混凝土结构加固设计3.3

1、 3.3混凝土柱加固设计 3.3.1钢筋混凝土柱常见问题及原因分折 一般来说，柱子的破坏往往是突然的，破坏之前的征兆不很明显，属脆性破坏。因此，我们首先应了解柱子的破坏特征和破坏原因，以及进行必要的计算分析，随后对柱子作出是否进行加固的判断。 1.混凝土柱破坏特征 钢筋混凝土柱的两类破坏形态: 受压破坏(包括轴压柱和小偏压柱)； 受拉破坏(大偏压柱)。 1）轴压柱的破坏特征 2）小偏心受心柱的破坏特征 3）大偏心受压柱的坏特征 1）轴压柱的破坏特征2）小偏心受心柱的破坏特征 3）大偏心受压柱的坏特征 2.混凝土柱承载力不足的原因 l)设计错误(如荷载漏算、截面偏小、计算错误等) 2)施工质量差

2、 3)施工人员业务水平低下，工作责任心不强 4)施工现场管理不善 5)地基不均匀沉降 6）商品混凝土问题： 罐车内的混凝土已过初凝期 润管砂浆问题 7）其他原因：火灾高温将混凝土烧酥，并使钢筋及混凝土强度下降；因遭车辆等突然撞击，使柱子严重撞伤；因加层改造上部结构，或改变使用功能使柱承受荷载增加等。 在了解混凝土柱的破坏特征、破坏原因，并作出需加固的判断之后，应根据柱子的外观、验算结果以及现场条件等因素选择合适的加固方法，及时进行加固。 混凝土柱的加固方法有多种，常用的有增大截面法、置换法、外粘型钢法、外加预加应力法。有时还采用卸除外载法和增加支撑法等。下面将分别对常用的加固方法进行阐述。 3

3、.3.2增大截面法加固混凝土柱 1.方法不仅可提高原柱的承载力，还可降低柱子的长细比，提高柱子的刚度。特别在抗震设防地区，这可使原来的强梁弱柱结构变为有利于抗震的强柱弱梁结构。 具体加固方法有四周外包、单面加厚和两面加厚等加固方法(图3.37)。 图3.37 增大截面法加固钢筋混凝土柱 2构造及施工要求 在加固柱的设计和施工中，加强新旧柱之间的结合至关重要，要确保它们能整体工作。 在加固柱的构造设计及施工时，应特别注意如下几点: 1）当采用四周外包混凝土加固法时，应将原柱表面凿毛，冲洗干净，箍筋应采用封闭箍（如图3-38a、b所示），间距应符合混凝土结构设计规范和建筑抗震设计规范的规定。 2)

4、当采用单面或双面增浇混凝土的方法加固时，应将原柱表面凿毛，凸凹不平度6mm，并应采取下述构造措施中的一种。 当新浇层的混凝土较薄时，用短钢筋将加固的受力钢筋焊接在原柱的受力钢筋上 (如图3-38c所示)。短钢筋直径不应小于20mm，长度不小于5d(d为新增纵筋和原有纵向直径的较小值)，各短筋的中距50Omm。 当新浇层混凝土较厚时，应用U形箍筋固定纵向受力钢筋，U形箍筋与原柱的连接可用焊接法(如图3-38d所示)，也可用锚固法(如图3-38e所示)。 3)新增混凝土的最小厚度60mm，用喷射混凝土施工时不应小于50mm。 4)新增纵向受力钢筋宜用带肋钢筋，最小直径应14mm，最大直径应25mm

5、。5)新增纵向受力钢筋应锚入基础，柱顶端应有锚固措施。框架柱加固中，受拉钢筋不得在楼板处切断，受压钢筋应有50穿过楼板。新浇混凝土上部与大梁的底面间需确保密实，不得有缝隙。图3.38 补浇混凝土层的构造（单面） 5 （双面）焊缝长度（连接钢筋加固筋原柱原柱 3受力特征 由于荷载未卸除，原柱存在一定的压缩变形，另外原柱混凝土已完成收缩和徐变，导致新加部分的应力、应变滞后于原柱的应力、应变。因此，新旧柱不能同时达到应力峰值，从而降低了新加部分的作用(图3.39a)。 试验表明，只要新旧柱结合面粘结可靠，在后加荷载作用下，新旧混凝土的应变增量基本一致，整个截面的变形符合平截面假定。 对于大偏心受压柱

