CN105926961A - 预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法，主要特征在于：在混凝土柱上安装钢板箍，利用扩张工具对钢板箍进行侧向扩张，安装预紧卡条，撤出扩张工具后将预紧卡条与钢板箍进行点焊连接，实现预应力钢板箍对矩形截面混凝土柱的加固。本发明的加固方法在矩形柱角部及四边均获得有效的主动约束作用，可以形成基本均匀的环向约束效果，使混凝土处于三向受压状态，从而更加有效地提高混凝土柱承载力、延性等性能，适合对于轴心受压或小偏心受压的矩形截面混凝土柱的加固施工。

Description

预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法

技术领域

本发明涉及一种预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法，属于建筑结构加固技术领域。

背景技术

对于承载力不满足要求或需要提高延性的矩形截面混凝土柱，常用的加固方法有增大截面加固法、外包碳纤维布加固法、外包钢板箍、外包型钢等加固方法。其中，外包钢板箍加固法是实际工程中经常采用的一种加固方法，该方法具有取材便捷、施工方便等优点。对于矩形截面混凝土柱，原柱混凝土应力水平较高时，普通外包钢板箍加固方法存在着一定缺点，表现在原混凝土材料和加固用的钢板材料存在着应力滞后效应，即混凝土柱受压产生横向变形后，钢板箍才开始受力并约束混凝土，但钢板箍应力有可能始终处于低水平状态，不能充分发挥约束混凝土的作用，达不到预定加固目的。

解决应力滞后效应、提高钢板箍利用率和加固效果的有效方法是对混凝土柱采用横向预应力技术，即通过对加固所用的钢板箍施加环向预拉力，使得钢板箍处于预先受拉状态，从而使混凝土柱获得主动横向约束力，降低应力滞后效应。现有钢板箍加固矩形截面混凝土柱技术中，一种方法是采用压力注胶使外包钢板获得一定预应力，但注胶方法所获得的主动约束力非常小；另一种方法在混凝土柱角部位置对应的钢板箍处预留螺栓孔，通过拧紧斜向螺栓的方法对柱混凝土施加横向预应力，或者将钢板箍安装前先将加力部件固定在钢板箍上，采用旋紧高强螺栓的施加方式施加预应力，在箍板对接处采用钢板焊接；此外，还可以通过升高钢板箍温度，然后再恢复至常温的方式给钢板箍施加预应力。

对于预应力外包钢板箍加固矩形截面混凝土柱，现有预应力加固方式下，钢板箍在柱四边存在平直段，虽然钢板箍的应力水平较高，但钢板箍对混凝土柱的约束主要集中在矩形柱角部，钢板箍平直段与柱混凝土没有有效的相互作用约束，钢板箍平直段对混凝土的约束是被动式约束，即混凝土已经出现开裂及较明显的横向变形，钢板平直段被挤弯的同时，钢板反作用于混凝土的横向变形，显然约束效果并不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法，不但能够对柱角部产生有效约束，而且能够有效地约束柱四边的混凝土，更好地发挥预应力钢板箍对矩形混凝土柱的加固效果。

本发明提出一种预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法，其特征在于，在混凝土柱1 上安装钢板箍3，利用扩张工具5对钢板箍3进行侧向扩张，安装预紧卡条6，撤出扩张工具5后将预紧卡条6与钢板箍3进行点焊连接，实现预应力钢板箍对混凝土柱的加固。

本发明的预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法具体步骤如下：

步骤1，根据混凝土柱承担的荷载情况、混凝土柱截面尺寸、配筋及材料强度等参数，计算竖向荷载作用下混凝土柱的荷载作用效应γ₀S、正截面受压承载力N；

步骤2，进行预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱的加固设计，初步拟定加固所用的钢板箍截面尺寸、钢板箍间距、钢板箍材料强度，计算钢板箍的体积配箍率ρ_sv，计算预应力钢板箍加固后的混凝土等效轴心抗压强度设计值f_c ^eq，f_l为约束应力，f_c为加固前混凝土轴心抗压强度设计值，f_sp为钢板箍拉应力，其中，根据所选钢板箍材料强度设计值，确定钢板箍拉应力f_sp；

