后置鋼管式鋼筋混凝土柱軸壓力分配系數分析

萬凌昕，朱華，肖亞明

（1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省建筑科學研究設計院空間結構所，安徽 合肥 230009）

0 前言

鋼管混凝土結構作為一種新型的結構形式，具有強度高、塑性好、韌性強的優點。其中外部的鋼管和內部的混凝土可以相互加強，在外部鋼管的約束下可提高內部混凝土的強度和塑性性能，同時由于內部混凝土的存在可以避免或者延緩鋼管過早的發生局部屈曲[1]。兩種材料相互加強，相互彌補彼此的弱點。在鋼管混凝土的基礎上又延伸了許多鋼管組合結構，例如鋼套管混凝土柱、鋼管混凝土疊合柱等。后置鋼管式鋼筋混凝土柱是在鋼管混凝土的基礎上，結合外包鋼加固方法、鋼管混凝土疊合柱方法提出的一種新型的加固鋼筋混凝土柱的方法。

1 加固設計方案

1.1 工程概況

華星印務高層廠房在施工到地上二層時，發現地下室、一層框架柱混凝土設計強度為C45，但實際檢測強度僅為C30，混凝土強度不滿足設計要求，為保證結構的安全性，故而對原有鋼筋混凝土柱進行加固。既要大幅度提高柱子的承載能力且不能影響原建筑的使用功能，現行的加固方法均不適用。后置鋼管式鋼筋混凝土柱的新型加固方法在此基礎上提出，并運用于工程實際中。

1.2 加固設計

為保證后包鋼管與混凝土柱緊密結合和共同工作，設計要求剝除原柱混凝土保護層后，繼續鑿出外部混凝土，露出內部縱向鋼筋和箍筋。選用10mm厚Q345B鋼板，包在原混凝土柱四周，在現場進行焊接形成鋼管，焊縫等級為一級。鋼板和混凝土之間留有的100mm寬的空腔，內灌高強灌漿料。為了保證鋼管、灌漿料、核心混凝土柱三者之間無相對滑移，且能夠共同受力，在鋼板上焊接8mm長的M10栓釘，核心混凝土與灌漿料之間設置傳力桿，栓釘和傳力桿作為抗剪件可以使三者之間協同工作。后置鋼管式鋼筋混凝土柱加固施工圖如圖1所示。

圖1 加固施工圖

梁柱節點區是受力復雜應力集中區域，是鋼筋交錯縱橫部位，是抗震優先保護區域[2]。所以對于梁柱節點的加固尤為重要，在本加固工程中，梁柱節點的處理為：框架柱、框架梁與一層樓板相交處，鑿出框架柱與樓板接觸部位的混凝土，露出內部鋼筋，加入節點區鋼板，與梁底的外包鋼板進行焊接，形成整體。節點處樓板露出的鋼筋可先行截斷，插入節點區鋼板后，將板內鋼筋與鋼板進行焊接。梁柱節點區域加固的施工圖見圖2。

圖2 梁柱節點加固詳圖

2 監測分析

2.1 監測儀器布置

每個柱子在柱底和柱中截面安裝監控儀器，為了方便監測儀器的安裝，柱底截面選取距離地面300mm處。每個斷面各布置一組3個鋼筋應力計、一組3個鋼筋應變片、一組2個混凝土應變計，合計每根加固柱上安裝6個鋼筋應力計、6個鋼筋應變片和4個混凝土應變計。混凝土應變計綁扎在縱向鋼筋上，用來測量灌漿料的應變增量。后置鋼管的同一斷面處粘貼豎向應變片，每根柱上8個測點，測量鋼管的豎向應變，3根柱共24個應變片。以E4柱為例，各截面監測儀器布置如圖3所示。

圖3 監測儀器布置詳圖

2.2 監測結果

利用PKPM軟件建立相應工況（施工階段）下的大樓模型，其中加固完成時，地上二層樓板未澆筑，設定此時為監測初始狀態，其后在不同施工階段進行監測數據的采集，分別為6層樓板澆筑完成、10層樓板澆筑完成、15層樓板澆筑完成、整體竣工。規定時間點A、B、C、D、E分別代表上述五個不同施工階段的時間點，以便下文進行敘述。

圖4 組合截面各部分軸力分配圖

將結構柱加固完成時作為灌漿料和后置鋼管開始受力的初始點，為方便計算假設加固之前的荷載全部由原核心混凝土區承擔。由監測結果可以得到規定時間的豎向應力應變增量，再根據其彈性模量和截面面積可以計算出后置鋼管、灌漿料和縱向鋼筋部分的軸力。由PKPM模型計算出各時間點的各監測柱的計算軸力值ND，減去這三部分的值，即可得到原核心鋼筋混凝土柱截面所承擔的軸力。由監測結果可得各部分所承擔的軸力以及柱端軸力隨時間變化的柱狀圖，見圖4所示。

