外包钢结构新形式与应用

第五章外包钢结构新形式与应用,主要内容,外包钢混凝土结构的概况粘钢法与包钢法的具体区别新型外包钢-混凝土组合梁外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研究工程上的应用,一、外包钢混凝土结构的概况,外包钢混凝土结构(以下简称外包钢结构)是外部配型钢的混凝土结构。是在克服装配式钢筋混凝土结构某些缺点的基础上发展起来的，仿效钢结构的构造方式，是钢与混凝土组合结构的一种新型式。外包钢结构由外包型钢的杆件拼装而成。杆件中受力主筋由角钢代替并设置在杆件四角，角钢的外表面与混凝土表面取平，或稍突出混凝土表面0.5mm1.5mm。横向箍筋与角钢焊接成骨架。,济南黄河公路大桥,外包钢柱,外包钢梁柱节点,外包钢梁柱节点,外包钢梁柱节点,外包钢结构施工,外包钢梁节点,外包钢楼盖,外包钢连接,外包钢结构楼盖,外包钢梁柱节点,外包钢梁柱结构加固,外包钢混凝土结构的优点：,构造简单：外包钢结构取消了钢筋混凝土结构中的纵向柔性钢筋以及预埋件，构造简单，有利于混凝土的捣实，也有利于采用高标号混凝土，减小杆件截面，便于构件规格化，简化设计和施工。连接方便：外包钢结构的特点就在于能够利用它的可焊性，杆件的连接可采用钢板焊接的干式接头。管道等的支吊架也可以直接与外包角钢连接。和装配式钢筋混凝土结构相比，可以避免最大钢筋剖口焊和接头的二次浇灌混凝土等工作。使用灵活：外包角钢和箍筋焊成骨架后，本身就有一定强度和刚度，在施工过程中可用来直接支承模板，承受一定的施工荷载。这样施工方便、速度快，又节约了材料。抗剪强度提高：双面配置角钢的杆件，极限抗剪强度与钢筋混凝土结构相比提高22%左右。延性提高：剪切破坏的外包钢杆件，具有很好的变形能力，剪切延性系数和条件相同的钢筋混凝土结构相比要提高一倍以上。,二、包钢法与粘钢法的具体区别,外包钢简介：外包钢加固是在构件外包以型钢的加固方法，习惯上将其分为干式和湿式外包钢加固。钢构套的构造应符合下列要求：角钢不宜小于L506；钢缀板截面不宜小于40mm4mm，缀板间距不应大于单肢角钢的截面最小回转半径的40倍（40min），且不应大于400mm；当采用环氧树脂化学灌浆粘贴外包钢加固时，钢缀板宜紧贴混凝土表面并与角钢平焊连接。当采用乳胶水泥浆粘贴外包钢加固时，扁钢箍可焊于角钢外面。乳胶的含量不应少于5%。水泥一般采用425号硅酸盐水泥。外包钢加固，钢架表面应进行防腐处理，最简单有效的方法是用1：3水泥砂浆，抹25mm厚保护层。,干式外包钢,干式外包钢：就是指把型钢直接外包于原构件，与原构件间没有粘结；或虽填塞有水泥砂浆，但不能保证结合面剪力有效传递不能整体工作，只能单独受力的外包钢加固方法。干式外包钢加固工艺：用卡具从x和y两个方向将角钢卡贴于构件预定部位，并校准。将扁钢箍或钢筋与角钢焊接（搭焊）固定。钢架杆件与构件之间的缝隙用1：2水泥砂浆干捻塞紧、填实。,湿式外包钢,所谓湿式外包钢，就是在型钢与原构件间填塞乳胶水泥粘贴或以环氧树脂化学灌浆等方法粘结，将两者粘结成整体工作共同受力的加固方法。施工要点：1、构件表面处理为增强结合能力，湿式外包钢构件，应凿去结合面风化酥松层、碳化锈裂层及严重油污层，直至完全露出坚实基层（平式外包钢可免去此道工序）。在此基础上将结合面打磨平整，四角磨出小圆角，并用钢丝刷刷毛，用压缩空气吹净。角钢及箍板结合面应除锈，并打磨出金属光泽，然后用丙酮、二甲苯等洗涤剂擦净。,2、环氧树脂灌浆工艺用卡具将角钢及扁钢箍卡贴于构件预定结合面，经校准后彼此焊接（平焊）固定。