步骤3，计算预应力钢板箍加固后的混凝土柱轴压承载力N_s， 为钢筋混凝土构件的稳定系数，A为混凝土柱截面面积，f′_y、A′_s为受压钢筋抗压强度设计值及面积；

步骤4，比较N_s及步骤1计算的荷载作用效应γ₀S，调整步骤2拟定的钢板箍截面尺寸、钢板箍间距、钢板箍材料及钢板箍拉应力，根据步骤2、步骤3重新计算N_s，使得N_s≥γ₀S；

步骤5，确定混凝土柱四边钢板箍的预紧卡条位置及数量，每个边的预紧卡条数量为2个，预紧卡条设置在柱边的三分点位置附近；确定钢板箍在柱四边的初始高度h1及初始形状，h1取柱边长的

步骤6，根据步骤4的钢板箍拉应力f_sp，初步确定钢板箍的单边扩张量h2，计算单边钢板箍的伸长量ΔL，计算钢板箍应变L₁为单边钢板箍初始形状长度，计算钢板箍应力σ＝Eε，对比f_sp与σ，反复调整钢板箍的单边扩张量h2，使得f_sp与σ两者数值差在以内，最终确定钢板箍的单边扩张量h2；

步骤7，混凝土柱1表面及角部打磨处理，柱角部安装护角钢板2，然后安装钢板箍3、撑件4；

步骤8，利用扩张工具5对钢板箍3进行侧向扩张，实现钢板箍3的张拉，测量拟设置预紧卡条位置的侧向扩张量，当扩张量达到h2时，停止扩张，安装预紧卡6条并将其临时固定在混凝土柱1表面；

步骤9，卸载并撤出扩张工具5，将预紧卡条6与钢板箍3进行点焊连接；

步骤10，将钢板箍3与混凝土柱1之间的间隙灌注粘结材料，钢板构件及混凝土表面涂抹防护层，完成矩形截面混凝土柱的预应力钢板箍加固施工。

进一步地，矩形混凝土柱四个边的预紧卡条数量可以为1个，当设置1个时，预紧卡条设置在柱边的中点附近，计算方法及计算过程基本相同。

进一步地，预紧卡条与钢板箍可以采用点焊方式连接，也可采用螺栓方式连接。钢板箍与混凝土柱之间灌注的粘结材料可以是高强灌浆料、水泥砂浆等。

与现有钢板箍加固矩形混凝土柱及预应力钢板箍加固矩形混凝土柱技术相比，本发明的创新性及有益效果在于：

(1)钢板箍预应力产生机理不同。针对矩形截面混凝土柱，本发明将钢板箍由传统矩形形状改变为多边形形状，采用侧向扩张钢板箍的方法获得预应力，不同于现有直接拉伸钢板箍方法获得预应力，也不同于升温降温方法获得预应力。

(2)钢板箍约束区域范围不同。现有预应力钢板箍加固矩形混凝土柱在柱四边均存在钢板箍平直段，约束区域仅集中在柱的四个角部，而柱四边的钢板箍与柱混凝土没有有效的相互作用约束，本发明的加固方法在矩形柱角部及四边均获得有效的主动约束作用，产生基本均匀的环向约束效果，使混凝土处于三向受压状态，从而更加有效地提高混凝土柱承载力、延性等性能，较好地限制和延缓了混凝土柱开裂，并充分发挥钢板箍的抗拉性能。

附图说明

图1为本发明的预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法主要流程图；

图2为本发明的预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱施工过程示意图；

图3为本发明的预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱平面示意。

附图标记：1-混凝土柱、2-护角钢板、3-钢板箍、4-撑件、5-扩张工具、6-预紧卡条

具体实施方式

本发明提供了一种预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1示出了本发明的预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法的主要流程。

图2、图3示出了本发明的预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法的一个具体实施例。

混凝土柱截面尺寸l×b＝600×600mm，混凝土强度等级C25，轴心抗压强度设计值f_c＝11.9N/mm²，轴压荷载设计值6000kN，纵筋配筋为钢筋材料强度设计值f′_y＝300N/mm²，混凝土柱安全等级二级，构件稳定系数1.0。

