混凝土(1996 年在美国泰克萨斯大学讲学中, 冈村甫教授称该混凝土为自密实高性能混凝土30(以下简称自密实混凝土之所以称为高性能, 是因为具有很高的施工性能, 能保证混凝土在不利的浇筑条件下也能密实成型, 同时因使用大量矿物细掺料而降低混凝土的温升,并提高其抗劣化的 能力, 而可提高混凝土的耐久性。 自密实混凝土综合效益显著, 特别是用于难以浇筑甚至无法浇筑的部位, 可避免出现因振捣不足而造成的空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷。自密实混凝土配制的关键是满足良好的流变性能要求。 至1994年底, 日本已有28 个建筑公司掌握了自密实混凝土的技术。从日本19921993年各学会、 技术刊物等发表的自密实的高性能混凝土在土木工程中应用实例来看, 自密实高性能混凝土特别适合于浇筑量大、浇筑高度大、钢筋密 集、有特殊形状等的工程。在西方也有不振捣的混凝土的应用, 如美国西雅图65 层的双联广场钢管混凝土柱, 28d 抗压强度115M 混凝土从底层逐层泵送, 无振捣。 在美国为了保证混凝土的浇筑质量以保证钢筋和混凝土的整体性, 在密筋的钢筋混凝土和几何形状复杂的结构中, 也使用高坍落度而能自流平的混凝土, 但强调仍需要适当的振捣以确保混凝土的足够密实。 近年来由于在日本不断有采用自密实混凝土成功的工程实例,美国也开始注意该项技术31。我国有关部委及研究机构也相继进行了开发研究，起步较早的有北京城建集团总公司构件厂和中南大学等单位。在我国北京、深圳、济南、长沙等城市开始使用自密实混凝土。 从1995 年开始, 浇筑量已超过4 万要用于地下暗挖、密筋、形状复杂等无法浇筑或浇筑困难的部位、解决扰民问题、缩短工期等32。自密实混凝土被称为“近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展”33,因为自密实混凝土拥有众多优点: （1）保证混凝土良好的密实。 （2） 提高生产效率。由于不需要振捣,混凝土浇筑需要的时间大幅度缩短,工人劳动强度大幅度降低,需要工人数量减少。 （3）改善工作环境和安全性。没有振捣噪音,避免工人长时间手持振动器导硕士学位论文 第一章 绪论 8 致的“手臂振动综合症” 。 （4）改善混凝土的表面质量。不会出现表面气泡或蜂窝麻面,不需要进行表面修补;能够逼真呈现模板表面的纹理或造型。 （5）增加了结构设计的自由度。不需要振捣,可以浇筑成型形状复杂、薄壁和密集配筋的结构。在此之前,这类结构往往因为混凝土浇筑施工的困难而限制采用。 （6）避免了振捣对模板产生的磨损。 （7）减少混凝土对搅拌机的磨损。 （8）可能降低工程整体造价。从提高施工速度、环境对噪音限制、减少人工和保证质量等诸多方面降低成本。 在“自密实”概念出现以前,借助高效减水剂性能的改善,配制生产高流动性混凝土已不再困难。然而,仅仅具备“高流动性”还远远不够,因为流动性越高,混凝土产生离析的趋势就越大。完全依靠自身重力充满模型并达到密实,自密实混凝土工作性的内涵有所扩大,包括下列三个基本性能: （1）高流动性。保证混凝土能够绕过障碍物,充分填充模型内每个角落。 （2）高稳定性。保证混凝土质量均匀一致,即不泌水,骨料不离析。 （3）通过钢筋间隙能力。保证混凝土穿越钢筋间隙时不发生阻塞。 由于自密实混凝土具有以上这些特点， 因此自密实混凝土增大截面法在国内外加固行业中越来越受到重视34。 在的问题及本文研究的内容 关研究存在的问题 增大截面法是一种常用的行之有效的加固方法， 它主要是依靠增加构件的截面面积， 使新、 旧混凝土共同工作， 同时减小构件的相对偏心距来提高其承载力。由于在实际加固过程中，原柱一般不可能在完全卸载的情况下进行施工，因此，加固构件与普通构件有着本质的区别。加固构件属于二次受力构件，新、旧两部分之间存在着应变滞后和应力超前等问题。 近年来，国内虽有许多高校和科研部门对增大截面法进行研究，但多数都存在一定的问题。 如东南大学加固中心采用的外包混凝土偏心受压短柱的试验研究35以及同济大学对钢筋混凝士框架柱加固的试验研究36都是在一次受力情况下进行的，既未考虑二次受力，又未考虑应力水平指标对新增混凝土和纵向钢筋强度利用系数的影响。 四川省建筑科学研究院和陕西省建筑科学研究院等单位虽从理论上探讨了应力水平指标与加固柱极限承载力的关系37但未做试验研硕士学位论文 第一章 绪论 9 究进行比较;一些资料，如东南大学在考虑二次受力的情况下对外包混凝土偏心受压柱的试验研究39以及四川省建筑科学研究院在考虑二次受力情况下对外包混凝土轴心受压柱的试验研究41， 虽然从理论上探讨了应力水平指标对加固柱承载力的影响并进行试验对比， 但它们所提出的计算公式都未考虑外包混凝土对核心混凝土的约束作用。 文研究的内容 本文拟通过自密实混凝土增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱的试验研究，在分析加固机理及影响加固效果因素的基础上，提出加固钢筋混凝土轴心受压柱的计算方法，为加固设计提供技术上的支持。 由于加固构件属二次受力构件， 在采用增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱的试验中， 为了施加作用在柱上的荷载， 采用后张无粘结预应力钢绞线的方法，来模拟柱上已有荷载，用以反映加固构件的真实受力情况。因此，本文研究的内容有： 中一根为对比柱，未加固。其余四根采用自密实混凝土增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱。 提出增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱的正截面承载力计算公式。 硕士学位论文 第二章 增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱的试验研究 10 第二章 增大截面法加固钢筋混凝土轴心受压柱的试验研究 言 本试验以自密实混凝土增大截面法加固钢筋混凝土柱为研究对象， 通过试验研究钢筋混凝土柱在荷载作用下的加固机理， 讨论外包混凝土柱在二次受力作用下的受力性能（如强度、变形、破坏特征等） ，提出考虑新、旧混凝土之间的应力超前和应变滞后且共同工作的设计