6、，新加部分承载力的降低不很显著：新加部分位于构件的边缘，在后加荷载作用下，其应变发展较原柱快。此外，由于新加部分对原柱的约束作用和新旧柱之间的应力重分布。 对于轴心受压柱，新旧混凝土间存在着明显的应力重分布。新增钢筋原钢筋图4-39a 新增钢筋及混凝土应力-应变曲线原混凝土cc0c新增混凝土c2/fc2s/fsc/fcc1/fc1s2/fy2s1/fy1=1c1/fc1=1 4截面承载力计算方法 采用加大截面法加固钢筋混凝土柱时，其承载力计算应按混凝土结构设计规范的基本规定，并考虑新混凝土与原柱的共同工作。 下面计算摘自混凝土结构加固设计规范 5.4.1 采用增大截面加固钢筋混凝土轴心受压构件

7、（图5.4.1）时，其正截面受压承载力应按下式确定： 图5.4.1 轴心受压构件增大截面加固 （5.4.1）式中 N构件加固后的轴向压力设计值； 构件稳定系数，根据加固后的截面尺 寸，按现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010的规定值采用； 和 构件加固前混凝土截面面积和加固后新增部分混凝土截面面积； 、 新增纵向钢筋和原纵向钢筋的抗压强度设计值； 新增纵向受压钢筋的截面面积； 综合考虑新增混凝土和钢筋强度利用程 度的修正系数，取 值为0.8。 00000.9()ccyscsccysNf AfAf Af A0cA0yfyfcAsAcscs5.4.2 采用增大截面加固钢筋混凝土偏心受压构件时

8、，其矩形截面正截面承载力应按下列公式确定（图5.4.2）： 图5.4.2 矩形截面偏心受压构件加固的计算注：当为小偏心受压构件时，图中s0可能变向100000.90.9ccssssysysNf bxf AfAAA1000000000()0.9()2()()ccyssyssssssxNef bx hf A hafAhaAaa010000.8(1)sscuyhEfx00.8(1)sscuyhEfx(5.4.2-1)(5.4.2-2)(5.4.2-3)(5.4.2-4)式中 新旧混凝土组合截面的混凝土轴心抗压 强度设计值，可按 确定; 、 分别为新旧混凝土轴心抗压强度设计值; 原构件受拉边或受压较小

9、边纵向钢筋应 力;当算得 时,取 ; 受拉边或受压较小边的新增纵向钢筋应 力;当算得 时,取 ; 原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋截 面面积; 原构件受压较大边纵向钢筋截面面积；ccf01(0.9)2ccccfffcf0cf0s00syf00syfssyfsyf0sA0sA偏心距，为轴向压力设计值N的作用点至新 增受拉钢筋合力点的距离，按本节第5.4.3条 确定；原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋合力点 到加固后截面近边的距离；原构件受压较大边纵向钢筋合力点至加固后 截面近边的距离；受拉边或受压较小边新增纵向钢筋合力点至 加固后截面近边的距离；受压较大边新增纵向钢筋合力点至加固后截 面近边的距离

10、；受拉边或受压较小边新增纵向钢筋合力点至 加固后截面受压较大边缘的距离；原构件截面有效高度。 e0sa0sasasa0h01h5.4.3 偏心距e应按现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010的规定进行计算，但其增大系数尚应乘以下列修正系数 ：1 对围套或其他对称形式的加固：当e0 / h0.3时：1.1；当e0 / h0.3时：1.2。2 对非对称形式的加固：当e0 / h0.3时： 1.2；当e0 / h0.3时： 1.3。 例例3-9 某办公楼为九层双跨钢筋混凝土框剪结构，现需对该楼增加二层，经复核发现个别柱子须进行加固。下面给出某中柱的加固计算。 1) 原柱资料 该中柱截面尺寸为40