步骤1，根据混凝土柱承担的荷载情况、混凝土柱截面尺寸、配筋及材料强度等参数，计算竖向荷载作用下混凝土柱的荷载作用效应γ₀S、混凝土柱承载力。混凝土柱安全等级二级，荷载作用效应γ₀S＝6000kN，正截面受压承载力N＝4873kN，承载力小于荷载作用效应，需要进行加固。

步骤2，进行预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱的加固设计，初步拟定加固所用的钢板箍截面尺寸100×4mm、钢板箍面积A_s＝400mm²、钢板箍间距s＝100mm、钢板箍材料Q235b，加固设计时取钢板箍拉应力f_sp＝150N/mm²，钢板箍弹性模量E＝2.01×10⁵N/mm²；计算钢板箍的体积配箍率，为简化计算，取计算预应力钢板箍加固后的混凝土等效轴心抗压强度设计值f_c ^eq：约束应力等效轴心抗压强度设计值

步骤3，计算预应力钢板箍加固后的混凝土柱轴压承载力N_s，

步骤4，比较N_s及步骤1计算的荷载作用效应γ₀S，N_s＝9627.1kN>γ₀S＝6000kN，满足计算要求，拟定的钢板箍截面尺寸、材料型号等满足要求，不需要调整。若N_s仍小于荷载作用效应，则适当增大步骤2拟定的钢板箍截面尺寸，减小钢板箍间距，或者提高钢板箍材料强度及钢板箍拉应力，根据步骤2、步骤3重新计算N_s，使得N_s≥γ₀S。

步骤5，确定混凝土柱四边钢板箍的预紧卡条位置及数量，每个边的预紧卡条数量为2个，预紧卡条设置在柱边的三分点位置附近；确定钢板箍在柱四边的初始高度h1，h1取柱边长的本实施例取h1＝30mm，确定钢板箍的初始形状，见附图2(a)。

步骤6，根据步骤4的钢板箍拉应力f_sp＝150N/mm²，初步确定钢板箍的单边扩张量h2＝1.5mm，计算单边钢板箍的伸长量ΔL＝2×(202.4654－202.2375)＝0.4558mm，计算钢板箍应变L₁为单边钢板箍初始形状长度；计算钢板箍应力σ＝Eε＝151.6 N/mm²，接近设计钢板箍拉应力f_sp＝150N/mm²，f_sp与σ两者数值差在以内，扩张量h1＝1.5mm取值合理。若计算钢板箍应力与设计钢板箍拉应力相差较大，则通过调整h2，也可以调整h1，或同时调整h1、h2，重新计算钢板箍应力，使之接近设计钢板箍拉应力。

步骤7，混凝土柱1表面及角部打磨处理，柱角部安装护角钢板2，然后安装钢板箍3、撑件4，见图2(a)。

步骤8，利用扩张钳或其他扩张工具5对柱四边的钢板箍进行侧向扩张，实现钢板箍的张拉，测量拟设置预紧卡条位置的侧向扩张量，当单边扩张量达到h2＝1.5mm时，停止扩张，安装预紧卡条并将其临时固定在混凝土柱表面，见图2(b)、图2(c)。

步骤9，卸载并撤出扩张工具5，将预紧卡条与钢板箍进行点焊连接，见图2(d)。

步骤10，将钢板箍3与混凝土柱1之间的间隙灌注M10水泥砂浆，钢板构件及混凝土表面涂抹防护层，完成预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱施工，见图3。

与现有预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱技术相比，现有预应力钢板箍加固矩形混凝土柱在柱四边均存在钢板箍平直段，约束区域仅集中在柱的四个角部，而柱四边的钢板箍与柱混凝土没有有效的相互作用约束，本发明的加固方法在矩形柱角部及四边均获得有效的主动约束作用，产生基本均匀的环向约束效果，使混凝土处于三向受压状态，从而更加有效地提高混凝土柱承载力、延性等性能，较好地限制和延缓了混凝土柱开裂，并充分发挥钢板箍的抗拉性能。

