外包预应力紧固式钢管混凝土柱及加固的方法.pdf

本发明公开了一种外包预应力紧固式钢管混凝土柱及加固的方法。本发明主要应用于单层、多层与高层框架柱因强度、刚度或轴压比限值超限后的加固补强。它的基本原理是使外加于矩形或圆形钢筋混凝土柱表面的钢板，通过扭剪型高强螺栓拧紧后建立横向预拉力，其合力作用于钢筋混凝土柱表面，根据作用力等于反作用力原理，钢筋混凝土柱表面亦对钢板内壁产生反作用力(正压力)，从而使混凝土表面与钢板内侧面具有与正压力相应的摩擦力，即工程中的抗剪承载力，达到现行先有钢管再浇注混凝土的钢管混凝土柱的受力效果。由于横向预应力的存在，其力学效果比前者更佳。

权利要求书

外包预应力紧固式钢管混凝土柱及加固的方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土柱结构及加固的方法，尤其是一种外包预应力紧固式钢管混凝土柱及加固的方法，属于建筑结构的技术领域。
背景技术
目前，对于高层建筑的钢管混凝土柱子在制作时，通常先制作钢管，然后往钢管里浇灌混凝土，这种柱子存在的问题是混凝土在高温定形时会发生收缩，使混凝土与钢管存在间隙，难以融为一体。对于现成建筑的加层，为增加柱子的强度、刚度，往往需要对柱子进行加固，目前通常采用在现有的柱子外面包角钢加缀板方式进行加固，这种方法很难保证钢板与原混凝土传递剪力共同工作，而只能考虑钢构架与原混凝土分开承担结构的强度和刚度，其主要原因在于钢板面与混凝土面之间无正压力，即不能传递剪力，无共同工作的基本前提。还有一种就是直接在现有的混凝土柱四周浇注钢筋混凝土，使柱截面增大，若不采用植筋等方法，仍然不能保证两者共同工作，此加固方法俗称“穿棉袄”，不但费工费时，施工难度大，造价也偏高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种外包预应力紧固式钢管混凝土柱的加固方法，同时提供一种外包预应力紧固式钢管混凝土柱的结构形式。该加固方法及结构可将被加固的混凝土柱与外包钢板通过预应力紧贴为一体，从而共同工作提高混凝土柱的刚度和强度，满足使用需求。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：外包预应力紧固式钢管混凝土柱加固的方法，包括以下步骤：
(1)对原有的钢筋混凝土柱进行检查和修整，将表面打磨、清理平整；
(2)在钢筋混凝土柱上钻孔，植入钢筋；植入钢筋的直径为16～25mm，植入深度为160～250mm；
(3)在钢筋混凝土柱的表面刷耐高温结构胶，然后在钢筋混凝土柱的表面分段外包已开孔的钢板，钢板孔径大于植筋直径，植筋露出钢板表面20～40mm。
(4)在钢板的螺栓支托架上穿入扭剪型高强螺栓，拧紧高强螺栓，使钢板横向建立预拉力，并利用作用力与反作用力相等原理使高强螺栓与钢板之间产生正压力，从而具有抗剪性能的摩擦力，使钢板紧贴于钢筋混凝土柱表面；
(5)将钢板的所有接缝采用坡口对焊，使所有钢板连为封闭整体；
(6)分别将植筋头钢筋与钢板围焊焊牢；然后外包高标号并掺防火粉的钢丝网水泥砂浆。