用环氧胶泥将型钢架全部构件边缘缝隙嵌补严密，再利于灌浆的适当位置钻孔，粘贴灌浆嘴（一般在较低处），并留出排气孔，间距为23m。待胶泥完全固结后，通气试压。以0.20.4MPa压力将环氧树脂浆从灌浆嘴压入；当排气孔出现浆液后停止加压，以环氧胶泥封堵排气孔；再以较低压力维持10min以上，以环氧胶泥堵孔。以此，由下至上，由左至右，依次进行灌注，直至全部灌完为止。注意，灌浆后不应再对钢架进行锤击、移动和焊接。3、乳胶水泥粘贴工艺配制乳胶水泥浆，乳胶（聚醋酸乳液）含量为水泥重量的5%10%，水泥一般采用425号硅酸盐水泥，加水适量，拌合成粘稠膏状体。将乳胶水泥浆刮抹于构件及角钢的预定贴合面上，厚约35mm，立即将角钢粘贴上，并用卡具在x和y两个方向将角钢卡紧，校准，卡具间距不宜大于500mm。将扁钢箍或钢筋箍与角钢焊接（搭焊）固定。注意，分段施焊，整个焊接宜在胶浆初凝前完成。,粘钢加固,粘钢加固简介：一、什么是结构粘钢加固粘贴钢板加固法是采用建筑结构胶，根据加固补强的设计要求将钢板、型钢等直接粘贴结构需加固的表面。使粘贴的钢板同原有结构起共同作用，达到加固和增强原结构的强度和刚度的目的，有效地提高结构的承载力，增强抗剪、抗震和稳定性，改善受力状态。原结构自重增加极微；不改变原结构的形式；施工周期短，24小时可拆模，72小时可正常使用；施工时可不停产、不停工。,二、结构粘钢加固方法的优点：1、坚固耐用：经过多年来的工程实践，已经证明完全能保证加固工程的质量，结构的强度和刚度都能满足设计的要求。施工工艺精巧，质量优秀，工程合格率为100%。胶粘剂30年老化试验耐久性能满足要求。粘钢加固后的结构试验，也证明强度和刚度的设计方法是正确的和可靠的。2、施工快速：在保证粘钢加固结构质量的前提下，快速完成施工任务，并能根据业务要求，在不停产不影响使用的情况下完成施工，受到用户的普遍赞扬。3、简洁轻巧：与其它加固方法比较，粘钢加固的施工，干净利落，比较简便，现场无湿作业。完成加固后的结构外观不改变，比较轻巧，钢板薄，结构自重增加极微，不会导致建筑物内其他构件的连锁加固。4、灵活多样：粘钢加固法的适应性很强，能够解决生产上和生活上各种有关问题。粘贴钢板的方案多种多样，灵活巧妙。还可粘贴型钢、加固钢结构及砖砌体结构等。5、经济合理：由于施工快，避免或减少工厂停产时间，节约加固材料，与其它加固方法比较，粘钢加固的费用大为节省，经济效益很高。,三、结构粘钢加固的应用（1）钢筋焊接点断裂加固（2）施工中漏放钢筋加固（3）混凝土标号达不到，提高结构强度加固（4）加层抗震加固（5）阳台根部断裂加固（6）牛腿接点加固（7）悬挂式吊车梁提高荷载加固（8）楼面荷载集中力加固（9）火灾后梁柱砼烧坏加固（10）混凝土柱子牛腿断裂加固（11）桥式吊车梁加固（12）薄腹梁断裂加固（13）爆炸冲击波破坏梁体加固（14）提高楼面荷载加固（15）屋架梁下弦腐蚀严重露筋加固（16）断梁加固（17）截柱加固（18）减震加固（19）梁柱受化学腐蚀的粘钢加固（20）旧房改造综合加固（21）生命线建筑物抗震加固（22）剪力墙开1.6m以下的圆洞加固，开1mX2m以下的门洞加固（23）桥梁断裂、旧桥维修加固（24）提高柱子承载力解决柱子轴压比超标加固,灌注粘贴钢板加固,灌注粘贴钢板加固技术的概要灌注粘贴钢板加固技术是在外包钢加固中，将经过加工处理好的钢板用专用锚具锚固在混凝土；采用专用封缝剂将钢板边缘、接头、锚固部位等密封好，同时安装固定好注入管和排气管；将混合均匀的低粘度灌注胶用脚踏式注入机进行灌注。这种方法是利用灌注胶的优越粘接性能，促使钢板和混凝土紧密有效地结合成一体，进而提高混凝土强度的一种加固方法。