本实施例中，当采用传统钢板箍或预应力钢板箍加固600×600mm混凝土柱时，柱四边钢板箍存在平直段，以柱四边的三分之一点位置横向变形为例，该位置因混凝土横向变形由0增加1.5mm时，钢板拉应力只增加3.75N/mm²，应力增加量很小，所以很容易受混凝土侧向挤压变弯，难以发挥约束作用；而当钢板箍在该位置存在初始高度h1＝30mm，该位置因混凝土横向变形增加1.5mm时，钢板拉应力增加151.6N/mm²，应力增加量很大，有效地发挥了钢板箍的约束作用，提高加固材料利用率。随着钢板箍在柱四边初始弦高值(即h1)的增加，同样弦高增大量(即h2)所引起的钢板应力增量越大，钢板的径向约束效率越高，加固效果越好。

以上通过实施例对本发明进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式、所用加固材料及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法，其特征在于，在混凝土柱1上安装钢板箍3，利用扩张工具5对钢板箍3进行侧向扩张，安装预紧卡条6，撤出扩张工具5后将预紧卡条6与钢板箍3进行点焊连接，实现预应力钢板箍对混凝土柱的加固。

2.根据权利要求1所述的一种预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据混凝土柱承担的荷载情况、混凝土柱截面尺寸、配筋及材料强度等参数，计算竖向荷载作用下混凝土柱的荷载作用效应γ₀S、正截面受压承载力N；

步骤2，进行预应力钢板箍加固矩形截面混凝土柱的加固设计，初步拟定加固所用的钢板箍截面尺寸、钢板箍间距、钢板箍材料强度，计算钢板箍的体积配箍率ρ_sv，计算预应力钢板箍加固后的混凝土等效轴心抗压强度设计值 f_l为约束应力，f_c为加固前混凝土轴心抗压强度设计值，f_sp为钢板箍拉应力，其中，根据所选钢板箍材料强度设计值，确定钢板箍拉应力f_sp；

步骤3，计算预应力钢板箍加固后的混凝土柱轴压承载力N_s， 为钢筋混凝土构件的稳定系数，A为混凝土柱截面面积，f′_y、A′_s为受压钢筋抗压强度设计值及面积；

步骤4，比较N_s及步骤1计算的荷载作用效应γ₀S，调整步骤2拟定的钢板箍截面尺寸、钢板箍间距、钢板箍材料及钢板箍拉应力，根据步骤2、步骤3重新计算N_s，使得N_s≥γ₀S；

步骤5，确定混凝土柱四边钢板箍的预紧卡条位置及数量，每个边的预紧卡条数量为2个，预紧卡条设置在柱边的三分点位置附近；确定钢板箍在柱四边的初始高度h1及初始形状，h1取柱边长的

步骤6，根据步骤4的钢板箍拉应力f_sp，初步确定钢板箍的单边扩张量h2，计算单边钢板箍的伸长量ΔL，计算钢板箍应变L₁为单边钢板箍初始形状长度，计算钢板箍应力σ＝Eε，对比f_sp与σ，反复调整钢板箍的单边扩张量h2，使得f_sp与σ两者数值差在f_sp以内，最终确定钢板箍的单边扩张量h2；

步骤7，混凝土柱1表面及角部打磨处理，柱角部安装护角钢板2，然后安装钢板箍3、撑件4；

步骤8，利用扩张工具5对钢板箍3进行侧向扩张，实现钢板箍3的张拉，测量拟设置预紧卡条位置的侧向扩张量，当扩张量达到h2时，停止扩张，安装预紧卡6条并将其临时固定在混凝土柱1表面；

步骤9，卸载并撤出扩张工具5，将预紧卡条6与钢板箍3进行点焊连接；

步骤10，将钢板箍3与混凝土柱1之间的间隙灌注粘结材料，钢板构件及混凝土表面涂抹防护层，完成矩形截面混凝土柱的预应力钢板箍加固施工。