鋼柱外包混凝土加固技術在鋼結構廠房加固設計中的應用研究

朱貴剛

摘 要：以某一鋼結構廠房為例對鋼柱外包混凝土加固技術在鋼結構廠房加固中的應用進行了系統的研究，結合工程實際需求，從混凝土材料、保護層厚度、鋼柱表面清理以及抗剪構件的設置3個層面探索了影響加固效果的具體因素，最后對柱腳、柱非節點區以及節點區的具體加固措施進行了詳細的闡述。

關鍵詞：鋼柱外包混凝土;加固技術;鋼結構;構造措施

中圖分類號：TU398+.9 文獻標識碼：A 文章編號：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，原結構為鋼框架結構，設計層頂標高32.750m，因需要在標高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，必須要進行加固處理。經各單位協商之后，決定采用鋼柱外包混凝土技術進行加固處理，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構的支撐結構。該工程加固前與加固后的部分結構對比如圖1中所示。

2 影響加固效果的相關因素分析

2.1 混凝土材料

在該工程項目當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，同時由于施工空間限制，混凝土泵車難以入場，只能選擇小型泵送設備，這就對混凝土的流動性有了一定的要求。依據《型鋼混凝土組合結構技術規程（JGJ138-2001）》（以下簡稱《型鋼規范》）的相關規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層的1/3，且不宜大于25mm。綜合考慮以上因素，在該工程當中控制混凝土骨料的最大粒徑為15mm，強度等級為C30。

2.2 保護層厚度

型鋼混凝土柱的破壞大多起始于保護層開裂，在混凝土開裂之后型鋼與混凝土的粘結性能將大幅度折減。適當提升混凝土保護層厚度能避免型鋼柱過早開裂，但隨著保護層厚度的持續增加，型鋼與混凝土之間的粘結力并不會持續提升。此外，《型鋼規范》中還規定型鋼柱的混凝土保護層厚度不宜小于120mm，而《鋼骨混凝土結構技術規程（YB9082-2006）》（以下簡稱《鋼骨規范》）則規定，型鋼柱的保護層厚度宜采用150mm。綜合考慮相關因素，在該工程當中，保護層厚度選擇150mm，但對于混凝土強度較高的構建則適當提升保護層厚度。

2.3 鋼柱表面清理

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

2.4 抗剪構件的設置

根據既有的研究結果，抗剪構件對于實腹型型鋼混凝土構件的承載力具有較大影響，設置了抗剪構件的型鋼混凝土構件能夠將承載力提升20%左右。為此，在該工程當中還需要在完成剛柱表面清理之后還需要焊接栓釘。根據《型鋼規范》、《鋼結構設計規范》、《鋼骨規范》中的相關規定，栓釘型號選擇為19×100，材質為Q235B，磁環型號選擇為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

該工程原基礎設計為“樁基+獨立承臺”，在獨立承臺之上設置了長度為2.2m的短柱，型鋼柱連接到混凝土短柱之上。在本次加固工程當中，經建模計算發現，在增加荷載之后單床承載力、承臺承載力以及短柱承載力均能滿足設計需求，并不需要進行加固處理，只需要對柱腳進行加固即可，具體做法如圖2中所示。增設的鋼筋通過植筋方式植入短柱之內，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，在到達地面之后再將截面縮小。基礎開挖需要采用機械開挖與人工開挖相結合的方式，在開挖到一定程度之后必須要采用人工方式進行清理，從而更好地保護相關構件。

3.2 非節點區域柱加固措施

按照《鋼骨規范》中的相關規定，箍筋的無肢長度不宜大于300mm。《型鋼規范》則規定考慮地震作用的結構構件則必須要采用封閉箍筋，同時箍筋末端彎鉤應為135°，且水平段長度不得低于10d。《建筑抗震設計規范（GB50011-2010）》則對柱箍筋加密區中的箍筋肢距給予了明確的說明：一級不宜大于200mm，二級、三級不宜大于250mm，四級不宜大于300mm，且至少需要每隔一根鋼筋就需要在兩個方向有箍筋或拉筋約束。實際上，在施工現場，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，在該工程項目當中根據實際計算結果適當選擇大直徑的箍筋，但適當放寬箍筋肢距，以均衡實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：為滿足相關規范對型鋼混凝土組合柱的箍筋構造要求，箍筋形式采用雙向4肢箍，即在內部增設由兩個U型箍焊接而成的封閉箍筋，還需要在外圍設一個大的封閉箍筋。此種做法需要注意的是必須要上下箍筋必須要錯開焊接位置，具體做法如圖3（a）中所示。

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

3.2.2 截面尺寸大于400的柱加固措施

對于截面尺寸大于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范要求。為此，也采用選擇內部正八邊形的小箍筋，并在現場進行焊接處理，單面焊接長度不得低于10d，同時相鄰箍筋也必須要錯開焊接位置，具體做法如圖4中所示。

3.3 節點區域柱加固措施

梁柱節點區是抗震設防的重點部位，為了滿足梁柱節點區抗震設計要求，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°，同時還需要將鋼筋焊接到梁腹板之上，單面焊接的長度不得低于10d。內部箍筋才使用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復合箍，具體做法如圖5中所示。

3.4 節點區縱向主筋的處理分析

由于受到水平構件的影響，柱子在節點處的豎向縱筋難以上下貫通，為此，必須要對鋼筋進行彎折處理。在設計時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。在該項目當中，梁柱節點區僅有1根鋼筋需要截斷處理，還需要在梁上焊接鋼套筒，并將截斷的鋼筋連接到鋼套筒之上。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，此處無需再增設加勁板，具體做法如圖6中所示。

4 結論

（1）鋼柱外包混凝土技術應用于鋼結構加固設計時，應盡量選擇高強度混凝土，并結合現場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性與振搗密實性需求。

（2）需要對鋼柱表面進行清理，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力。

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

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

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

（6）柱腳與梁柱節點區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，實踐證明鋼柱外包混凝土在鋼結構廠房加固中的應用也是安全可靠的。但設計不僅需要滿足結構受力需求，同時還要兼顧施工需求，系統分析加固需求，并采取有效的構造措施來解決矛盾，保證結構的安全性。

參考文獻

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

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

[3]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[4]YB 9082-2006， 鋼骨混凝土結構技術規程[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中的應用[J].工程建設與設計，2006（07）：83-85.

[6]JGJ 138-2001， 型鋼混凝土組合結構技術規程[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].沈陽大學學報（自然科學版），2018，30（06）：481-484+506.

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

[9]韋東.鋼筋混凝土框架頂部鋼結構加層柱腳節點設計[J].建材與裝飾，2016（48）：7-8.

[10]伊軍偉，王曉初，萬路霞.外包混凝土加固預壓鋼構件的正截面承載力研究[J].沈陽大學學報（自然科學版），2016，28（05）：397-401.

[11]周樂，聶曉梅，王元清，等.負載下外包鋼筋混凝土加固鋼柱軸壓性能試驗研究[J].建筑結構學報，2015，36（S1）：275-284.

[12]謝冰花，陳道政.框架結構輕鋼加層鋼柱腳節點設計與施工[J].施工技術，2014，43（20）：86-88+97.