外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法.pdf

本发明公开了一种外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法，包括以下步骤：(1)施工准备；(2)对混凝土柱进行表面处理；(3)在混凝土柱周边进行植筋；(4)外套钢管且焊接成一体；(5)将植入的钢筋与外套钢管内壁焊接；(6)在植入的钢筋与外套钢管之间的间隙内浇筑高性能微膨胀混凝土；(7)外套钢管外表面防腐及外装修处理。本方法应用范围广，用于由于混凝土柱的物理老化等造成结构的损伤，或遭受撞击、火灾及地震等灾害使得结构受到破坏，或由于加层改造等其它原因造成混凝土柱承载力与刚度不足等。

1.  一种外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于它包括以下步骤：(1)施工准备；(2)对混凝土柱进行表面处理；(3)在混凝土柱周边进行植筋；(4)外套钢管且焊接成一体；(5)将植入的钢筋与外套钢管内壁焊接；(6)在植入的钢筋与外套钢管之间的间隙内浇筑高性能微膨胀混凝土；(7)外套钢管外表面防腐及外装修处理。

2.  根据权利要求1所述外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于：混凝土柱表面处理包括对原结构的微细裂缝和深层裂缝进行灌浆注胶、表面的凿毛以及表面的清理。

3.  根据权利要求1所述外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于：在原混凝土柱周边进行植筋，所述植入钢筋为螺栓式锚筋或自锁锚杆，且钢筋间的夹角为90°。

4.  根据权利要求1或3所述外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于：植筋直径为d，植筋锚固长度一般为10d～20d，但不超过混凝土柱的3/8厚度。

5.  根据权利要求1或3所述外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于：在植筋直径＜12mm时，植筋孔洞直径＝植筋直径+4mm；12mm＜植筋直径＜20mm时，植筋孔洞直径＝植筋直径+6mm；20mm＜植筋直径时，植筋孔洞直径＝植筋直径+8mm。

6.  根据权利要求1所述外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于：外套钢管由两块半圆形钢板通过将端头焊接而成，或者两块凹形钢板通过将两端头焊接而成，钢管厚度为2～4mm；每节钢管长度为2～4m，两节钢管接触部位水平方向焊接成体，多节组合焊缝纵向错开布置。

7.  根据权利要求1所述外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于：高性能混凝土包括微膨胀高强混凝土、自密实混凝土或纤维混凝土，且0.05％≥混凝土限制膨胀率≥0.015％。

8.  根据权利要求1所述外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于：用热镀锌防腐法、防锈漆涂层防腐法和利用外套钢丝网喷射砂浆细石混凝土防腐法对外套钢管外表面防腐。