,三、新型外包钢-混凝土组合结构,传统钢-混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。传统钢-混凝土组合梁，其翼缘采用压型钢板，在压型钢板内浇注混凝土。压型钢板既能作为浇注混凝土板时的模板，又能起到板中受力钢筋的作用。其肋部采用工字钢梁，它通过建立连接件与翼缘板连成整体，使钢梁和混凝土板共同工作。如图所示。,传统钢-混凝土组合梁,它充分利用了材料的特性，混凝土抗压强度较高，而抗拉强度较低。钢材的抗拉抗压强度都很高，但受压时容易导致失稳，将钢与混凝土组合在一起，使得混凝土受压，钢梁主要受拉和受剪。这种组合形式受力合理，强度和刚度都显著增大，充分发挥了两种材料的优势，因而广泛地应用于楼盖体系中。近年来，钢-混凝土组合结构在我国的应用实践表明，它兼有钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国情，将成为结构体系重要发展方向之一。但普通钢-混凝土组合结构构件完全暴露在外，抗火、抗腐蚀能力差，组合梁中钢构件形状不规则，节点连接比较难处理，结构剪力连接比较困难，组合梁中钢构件腹板高厚比较大，在结构负弯矩区钢腹板容易局部屈服导致失稳，抗扭刚度不足，在地震作用下，可能导致扭转屈服；另外，组合梁中钢构件形状不规则，屋内装饰，装潢较困难。目前，国内外对传统钢-混凝土组合结构研究已很成熟。已出版发行了一些相关设计规范和规程，在国外，如欧洲规范4（EUROCODE4）是一部专门钢-混凝土组合结构设计规范；在我国，如钢结构设计规范（GB50017-2003），型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001）。钢-混凝土组合结构设计规程（DL/T5085-1999）等。,新型外包钢混凝土组合梁,外包钢混凝土组合梁是近年来兴起的一种新型组合结构体系，它是采用薄钢板直接冷弯或用冷弯薄壁型钢焊接成U形截面，然后在U形截面内部填充混凝土作为T形梁的肋部，翼缘为现浇混凝土板。外包钢结构与内部混凝土通过钢与混凝土之间的粘结力和开口隔板等连接件来共同受力，协调变形。在外包钢组合梁内部配置温度补偿钢筋达到结构安全防火的目的。这种结构的优点是外包钢板可以代替钢筋，起到受拉的作用，克服了钢筋混凝土结构的抗拉强度低的弱点；内部填充混凝土有效地阻止了薄壁钢材的屈曲，提高了钢材的屈曲承载力；同时钢材的存在有效地改善了结构的延性，使得结构的整体稳定性大大优于钢结构和型钢混凝土组合结构；U型钢部件可作为组合梁的永久性模板，使得施工速度大大加快,木材的消耗量小，工厂化程度高。由于外包钢组合梁以上优越的工作性能，对它的研究已经受到国内外工程界的普遍关注和重视，一些专家学者对这种新型组合梁的工作性能进行了初步的试验研究，但对其受力全过程的理论分析比较少。,新型组合梁形式,新型组合梁的研究分析,东北大学梁力教授在2007年利用ANSYS有限元分析软件对新型外包钢组合梁受力性能进行非线性的研究。,分析结果,下图（a-d）为外包钢梁沿梁长方向应力分布的发展过程，据此可对组合梁钢构件性能进行全过程分析。从图中可以看出，随着荷载的增加钢梁应力不断增大，在极限状态时梁中部纯弯段内钢梁底板和部分腹板以达到屈服。在受力全过程中钢梁作用发挥良好。,混凝土裂缝主要形态及发展过程,下图为组合梁中混凝土的裂缝形态发展过程图，它反应了裂逢出现的位置、先后顺序和发展情况。,下图给出了外包钢组合梁与同等钢材换算截面的钢筋混凝土梁力学性能的比较。