東莞國貿中心裙房大尺寸混凝土柱濕式外包鋼加固后受力性能監測研究

艾心熒，李威雄，潘兆東，楊 孝，袁華民，馮俊雄

（1.東莞理工學院 生態環境與建筑工程學院，廣東 東莞 523808；2.東莞市工程結構檢測/鑒定/加固研究與應用重點實驗室，廣東 東莞 523808；3.廣東中青建筑科技有限公司，廣東 東莞 523808）

0 引言

建筑加固改造是指既有建筑因某些原因需在科學檢測鑒定基礎上采取合理的加固修繕措施（如利用碳纖維、黏鋼、高壓灌漿等），或通過結構改造以提高原結構的安全性和耐久性。建筑加固是近幾年建筑行業中比較熱門的新興朝陽行業，現有已建、在建，甚至未來擬建的建筑都是建筑加固行業廣闊的市場基礎。

混凝土結構柱作為建筑中的主要承重結構，在房屋結構中起了重要的支撐作用，是各類建筑中主要構件之一。隨著建筑服役年份的增長，由于前期缺陷或荷載、環境的不斷變化，經常出現柱耐久性下降，強度與剛度不足的情況；或者由于建筑物建成后其使用功能（荷載、環境發生改變）發生變化，導致柱體承載力無法滿足使用要求。而混凝土柱的破壞具有突然性，易導致事故的發生。因此關注混凝土柱的狀態，對有缺陷或承載力不足柱體進行加固是極為必要的［1-3］。

混凝土柱子加固的方法很多［4，5］，其中較為常用的分別是增大截面加固法、外包鋼加固法、黏鋼加固法、碳纖維布加固法、繞絲法。其中，外包鋼加固法憑借其構件的截面尺寸增加不多，但承載力可有較大幅度提高等優點，得到廣泛應用［6-9］。根據現有研究及應用經驗結果，結構柱外包鋼加固中，鋼和混凝土結構依靠膠體和錨栓粘結，應力傳遞的有效厚度一般在 6 mm 左右，若外包鋼板太厚就沒有實際意義了。根據現有規范和規程，濕式外包鋼加固鋼板厚度一般不超過 30 mm。

然而現有建筑物往往由于建筑規模較大、層數較多，一旦結構柱所承載的荷載發生變化，根據現有規范方法計算得出的外包鋼板厚度往往超出這一數值，達到 50～70 mm 厚。因此，針對大尺寸結構柱進行外包鋼加固時（荷載增加較大導致外包鋼板較厚的結構柱），基于現有規范和規程進行設計、施工是否合理，還需要進行進一步研究與驗證。本文基于東莞國貿中心商業裙房大尺寸混凝土結構柱濕式外包鋼加固實例，開展受力性能監測研究，為類似工程提供有益借鑒。

1 工程概況

東莞國貿中心商業裙房為多層綜合商業購物中心（1 F～9 F），其結構柱截面為正方形（見圖 1）。由于裙房功能發生改變，導致結構外荷載發生增大，超出原設計荷載。經設計后決定通過原結構柱外包鋼板進行加固（鋼板與原結構柱中間灌注高強度漿體），提高其承載力，外包鋼板厚度最大達 70 mm。為了檢驗加固效果，驗證加固設計計算的科學合理性，特針對加固后大尺寸混凝土結構柱開展受力性能監測研究（見圖 2）。

圖1 國貿中心裙樓結構柱加固平面布置圖

圖2 裙房結構柱加固施工現場

2 監測方案

2.1 監測方法及技術

本項目采用振弦傳感器技術，對加固后結構柱外包鋼板在結構施工及運營期間的表面應力及溫度進行監測，具體監測方法如下。

1）外包鋼板表面應力監測。采用 BGK-4000 型振弦式弧焊型應變計監測加固后結構柱外包鋼板表面應力，并利用內置的溫度傳感器測得的溫度數據進行溫度補償，從而獲得加固后結構柱外包鋼板的實際應力值。采用美國基康公司生產的 BGK408 型振弦式讀數儀采集。

2）外包鋼板表面溫度監測。采用 BGK-4000 型振弦式弧焊型應變計內置的溫度傳感器監測加固后結構柱外包鋼板表面的溫度。采用美國基康公司生產的BGK408 型振弦式讀數儀采集。

2.2 傳感器布置

2.2.1 傳感器布置原則

1）考慮結構柱在商場施工及運營期間的溫度變化及受力特點（荷載變化）。

2）結合裙房結構施工工藝及流程，考慮測點布置與結構施工相互影響。

3）考慮其他影響加固結構柱受力、溫度及施工流程的因素。

2.2.2 傳感器布置方案（見圖 3、圖 4）

圖3 各樓層傳感器布置方案

圖4 -2 層/ -4 層傳感器安裝示意圖

1）豎向每間隔 2 層布置傳感器，共 2 層需要布置（底層已施工完畢）。

2）每層選擇 1 根截面最大的柱子布設傳感器。

3）每根柱子在柱腳（離樓面約 50 cm 處），沿柱子截面四周布置 4 個傳感器，分別位于 4 塊鋼板表面。

2.3 監測頻率及周期

1）各監測指標的實際監測頻率，應根據現場施工布置及階段、結構柱環境溫度及受力特點，分階段動態調整執行。

2）各監測指標監測頻率如表 1 所示。

表1 監測頻率表

3）監測周期。自傳感器安裝完畢起至國貿中心商業裙房施工完畢及試運營期間（見圖 5）。

圖5 測點布置及數據采集照片

3 監測結果及分析

3.1 溫度監測結果分析

選取 2017.11.5～2017.12.24（共 50 d）期間溫度監測數據，以時間為橫坐標、結構柱表面溫度值為縱坐標，繪制各監測結構柱表面溫度時程曲線，如圖 6、圖 7 所示。