外套钢管混凝土扩大截面加固混凝土柱的方法
技术领域
本发明涉及一种加固混凝土柱的方法，特别是一种利用外套钢管混凝土加固混凝土柱以达到有效提高原混凝土柱承载力与刚度的方法，属于土木建筑工程结构加固技术领域。
背景技术
由于我国经济的迅猛发展，许多既有建筑的使用功能发生改变，实际使用荷载增加，原有的结构已不能满足承载力要求；随着有些地区抗震设防等级的提高，原有建筑物不能满足“强柱弱梁”的抗震设防要求；另外还有一些已建和在建的建筑物由于设计或施工的原因，存在一些缺陷；另外由于各种灾害原因，使混凝土结构出现损伤，承载力下降。这些原因造成钢筋混凝土结构的加固和修复问题变得越来越突出。因此，研究和发展经济、可靠的加固技术具有重要的理论意义和工程实用价值。
目前，常用的几种传统加固方法都可在一定程度上提高混凝土柱的承载力，达到加固的目的。增大截面法虽然在提高承载力的同时，也提高了刚度，降低了柱子的长细比，但其新老混凝土常共同工作性不好，协同变形性能差，对结构塑性改善较小；此外设置模板施工难度较大。干式外包钢则是外包钢与原构件不能整体工作，彼此只能单独受力，外包钢性能利用率低，整体性差；湿式外包钢法则是不能有效地提高柱的抗弯刚度，降低柱子的长细比，特别不适合应用于经撞击破坏、火灾等局部表面破坏较大，迫切需要大幅提高刚度的混凝土柱的加固。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种工艺简单可行、结构整体性能好、充分发挥不同材料性能、加固效果可靠的混凝土柱加固方法。
为实现本发明的目的，本发明采用外套钢管、间隙内填高性能微膨胀混凝土的方法来实现对原结构的加固，包括以下步骤：
(1)施工准备；(2)对混凝土柱进行表面处理；(3)在混凝土柱周边进行植筋；(4)外套钢管且焊接成一体；(5)将植入的钢筋与外套钢管内壁焊接；(6)在植入的钢筋与外套钢管之间的间隙内浇筑高性能混凝土；(7)外套钢管外表面防腐及外装修处理。
原混凝土柱表面处理包括对原结构的微细裂缝和深层裂缝进行灌浆注胶、表面的凿毛以及表面的清理三个工序。
结构注缝胶选用浆液粘度低、硬化成型体粘结强度高，固化时间合适的注缝胶。浆液粘度低保证了可灌行好和灌浆的密实性；硬化成型体粘结强度高则能保证损伤部分有足够的强度，恢复混凝土构件的整体性，再次受力时，新的裂缝不在原断面上发展；
在原混凝土柱周边进行植筋，植筋不宜过密，本发明优选植入的钢筋间的夹角为90°，所植钢筋选择螺栓式锚筋或自锁锚杆，可增强植筋的锚固力，提高新老混凝土的整体性。植筋锚固长度一般选用10d～20d(d为植筋直径)，但不应超过混凝土柱的3/8厚度。
植筋孔洞直径D不宜过大或过小，因如结构胶层过厚，易造成胶层出现气泡，影响胶接质量；过小则植筋施工难于进行，易造成钢筋周边部分区域无胶，影响植筋质量。在d＜12mm时，D＝d+4mm；12mm＜d＜20mm时，D＝d+6mm；20mm＜d时，D＝d+8mm。
植筋胶选用收缩率低、胶粘强度高、耐化学介质作用、可常温固化的环氧树脂类的建筑结构胶。若采用自锁锚杆，可采用无机灌浆料填充植筋孔。
根据原混凝土柱不同的截面形式选择外套钢管，对于工程中常见的圆形截面与方形截面柱，圆形外套钢管一般由两块半圆形钢板(矩形外套钢管则是有两个型)通过端头焊接组合而成，钢管厚度以2～4mm为宜，新老混凝土强度利用率最高。多节组合焊缝应纵向错开布置；每节长度以2～4m为宜，两节接触部位水平方向焊接成体。
外套钢管扩大截面加固混凝土柱承载力的主要影响因素有：外套钢管的厚度、后浇混凝土的厚度、后浇混凝土强度与原结构强度的比值。这三个因素对结构受力的影响不是独立的，比如随着加固混凝土层厚度的增加或加固混凝土强度的提高，外包钢管的约束作用则相对减弱，从而对加固柱承载力的提高又有一定的限制，故设计时应将三个因素进行综合考虑。加固混凝土厚度、强度与外套钢管的厚度可由相关的承载力计算公式计算，最终确定合理的加固混凝土强度、厚度及外套钢管的厚度。
外套钢管与原结构间隙内可进行配筋，增加结构的配筋率，提高承载力。
间隙内浇筑高性能混凝土应为微膨胀混凝土，包括高强混凝土、自密实混凝土或纤维混凝土。其在结硬的过程中产生体积膨胀，膨胀作用不仅可抵消混凝土因收缩产生的拉应力，且可在混凝土中产生一定了膨胀压力，既可消除后浇混凝土因收缩而对原结构产生的附加荷载效应，又可通过外套钢管的紧箍作用，使核心混凝土处于三轴受压状态，提高混凝土的强度。膨胀自应力σ_c为0.2～0.7MPa时，其限制膨胀率ε的最大值为0.05％，最小值为0.015％。