显然外包钢组合梁极限承载力比钢筋混凝土梁提高了近1倍。根据计算及试验结果可以发现，外包钢组合梁的受力性能类似于钢筋混凝土，同时塑性的发展也兼有钢结构受弯构件的特点，并且受力性能优于钢筋混凝土梁。,新型外包钢-混凝土组合梁的优点,新型外包钢-混凝土组合梁截面形式是从传统钢-混凝土组合梁基础上发展而来。继承了传统钢-混凝土组合梁的优点，摒弃了缺点，是传统钢-混凝土组合梁的优化形式。该结构具有以下等优点：1、自重轻。增加构件和结构延性，减小地震作用；2、减小构件截面尺寸。增加有效使用空间；3、自重减轻。同时也降低基础造价；4、节省支撑工序和模板。减少现场湿作业量，增大刚度，增加稳定性和整体性，增强结构抗火性和耐火性等。从钢筋混凝土结构传统钢-混凝土组合梁结构新型外包钢-混凝土组合梁结构，结构形式经过一系列的改进和优化。虽然单个新型钢-混凝土组合梁构件费用较高，但是从整体角度出发，考虑到基础成本降低，模板成本降低，抗震性能改善带来抗震措施成本降低，施工周期短，以及环保等方面带来的综合效益，此结构具有很好的经济效益。我国目前经济发展高速稳步，城市日新月异，作为一种新型的建筑结构，此组合梁结构有很好的应用前景，尤其适合中高层建筑中使用。,北京银泰中心位于商业中心区西南角，东西长247m，南北宽146m，总建筑面积350000平方米，地上约260000平方米，地下4层约90000平方米。银泰中心有3栋塔楼组成，其中东西两栋办公楼每栋43层，高186m，北面酒店/公寓主塔楼地下3层，地上主体结构62层，高248m，地上建筑面积约11.3万平方米。该楼盖结构拟采用这种新型外包钢-混凝土组合梁，钢与混凝土通过可靠的剪力连接件共同工作，形成新型外包钢-混凝土组合楼盖。北京银泰中心于近期落成，成为北京市第一高楼。,四、外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研究,大连理工大学赵国藩院士对外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱抗震性能进行试验研究。目前，在混凝土柱的加固工程中，应用较多的有粘贴CFRP加固和外包角钢加固。CFRP应用于混凝土结构加固的优势是勿庸置疑的，对于钢筋混凝土柱的加固，它能提高混凝土柱的承载力和延性。特别在延性的提高上，效果明显，但由于CFRP材料本身的原因，粘贴层数达到一定的数量后，对构件的承载力提高有限。因此，想通过粘贴CFRP大幅度提高构件的承载力有困难。而外包角钢可以显著提高构件的承载力，且角钢骨架对混凝土也有一定的约束，但角钢骨架在达到屈服后，对混凝土的约束效果降低，混凝土柱延性的提高有限。鉴于以上原因，提出一种新型的加固方法，即采用粘贴CFRP和外包角钢骨架复合加固的方法来提高混凝土柱的承载力和延性。采用复合加固法的初衷是发挥CFRP和角钢骨架各自的材料优势，来达到一种既能大幅度提高构件承载力，又能大幅度提高构件延性的目的。这种新型加固方法的提出，对在抗震加固中提高混凝土柱的综合性能意义尤为重大。,试验装置与加载,试验是在武汉大学土木建筑工程学院结构试验中心进行的。加载方式为：轴力施加选用600kN液压千斤顶，通过手压油泵加载。水平力由30t液压双向千斤顶施加，拉压千斤顶及轴向千斤顶卸载通道均由液压台控制。安装在特制的滑动小车上，在试验过程中可随试件顶端移动，以保持荷载的垂直作用。为了在施加水平力的时候，柱墩不产生水平位移，设计了前后两个水平反力支撑，嵌固于地槽中。试验装置示意图如图所示。,试验构件,试验构件编号：未加固柱(LCS0-1)，外包钢加