可以得出E2、E4、G2柱的原核心混凝土柱、縱向鋼筋、灌漿料和后置鋼管所承擔的軸力都隨著上部荷載的增加而增加，且各部分所占總軸力的百分比比較接近，結合三根被監測柱的計算結果可得出大致的結論，即后置鋼管式鋼筋混凝土柱的軸力分配，原核心混凝土占23%～30%、縱向鋼筋占5%～8%、灌漿料占40%～48%、后置鋼管占22%～25%。

3 有限元分析

通過有限元分析軟件ABAQUS建立相應的加固柱模型，建立鋼筋籠、后置鋼管、灌漿料和原柱混凝土部件，通過參數和各單元的約束設置，實現各個模塊連接[3-4]。模擬后置鋼管式鋼筋混凝土柱在不同施工階段的受力情況，分析計算結果與監測結果的異同，互相驗證數值模擬計算及監測技術。有限元模型的網格劃分見圖5。

圖5 有限元計算模型

組合截面各部分在各規定時間點下的內力值，由各部分的平均應力σ與面積A的乘積得出，分別以Nc、Ns、Nm、Nt代表原核心混凝土內力值、縱向鋼筋內力值、灌漿料內力值、后置鋼管內力值，N代表組合截面所受的總軸力值。按下式計算：

上式中α為后置鋼管式鋼筋混凝土柱的軸壓力分配系數，下標c、s、m和t分別代表核心混凝土、縱向鋼筋、灌漿料和后置鋼管。分別計算E2、E4和G2柱的軸壓力分配系數如表1所示。

軸壓力分配系數表 表1

4 軸壓力分配系數分析

4.1 理論計算方法

目前我國關于鋼管混凝土柱軸壓力分配系數的計算方法有三種，分別為：①哈爾濱工業大學和福州大學等研究的基于試驗和回歸的統一理論[5]；②同濟大學基于鋼結構規范的擬鋼理論[6]；③目前在日本[7]和天津[8]等地區采用的疊加理論。

基于鋼結構規范的擬鋼理論中將混凝土折算成鋼，它是在不改變鋼管橫截面面積的條件下，填充混凝土作為對鋼管壁的屈服強度和彈性模量的提高，以此來換算等效鋼管，并以等效鋼管構件的承載力作為原鋼管混凝土構件的承載力[9]。擬鋼理論中規定了混凝土的受壓力承載系數αc，且規定αc應控制在0.1～0.7之間，并按下式計算：

式中：f、fc—鋼材和混凝土的抗壓強度設計值；

As、Ac—鋼管和管內混凝土的截面面積。

在參考文獻[5]中，指出方鋼管混凝土柱內隔板等的約束作用，鋼管與核心混凝土的變形在節點處相等，根據變形協調理論，可以得到混凝土軸壓力分配系數為：

式中：Es、Ec－鋼材和混凝土的抗壓強度設計值；

4.2 對比分析

根據監測數據處理結果可以得出后置鋼管式鋼筋混凝土柱組合截面各部分軸壓力分配系數的實測值，由上一節中有限元模擬分析，可以得到E2、E4和G2柱組合截面中各部分的軸壓力分配系數的模擬值。整理后見下表 2 至表 4 所示，其中 αc、αs、αm、αt分別代表組合截面中原核心混凝土區、縱向鋼筋、灌漿料、后置鋼管的軸壓力分配系數。

E2柱軸壓力分配系數對比分析 表2

E4柱軸壓力分配系數對比分析 表3

G2柱軸壓力分配系數對比分析 表4

整體上看變形協調理論、數值分析和監控實測三者分配系數的計算結果雖有所偏差，但各部分的軸壓力分配系數相差較小，說明變形協調理論下的軸壓分配系數較接近實際情況，后置鋼管式鋼筋混凝土柱的加固方法能夠達到較為理想的加固效果。

5 結論

①由強度分配理論和變形協調理論分別計算出后置鋼管式鋼筋混凝土柱組合截面的軸壓力分配系數，再根據監測結果和模擬分析得出軸壓力分配系數的實測值和模擬值，進行對比分析后，發現該組合截面的軸壓力分配符合變形協調理論。

②組合截面中核心混凝土軸壓力分配系數在0.30左右，縱向鋼筋軸壓力分配系數在0.05左右，灌漿料軸壓力分配系數在0.40左右，后置鋼管軸壓力分配系數在0.25左右。

③論文研究的成果為今后國內的鋼筋混凝土結構的加固補強提供了一種新型的方法，可供實際工程設計參考和借鑒。