加固混凝土强度等级可高于原混凝土柱结构，经研究发现，提高后浇混凝土强度，加固组合柱承载力增长明显。这与加大混凝土截面加固法中通常不建议采用高强度混凝土加固的作法有明显不同。原因在于，加大混凝土截面加固法中加固混凝土处环向受拉状态，加固混凝土强度得不到充分利用。而在本方法中，外套钢管对加固混凝土起到了很好的约束作用，核心混凝土受到加固混凝土与钢管双重约束的作用。当部分核心混凝土最先达到其极限压应力时，并不会立即退出工作。此时，加固混凝土由于外包钢管的约束也不会发生严重的横向膨胀而丧失承载力，其纵向压应力开始增加，后浇混凝土的抗压强度可得到充分发挥。最后组合柱由于大部分核心混凝土被压碎破坏。
另外，加固混凝土强度等级高于核心混凝土的情况与两者强度等级相同时应力应变发展过程有所不同。新、旧混凝土采用相同强度等级时，在受力全过程中，加固混凝土的纵向压应力始终滞后于核心混凝土，而加固混凝土强度等级高于核心混凝土时，由于加固混凝土弹性模量较大，应力增长迅速，加固混凝土的纵向压应力逐渐超过核心混凝土的纵向压应力，而其纵向压应变则始终滞后于核心混凝土纵向压应变。
外套钢管应进行表面防腐处理，根据使用环境以及使用要求的不同选择相应的防腐措施。包括：热镀锌防腐法、防锈漆涂层防腐法和利用外套钢丝网喷射砂浆细石混凝土防腐法，其中热镀锌防腐法适用于室外环境较为恶劣的结构，防锈漆涂层防腐法适用于室内结构，而利用外套钢丝网喷射砂浆细石混凝土防腐是一种新型防腐技术，适用于水下工程，比如桥墩等；此外在外套钢管的外面围裹粘结纤维布也能有效地防腐，还可改善结构延性性能。
本发明具有以下优点：
1、该方法应用范围广，由于混凝土柱的物理老化等造成结构的损伤，或遭受撞击、火灾及地震等灾害使得结构受到破坏，或由于加层改造等其它原因造成混凝土柱承载力与刚度不足等，需要对混凝土柱进行加固的工程都可以采用本方法。
2、有效的解决了新、旧结构存在整体工作共同受力问题。通过在原结构中的植筋生根技术增强了新老混凝土的粘结力，通过植筋与外套钢管内壁的焊接，间隙浇筑高性能微膨胀混凝土，形成原结构-加固混凝土-外套钢管的新型组合柱，增强了结构的整体性。
3、创造性的将钢管混凝土原理应用于混凝土柱的扩大截面加固中。利用钢管混凝土的原理扩大截面加固混凝土柱，充分发挥了混凝土与钢材的性能，既有效提高了混凝土柱的承载力与刚度，同时也改善了结构的塑性与韧性。由于外套钢管的作用，如后填混凝土采用高强高性能混凝土，其强度也可得到有效发挥，改变了扩大截面后浇混凝土一般强度不高和强度利用率较低的局面。
4、通过外套钢管约束内填膨胀混凝土产生的膨胀力，使核心混凝土处于三轴受压状态，有效提高新老混凝土的抗压强度，一定程度上消除后浇混凝土的收缩对原结构产生的附加荷载效应。
5、此外，外套钢管又可作为后浇混凝土的模板，可节约模板成本，缩短工期。该方法不仅加固效果好、加固可靠性高，而且加固时操作简单、施工方便、工程成本较低，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
图2为混凝土柱外套钢管混凝土扩大截面的加固结构示意图。
图中，1-新老混凝土结合面，2-外套钢管，3-植筋，4-原混凝土柱，5-后浇混凝土。
图3为外套钢管焊接缝布置图。
图中，1-纵向焊缝①，2-水平焊缝，3-纵向焊缝②。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的说明，主要施工工序为：
施工准备→原混凝土柱表面处理→植筋→外套钢管→将植筋与外套钢管内壁焊接→浇筑加固混凝土→外套钢管外表面防腐及外装修处理。
下面结合示意图及实例详述如下：
(1)施工准备：阅读图纸、施工前备好工程所需的钢材、水泥等各种材料及施工工具的准备。
(2)原混凝土柱表面处理；首先采用结构注缝胶对原混凝土柱4表面微细裂缝和深层裂缝进行灌浆，固化后对原混凝土柱4表面进行凿毛；最后利用清水对表面进行彻底清理干净，
(3)植筋；在混凝土柱周边进行植筋3，植入的钢筋间的夹角为90°。植筋的工序为：钻孔→孔洞处理→钢筋表面处理→配胶→注胶→插筋→养护。如果后浇混凝土需要配筋，应在植筋后，外套钢管前进行绑扎钢筋。
(4)外套钢管；根据原混凝土柱4不同的截面形式选择外套钢管2，如图3所示，钢管厚度为2～4mm，每节长度L为2～4m，两节接触部位由水平焊缝焊接成体，纵向焊缝6与纵向焊缝8错开布置。
(5)将植筋3与外套钢管2内壁进行焊接；在植筋3与外套钢管2内壁接触部位进行焊接，形成原结构-植筋-外套钢管的加固混凝土组合柱，增强了结构的整体性。
(6)在间隙内浇筑混凝土5；为了增强新老混凝土粘结强度，也可在老混凝土表面1抹上环氧树脂、水泥浆、膨胀剂水泥浆等作为粘结剂。间隙内后浇筑混凝土5为高强混凝土、自密实混凝土或纤维混凝土，且0.05％≥混凝土限制膨胀率≥0.015％的微膨胀混凝土。
(7)外套钢管2外表面清理并做防腐处理。