朱貴剛

摘 要：以某一鋼結(jié)構(gòu)廠房為例對(duì)鋼柱外包混凝土加固技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)廠房加固中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)合工程實(shí)際需求，從混凝土材料、保護(hù)層厚度、鋼柱表面清理以及抗剪構(gòu)件的設(shè)置3個(gè)層面探索了影響加固效果的具體因素，最后對(duì)柱腳、柱非節(jié)點(diǎn)區(qū)以及節(jié)點(diǎn)區(qū)的具體加固措施進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：鋼柱外包混凝土;加固技術(shù);鋼結(jié)構(gòu);構(gòu)造措施

中圖分類號(hào)：TU398+.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）04-0154-04

Abstract：Taking a steel structure workshop as an example， this paper systematically studies the application of steel column encased concrete reinforcement technology in the reinforcement of steel structure workshop. Combined with the actual needs of the project， the concrete factors affecting the reinforcement effect are explored from three aspects： concrete material， thickness of protective layer， surface cleaning of steel column and setting of shear members. Finally， specific reinforcement measures for the column foot， column non-node area and node area are elaborated.

Key words：steel column encased concrete; reinforcement technology; steel structure; structural measures

1 工程概況

該廠房為某電廠廠房，原結(jié)構(gòu)為鋼框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)層頂標(biāo)高32.750m，因需要在標(biāo)高17.120m位置新增低溫省煤器，因此，原有H形鋼柱的承載力無法滿足要求，必須要進(jìn)行加固處理。經(jīng)各單位協(xié)商之后，決定采用鋼柱外包混凝土技術(shù)進(jìn)行加固處理，即在完全不卸載的前提下將鋼柱包裹上混凝土，并配備受力鋼筋，從而形成類似于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)。該工程加固前與加固后的部分結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1中所示。

2 影響加固效果的相關(guān)因素分析

2.1 混凝土材料

在該工程項(xiàng)目當(dāng)中由于型鋼與模板之間的間隔的間隔較小，在施工中振搗存在較大難度，同時(shí)由于施工空間限制，混凝土泵車難以入場(chǎng)，只能選擇小型泵送設(shè)備，這就對(duì)混凝土的流動(dòng)性有了一定的要求。依據(jù)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ138-2001）》（以下簡(jiǎn)稱《型鋼規(guī)范》）的相關(guān)規(guī)定型鋼組合柱所使用的混凝土骨料最大粒徑不得超過保護(hù)層的1/3，且不宜大于25mm。綜合考慮以上因素，在該工程當(dāng)中控制混凝土骨料的最大粒徑為15mm，強(qiáng)度等級(jí)為C30。

2.2 保護(hù)層厚度

型鋼混凝土柱的破壞大多起始于保護(hù)層開裂，在混凝土開裂之后型鋼與混凝土的粘結(jié)性能將大幅度折減。適當(dāng)提升混凝土保護(hù)層厚度能避免型鋼柱過早開裂，但隨著保護(hù)層厚度的持續(xù)增加，型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力并不會(huì)持續(xù)提升。此外，《型鋼規(guī)范》中還規(guī)定型鋼柱的混凝土保護(hù)層厚度不宜小于120mm，而《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（YB9082-2006）》（以下簡(jiǎn)稱《鋼骨規(guī)范》）則規(guī)定，型鋼柱的保護(hù)層厚度宜采用150mm。綜合考慮相關(guān)因素，在該工程當(dāng)中，保護(hù)層厚度選擇150mm，但對(duì)于混凝土強(qiáng)度較高的構(gòu)建則適當(dāng)提升保護(hù)層厚度。

2.3 鋼柱表面清理

混凝土與型鋼之間的粘結(jié)力主要是由機(jī)械咬合力、摩擦力以及膠結(jié)力組成，型鋼表面的清理情況會(huì)對(duì)型鋼與混凝土之間的膠結(jié)力產(chǎn)生直接影響，此外，型鋼表面的銹蝕程也會(huì)影響材料間的摩擦系數(shù)，機(jī)械咬合力也必然會(huì)受到影響。由此可見，混凝土與型鋼之間的粘結(jié)力對(duì)鋼柱表面情況具有較高的要求，為了提升二者之間的粘結(jié)力，需要對(duì)型鋼表面進(jìn)行清理。型鋼表面清理的重點(diǎn)是除漆，一般情況下有以下3種除漆方法： ①化學(xué)試劑除漆;②噴砂除漆;③人工打磨除漆。由于化學(xué)試劑除漆難以全面清除底漆，無法滿足該工程的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)噴砂除漆缺乏工作面，在該工程當(dāng)中最終選擇采用人工打磨除漆的方式對(duì)型鋼表面進(jìn)行清理除漆。