11、0mm500mm。C20级混凝土，配818纵向钢筋，层高=6.5m。加层后该柱为轴心受压构件，承受设计轴向力3600kN。 2) 加固方法 轴心受压柱采用四周外包混凝土法加固较为有效。方法为先将原柱四周面层混凝土凿毛，然后配置箍筋及纵筋，并喷射50mm厚C25级细石混凝土。 3) 补配纵筋计算 柱计算长度 =1.0H=6.5m 查表 =0.9350l13) 1 . 04 . 0(5 . 60bl由式（3-55）可得加固钢筋面积为 上述计算说明，需加大截面并增补钢筋，选用414即可。 11118 . 0/ )8 . 0(yccsyccsfAfAfAfNA63.6 109.6 400 500300

12、 20360.8 11.9 (500 6000.935400 500)/0.8 30021531mm例3-11某框架柱，截面尺寸 计算长度 对称配筋，每边420。承受轴力原设计混凝土C35，实际强度只达C20。要求进行加固设计。【解】（1）原柱承载力验算：求偏心距增大系数 0110022220120max(20,/30)20,203343543540.22.70.22.72.251.0,1.046554001.150.011.150.011.0421.0,1.0500111110.81 11.1093541400/1400465aiaiiiehmm eeemmehlhlehhe 取取1.109

13、354392.6mm400500bhmm05400lmm01050,334NkN emm求受压区换算高度x，对偏心压力N的作用点取矩。2022229.6400392.625035310 1256392.625035310 1256392.625035285.28720001850.544465253ciysisysisbhxhhf bxefAef Aexxxhmm得表示该构件为大偏心受压。220,9.6/cCfN mm原柱能承担极限内力 9.640018571040071.041050ucsysyNf bxAfA fNkNNkN柱子不安全，必须加固。（2）加固柱承载力计算：采用混凝土围套加固（

14、图4-39）围套厚度 强度等级为C30，每边配318， 22763sAAmm102122221111120.9 14.3400602609.66006010500007304.41086720148.895sbcysyscysyssaxhfbxfAfAf bxfAfANxxxxmmamm符合原假定 00.544555320bhmm60mm500606040060620520图4-39 某框架柱截面0110022220120203343543540.22.70.22.71.831.0,1.058554001.150.011.150.011.061.0,1.062011118.71 11.0935

15、41400/14005851.09354385.86iaiiieeemmehlhlehhemm 取取3361050 1026201050 10385.8635302662.4 10662.4ishMNeeacN mmkN m210022021 101101222214.3400 6055060/22 60 148.8550 130/20.9310 763555 359.6 400148.8 60555ucysscyssxMfbhx hfAhaxf b xhfAha 660 148.8 /2310 763555 35 600.9305.3 123.0 153.7 108.810648636.3N

16、 mmkN mMkN m（满足要求） 3.3.3 外粘型钢加固混凝土柱 1. 概 述 所谓外包钢加固，就是在混凝土柱的四角或两面包以型钢的一种加固方法。它的优点是：构件的截面尺寸增加不多，但混凝土柱的承载力可有较大幅度提高。对于方形或矩形柱，大多在四角包角钢，并在横向用缀板连成整体，对于圆柱、烟囱等圆形构件，多用扁钢加套箍的办法(如图3-41所示)。 在型钢与原柱间留有一定间隔，并在其间填塞乳胶水泥浆或环氧砂浆或浇灌细石混凝土，将两者粘结成一体的加固方法称为湿式外包钢加固法(图3-41)。 经外包钢加固后，混凝土柱不仅提高了承载力，又由于柱的核芯混凝土受到型钢套箍和缀板的约束，柱子的延性也得到

17、了较大的提高。 2. 外粘型钢加固设计 采用外粘型钢加固法时，型钢粘结于原柱，使原柱的横向变形受到型钢骨架的约束。同时，混凝土的横向变形又对型钢产生侧向挤压，使外粘型钢处于压弯状态，导致型钢抗压承载力的降低。此外，如同上节中的外包混凝土加固一样，后加的型钢亦存在应力滞后现象，影响型钢作用的充分发挥。因此，在外粘钢加固设计时，型钢的设计强度应予折减。 外粘钢加固柱的正截面承载力可以按整截面计算，但对外粘型钢的强度设计值应乘以折减系数。混凝土结构加固规范规定，受压边角钢的折减系数为0.9。 外粘钢加固柱的截面刚度和承载力的计算方法。 1）截面刚度 外粘型钢加固柱的截面刚度近似地按下式计算： 分别为