外包预应力紧固式钢管混凝土矩形柱。包括矩形的钢筋混凝土柱，在矩形的钢筋混凝土柱每一段的四角外表面包有4块角钢状钢板，在角钢状钢板之间装有与角钢状钢板等高的矩形钢板；在钢筋混凝土柱每一段的每个表面有两条竖直缝，竖直缝之间设有扭剪型高强螺栓支托架，在扭剪型高强螺栓支托架上穿有扭剪型高强螺栓，每一段的角钢状钢板和矩形钢板按钢筋混凝土柱的植筋位置开有孔，并通过该孔挂在矩形钢筋混凝土柱表面，矩形钢板与角钢状钢板之间用扭剪型高强螺栓固定连接为一体。
所述的角钢状钢板是L形的等肢角钢型截面，矩形钢板为一字型截面。
在矩形钢板的外表层点焊有钢丝网片，并刷有加防火粉的高标号水泥防火砂浆，其厚度按防火等级确定。
外包预应力紧固式钢管混凝土圆柱。包括圆形的钢筋混凝土柱，在圆形的钢筋混凝土柱表面根据柱直径的大小紧贴有4～8块圆弧状截面钢板，圆弧状截面钢板根据柱高分为若干段，在接缝处端部设置有扭剪型高强螺栓支托架，在扭剪型高强螺栓支托架上穿有扭剪型高强螺栓，每一段的圆弧状截面钢板按钢筋混凝土柱的植筋位置开有孔，并通过该孔挂在钢筋混凝土柱表面，圆弧状截面钢板之间通过扭剪型高强螺栓固定连接为一体。
所述的圆弧状截面钢板是1/4圆弧形或1/8圆弧形截面。
在圆弧状截面钢板的外表层点焊有钢丝网片，并刷有加防火粉的高标号水泥防火砂浆，其厚度按防火等级确定。
与现有技术相比，本发明使用紧固钢板外包在混凝土柱的表面，并采用扭剪型高强度螺栓进行紧固连接，扭剪型高强度螺栓施加预应力的方法为用拧断螺栓梅花头切口处截面来控制预应力数值，这种螺栓施加预应力简单、准确。通过扭剪型高强度螺栓从四周向中间产生挤压力和预紧力，使被加固的混凝土柱表面与外包的紧固钢板紧贴在一起，并产生正压力，通过接触面的抗剪承载力，使两者共同工作，不但加固效果好，施工难度小且省时、省力、造价较低。它的基本原理是使外加于矩形或圆形钢筋混凝土柱表面的紧固钢板，通过扭剪型高强螺栓拧紧后建立横向预拉力，其合力作用于钢筋混凝土柱表面，根据作用力等于反作用力原理，钢筋混凝土柱表面亦对紧固钢板内壁产生反作用力(正压力)，从而使混凝土表面与紧固钢板内侧面具有与正压力相应的摩擦力，即工程中的抗剪承载力，达到现行先有钢管再浇注混凝土的钢管混凝土柱的受力效果。由于横向预应力的存在，其力学效果比前者更佳。在外包钢板外侧，利用植筋头和扭剪型高强螺栓支托架作固定点，点焊钢丝网片后，再刷掺有防火粉的耐火砂浆，其厚度按防火等级确定。本发明主要应用于单层、多层与高层框架柱因强度、刚度或轴压比限值超限后的加固补强。
附图说明
图1是本发明外包预应力紧固式钢管混凝土矩形柱的侧面结构示意图；
图2是本发明外包预应力紧固式钢管混凝土矩形柱的截面构造示意图；
图3是本发明外包预应力紧固式钢管混凝土矩形柱表面作用力(横向预应力)与反作用力(柱对钢板的反作用力)相等形成力的自平衡体系；
图4是本发明外包预应力紧固式圆形钢管混凝土柱的截面构造示意图；
图5是本发明外包预应力紧固式圆形钢管混凝土柱截面作用力(环向预拉力)与反作用力(柱对钢板径向的反作用力)相等形成力的自平衡体系。
具体实施方式