2.4 抗剪構(gòu)件的設(shè)置

根據(jù)既有的研究結(jié)果，抗剪構(gòu)件對(duì)于實(shí)腹型型鋼混凝土構(gòu)件的承載力具有較大影響，設(shè)置了抗剪構(gòu)件的型鋼混凝土構(gòu)件能夠?qū)⒊休d力提升20%左右。為此，在該工程當(dāng)中還需要在完成剛柱表面清理之后還需要焊接栓釘。根據(jù)《型鋼規(guī)范》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鋼骨規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，栓釘型號(hào)選擇為19×100，材質(zhì)為Q235B，磁環(huán)型號(hào)選擇為19B1，在完成鋼柱表面清理工作之后在鋼柱翼緣位置進(jìn)行焊接處理。

3 具體加固措施

3.1 柱腳加固措施

該工程原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為“樁基+獨(dú)立承臺(tái)”，在獨(dú)立承臺(tái)之上設(shè)置了長(zhǎng)度為2.2m的短柱，型鋼柱連接到混凝土短柱之上。在本次加固工程當(dāng)中，經(jīng)建模計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在增加荷載之后單床承載力、承臺(tái)承載力以及短柱承載力均能滿足設(shè)計(jì)需求，并不需要進(jìn)行加固處理，只需要對(duì)柱腳進(jìn)行加固即可，具體做法如圖2中所示。增設(shè)的鋼筋通過植筋方式植入短柱之內(nèi)，但由于鋼柱的靴平面要大于鋼柱截面，為此，柱腳位置的外包混凝土需要拓展到柱靴之外，在到達(dá)地面之后再將截面縮小?；A(chǔ)開挖需要采用機(jī)械開挖與人工開挖相結(jié)合的方式，在開挖到一定程度之后必須要采用人工方式進(jìn)行清理，從而更好地保護(hù)相關(guān)構(gòu)件。

3.2 非節(jié)點(diǎn)區(qū)域柱加固措施

按照《鋼骨規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，箍筋的無肢長(zhǎng)度不宜大于300mm?！缎弯撘?guī)范》則規(guī)定考慮地震作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件則必須要采用封閉箍筋，同時(shí)箍筋末端彎鉤應(yīng)為135°，且水平段長(zhǎng)度不得低于10d?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）》則對(duì)柱箍筋加密區(qū)中的箍筋肢距給予了明確的說明：一級(jí)不宜大于200mm，二級(jí)、三級(jí)不宜大于250mm，四級(jí)不宜大于300mm，且至少需要每隔一根鋼筋就需要在兩個(gè)方向有箍筋或拉筋約束。實(shí)際上，在施工現(xiàn)場(chǎng)，梁與柱的鉆孔都存在較大難度，新增的柱縱筋與箍筋均需要避免柱和梁的腹板與翼緣。因此，在該工程項(xiàng)目當(dāng)中根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果適當(dāng)選擇大直徑的箍筋，但適當(dāng)放寬箍筋肢距，以均衡實(shí)際施工需求與套箍需求之間的矛盾。

3.2.1 截面尺寸不大于400的柱加固措施

做法1：為滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)型鋼混凝土組合柱的箍筋構(gòu)造要求，箍筋形式采用雙向4肢箍，即在內(nèi)部增設(shè)由兩個(gè)U型箍焊接而成的封閉箍筋，還需要在外圍設(shè)一個(gè)大的封閉箍筋。此種做法需要注意的是必須要上下箍筋必須要錯(cuò)開焊接位置，具體做法如圖3（a）中所示。

做法2：內(nèi)部箍筋采用正八邊形，由2段或者4段彎折鋼筋焊接而成，外部再設(shè)置一個(gè)封閉箍筋。此種做法中箍筋肢距得到了較好的控制，也能兼顧實(shí)際施工需求，具體做法如圖3（b）中所示。在實(shí)際中以上兩種做法均可，可以按照縱筋與箍筋的實(shí)際計(jì)算值進(jìn)行選擇。

3.2.2 截面尺寸大于400的柱加固措施

對(duì)于截面尺寸大于400的型鋼柱，若采用圖3（a）中的做法，則箍筋肢距無法滿足規(guī)范要求。為此，也采用選擇內(nèi)部正八邊形的小箍筋，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接處理，單面焊接長(zhǎng)度不得低于10d，同時(shí)相鄰箍筋也必須要錯(cuò)開焊接位置，具體做法如圖4中所示。