18、原构件混凝土和加固型钢的弹性模量； 原构件截面惯性距； 加固构件一侧外粘型钢截面面积； 受拉与受压两侧型钢截面形心间的距离。 2）轴心受压柱的承载力 对于外粘型钢加固后为轴心受压的柱，截面承载力可按下式计算： 新增型钢强度利用系数，抗震取 =1.0，其余取0.9。 2000.5ccaaaEIE IE A a00000.9 ()ccysaaaNf AfAfA0caEE、0cIaAaass3）偏心受压柱的承载力计算 正截面承载力可按下式计算： 100000cysssaaaaaaNf bxfAAf AA 10000000000()()2()()cysssssaaaaaxNef bx hfAhaAaa

19、f A ha01000.81sscuhEx00.81aacuhEx 由于柱内受拉肢型钢存在应力滞后现象，因此其设计强度应予以折减。同时，为了计算方便，建议对拉、压肢型钢取用相同的强度折减系数 0.9。在外粘型钢加固中，外粘型钢一般都采用对称布置，由图3-42 可得外粘型钢加固柱正截面承载力计算公式。 即 当原柱为对称配筋时，式可进一步简化为：sysycAfAfbxfN) ( 9 . 0) ( )2(00101aaaassycaahAfahAfxhbxfNesbxfNcm 3. 构造要求 混凝土柱采用外包钢加固时，应符合下列构造要求： 1）外包角钢的边长不宜小于25mm；缀板截面不宜小于253m

20、m，间距不宜大于20r（r为单根角钢截面的最小回转半径），同时不宜大于500mm。 2）外包角钢需通长、连续，在穿过各层楼板时不得截断；角钢下端应伸到基础顶面，用环氧砂浆或环氧胶泥加以粘锚（如图3-42所示）；角钢上端应有足够的锚固长度，可能时上端设置与角钢焊接的柱帽。 3）当采用环氧树脂化学灌浆外包钢加固时，缀板应紧贴混凝土表面，并与角钢平焊连接。焊好后，用环氧将型钢周围封闭，并留出气孔，再进行灌浆。 4）当采用乳胶水泥砂浆粘贴外包钢时，缀板可焊于角钢外面。乳胶含量应不少于5。 5）型钢表面宜抹不小于25mm厚的1:3水泥砂浆保护层，亦可采用防腐材料加以保护。eefcf Af AfAfAa

21、ay sy sa aNu010saxa图3-42 湿式外包钢加固柱的截面计算简图华茂大厦 3.3.4置换法加固混凝土柱 3.3.4.1概述 受火灾或因施工差错等原因引起混凝土柱的强度下降，承载力不足，需进行加固。有时不宜增大柱子尺寸，有时只要进行局部加固等都可采用置换法加固。 3.3.4.2 计算方法 （1）轴心受压构件当采用局部置换时，其正截面承载力按下式计算： (3-70) 当采用全截面置换时，其正截面承载力按下式计算： (3-71) 式中 构件加固后的轴向力设计值；Nf Af Af Accjjys00syjjcAfAfN0N 受压杆稳定系数，按现行国家标准混凝土结构设计规范规定采用； 保

22、留部分的混凝土强度设计值； 置换部分新混凝土强度设计值； 保留部分的混凝土截面积； 置换部分新混凝土截面积； 置换部分新混凝土强度利用系数，当无支顶施工时，取 ，当有支顶施工时，取 。 （2）当采用置换法加固混凝土偏心受压构件时，其正截面承载力应按下列两种情况分别计算： 1.压区混凝土置换深度 时，按新混凝土强度，采用现行国家标准混凝土结构设计规范的公式进行正截面承载力计算。 fcfc jA0Aj001.0hxnn00.8 2.压区混凝土置换深度 时，其正截面承载力按下列公式计算： (3-72 ) (3-73) 式中 构件加固后的轴向力设计值； 构件置换用混凝土的抗压强度设计值； 原构件混凝土抗压强度设计值； 加固后混凝土受压区高度； 纵向受拉钢筋合力中心至置换混凝土形心的距离； 受拉区纵向钢筋合力中心至原混凝土形心的距离； 、 受拉区、受压区纵向钢筋截面面积；hxnnNmmmynncncAAfhxbfbhfN011mmynncnncahAfhhxbfhbhfNe0000101cf0cfxnhnhn0AmAm 矩形截面的宽度； 纵向受压钢筋合