本发明的实施例1：外包预应力紧固式钢管混凝土矩形柱。如附图1、2所示，首先将矩形的钢筋混凝土柱1外表面进行检查和修整，将表面打磨、清理平整，按设计要求在钢筋混凝土柱1上钻孔、植钢筋；植入的钢筋直径为16～25mm，植入深度为160～250mm，钢筋头露出钢筋混凝土柱1的表面30～40mm，并对植筋位置分别给8块紧固钢板开孔，孔径应大于植筋直径，以利调整钢板位置。8块紧固钢板(钢筋混凝土柱1四角的4块角钢状钢板2和中间的4块矩形钢板3，角钢状钢板2是L形的等肢角钢型截面，矩形钢板3为一字型截面)沿钢筋混凝土柱1的高度方向分若干段，每段1～2m，在每一段的每个表面有两条竖直缝，竖直缝之间设有扭剪型高强螺栓支托架4，在扭剪型高强螺栓支托架4上穿有扭剪型高强螺栓5。分段在钢筋混凝土柱1表面涂刷耐高温结构胶，按植筋位置分别对应挂上8块紧固钢板。将扭剪型高强螺栓支托架4上的扭剪型高强螺栓5拧紧(梅花头剪断即拧紧)，使8块紧固钢板横向产生预拉力P(如图3所示)，预拉力P的合力P₁＝2×1.414P＝2.828P，由柱四角作用于原钢筋混凝土柱1上，根据作用力等于反作用力原理(如图3所示， P 1 = P 1 ′ ]]>)，则的合力P₂＝2×2.828P＝5.656P反作用于紧固钢板内侧面，亦钢筋混凝土柱1表面与紧固钢板内表面之间产生正压力，这是确保紧固钢板与钢筋混凝土柱1共同工作的剪力(N_v＝α_RημP)来源，然后将钢板的所有接缝采用坡口对焊，使所有钢板连为封闭整体，分别将植筋头钢筋与钢板围焊焊牢；然后在矩形钢板3的外表层点焊钢丝网片，并刷加防火粉的高标号水泥防火砂浆即可，防火砂浆的厚度按防火等级确定。
本发明实施例2：外包预应力紧固式钢管混凝土圆柱。如附图4、5所示，首先将圆形的钢筋混凝土柱1外表面进行检查和修整，将表面打磨、清理平整；按设计要求在钢筋混凝土柱1上钻孔、植钢筋；植入的钢筋直径为16～25mm，植入深度为160～250mm，钢筋头露出钢筋混凝土柱1的表面30～40mm，并对植筋位置分别给4块(D≤800mm)或8块(D>800mm)圆弧状截面钢板6(圆弧状截面的钢板6是1/4圆弧形或1/8圆弧形截面)开孔，孔径应大于植筋直径，以利调整钢板位置。4块或8块圆弧状截面钢板6沿钢筋混凝土柱1的高度方向分若干段，每段1～2m。在钢筋混凝土柱1表面涂耐高温结构胶后，马上分段挂上圆弧状截面钢板6，在扭剪型高强螺栓支托架4上穿有扭剪型高强螺栓5。拧紧扭剪型高强螺栓5，使圆弧状截面钢板6环向产生预拉，预拉使圆弧状截面钢板6对钢筋混凝土柱1表面产生预压力，如图5所示，即钢筋混凝土柱1表面与圆弧状截面钢板6之间产生正压应力，从而保证圆弧状截面钢板6与钢筋混凝土柱1表面传递剪应力而共同工作。当扭剪型高强螺栓5达到设计要求的紧固力时，梅花头处被剪断，亦达到紧固产生的横向预拉力，整个圆周长在预拉力作用下对圆形的钢筋混凝土柱1表面产生反作用力，根据作用力等于反作用力原理，则钢筋混凝土柱1表面对圆弧状截面钢板6内侧产生反作用应，如图5所示，从而形成自平衡结构体系。分段将植筋头钢筋与圆弧状截面钢板6塞焊焊牢，然后将圆弧状截面钢板6的所有接缝采用坡口对焊，使所有圆弧状截面钢板6连为封闭整体，在植筋头和扭剪型高强螺栓支托架4上固定钢丝网片，将掺有防火粉的高标号水泥防火砂浆分层抹上，防火砂浆厚度由结构防火等级确定。