3.3 節(jié)點(diǎn)區(qū)域柱加固措施

梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)是抗震設(shè)防的重點(diǎn)部位，為了滿足梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)抗震設(shè)計(jì)要求，外圍的箍筋采用由四根L型彎折鋼筋焊接而成的箍筋，鋼筋末端彎折成90°，同時(shí)還需要將鋼筋焊接到梁腹板之上，單面焊接的長(zhǎng)度不得低于10d。內(nèi)部箍筋才使用4根拉筋，兩端均需要彎折成180°的彎鉤，拉筋必須要勾住箍筋且緊鄰縱向鋼筋，兩組箍筋最終形成一個(gè)復(fù)合箍，具體做法如圖5中所示。

3.4 節(jié)點(diǎn)區(qū)縱向主筋的處理分析

由于受到水平構(gòu)件的影響，柱子在節(jié)點(diǎn)處的豎向縱筋難以上下貫通，為此，必須要對(duì)鋼筋進(jìn)行彎折處理。在設(shè)計(jì)時(shí)盡量選擇大直徑的鋼筋，從而減少鋼筋使用量，從而使得主筋能夠盡量避開梁的位置。在該項(xiàng)目當(dāng)中，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)僅有1根鋼筋需要截?cái)嗵幚?，還需要在梁上焊接鋼套筒，并將截?cái)嗟匿摻钸B接到鋼套筒之上。其余梁周邊因受到梁的影響無法貫通的鋼筋直接進(jìn)行彎折處理。由于鋼套筒直接焊接在梁的腹板位置，因此，此處無需再增設(shè)加勁板，具體做法如圖6中所示。

4 結(jié)論

（1）鋼柱外包混凝土技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選擇高強(qiáng)度混凝土，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工需求來選擇合適的骨料粒徑，從而有效均衡混凝土流動(dòng)性與振搗密實(shí)性需求。

（2）需要對(duì)鋼柱表面進(jìn)行清理，徹底清除型鋼柱表面的油污、鐵銹等，提升型鋼柱與混凝土之間的粘結(jié)力。

（3）混凝土保護(hù)層厚度必須要根據(jù)所使用的混凝土強(qiáng)度以及鋼柱的翼緣寬度適當(dāng)加厚。

（4）在鋼柱表面焊接抗剪連接件以協(xié)調(diào)新增混凝土與型鋼柱之間的變形，以滿足平截面假定。

（5）所增設(shè)的柱縱筋與箍筋除了需要滿足計(jì)算要求之外，還需要考慮鋼筋綁扎施工需求。

（6）柱腳與梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)是最重要的傳力部位，必須要確保鋼筋能夠貫通，若不能貫通，則必須要采用相應(yīng)的措施，如采用套筒連接，鋼筋彎折等措施。

該工程自加固竣工之后至今無任何異常，實(shí)踐證明鋼柱外包混凝土在鋼結(jié)構(gòu)廠房加固中的應(yīng)用也是安全可靠的。但設(shè)計(jì)不僅需要滿足結(jié)構(gòu)受力需求，同時(shí)還要兼顧施工需求，系統(tǒng)分析加固需求，并采取有效的構(gòu)造措施來解決矛盾，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]楊文強(qiáng)，劉巍，黃正明.鋼柱外包混凝土加固在鋼框架加固中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2018，48（S2）：735-740.

[2]王元清，張寧，丁大益，等.鋼框架結(jié)構(gòu)的鋼-混凝土組合加固法及其工程應(yīng)用[J].四川建筑科學(xué)研究，2017，43（01）：34-38.

[3]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]YB 9082-2006， 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5]吳建斌，黃振華，廖勇文.鋼筋混凝土柱外包粘鋼在加固技術(shù)中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2006（07）：83-85.

[6]JGJ 138-2001， 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[7]周樂，鄭媛，吳劍秋，等.外包鋼筋混凝土加固軸壓鋼柱施工工藝[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，30（06）：481-484+506.

[8]周樂，鄭媛.基于ABAQUS的負(fù)載下外包鋼筋混凝土加固鋼柱非線性有限元分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2017，32（12）：17-21.

[9]韋東.鋼筋混凝土框架頂部鋼結(jié)構(gòu)加層柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].建材與裝飾，2016（48）：7-8.

[10]伊軍偉，王曉初，萬路霞.外包混凝土加固預(yù)壓鋼構(gòu)件的正截面承載力研究[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，28（05）：397-401.

[11]周樂，聶曉梅，王元清，等.負(fù)載下外包鋼筋混凝土加固鋼柱軸壓性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36（S1）：275-284.

[12]謝冰花，陳道政.框架結(jié)構(gòu)輕鋼加層鋼柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與施工[J].施工技術(shù)，2014，43（20）：86-88+97.