圖6 -2 層結構柱表面溫度時程曲線

圖7 4 層結構柱表面溫度時程曲線

圖8 東莞歷史同期溫度時程曲線

通過上述結構柱表面溫度監測數據及東莞歷史同期溫度數據分析可知：-2 層結構柱表面溫度監測開始 0～8 d，柱子表面溫度隨環境溫度由 21°緩慢上升至24.5°；第 8～21 d，柱子表面溫度隨環境溫度逐漸下降，且下降速率日趨增大，由 24.5°下降至 16°；第 21～47 d，結構柱表面溫度隨環境溫度在波動中總體逐漸下降，但下降速率較小；第 47 d 以后結構柱表面溫度隨環境溫度呈上升趨勢。4 層結構柱表面溫度從第 15 d 開始監測，其變化趨勢與 -2 層結構柱基本一致。

上述結構柱表面溫度監測數據與東莞歷史同期環境溫度監測數據變化趨勢基本一致，表明結構構件溫度受環境溫度影響較大，兩者變化規律基本一致。其主要原因是構件混凝土澆筑凝結一定時間后，其水化放熱量較小，構件熱量特性主要受環境溫度場影響。當場地內無較大施工熱源產生時，構件溫度特性取決于環境溫度場。

3.2 應力/應變監測結果分析

選取 2017.11.5～2017.12.24（共 50 d）期間各監測結構柱加固鋼板表面應力/應變監測數據，以時間為橫坐標、應力值為縱坐標，繪制各監測結構柱表面應力時程曲線，如圖 9、圖 10 所示。

圖9 -2 層監測結構柱加固鋼板表面應力時程曲線

圖10 4 層監測結構柱加固鋼板表面應力時程曲線

通過上述結構柱加固鋼板表面應力/應變監測數據分析可知。

1）-2 層監測結構柱加固鋼板始終處于受壓狀態，結構柱加固鋼板各測點表面應力/應變監測開始 0～8 d，加固鋼板表面應力增長迅速，其中增長最快測點 -2 層 -3 由 0 增至 108.6 MPa；第 8 d 以后，柱加固鋼板表面應力趨于平穩，未見明顯波動。

分析上述數據變化原因，主要是由于-2 層結構柱各測點安裝較晚（已完成灌漿數日），鋼板與原結構柱中間高強度灌注漿體已逐漸凝固硬化，加固鋼板與原結構柱協同工作機制逐漸建立，共同承擔上部結構荷載，因而第 0～8 d 應力發展迅速；后續加固鋼板與原結構柱共同工作，應力重分布完成，因為受力趨于穩定。

2）4層監測結構柱表面應力/應變監測開始 0～12 d，加固鋼板各測點處于受壓狀態，表面應力值逐漸增大，但增幅較小，增幅最大測點 4 層-3 應力值為 11.4 MPa；第 12～16 d，加固鋼板各測點表面應力值由負變正，反映其受力狀態“由受壓變為受拉”，且變化速率較大；第 16 d 以后，柱加固鋼板表面應力趨于平穩，未見明顯波動。

4 層各測點安裝時還未注漿，0～12 d 處于加固初期，由于鋼板與原結構柱中間高強度灌注漿體尚處于塑性狀態，鋼板與原結構柱之間的協同工作機制暫未建立，加固鋼板主要通過上部固定端傳來的部分豎向荷載，因而處于受壓狀態，且應力值增長較小；12～16 d，隨著鋼板與原結構柱中間高強度灌注漿體逐漸凝固硬化，加固鋼板與原結構柱緊密結合，兩者協同工作機制逐漸建立，發生應力重分布，因而應力值變化較快；同時由于 4 層監測柱緊鄰電梯井，在上部結構復雜荷載作用下，有向電梯井凌空一側變形趨勢，從而導致柱底呈受拉狀態。

3.3 應力隨溫度監測關系

圖11 -2 層各測點加固鋼板表面應力-溫度關系曲線

綜合對比圖 7～圖 12 可知：結構柱表面應力-溫度變化曲線變化規律與結構柱表面應力時程曲線一致，與結構柱表面溫度時程曲線變化規律未呈現明顯相關性。分析其原因，首先是由于監測結構柱處于建筑物內部，且監測時間區段總體處于同一個季節內，溫度變化差異性不大；其次，結構柱表面加固鋼板，受到鋼板與原結構柱中間灌注漿體高強度約束，與混凝土協調變形，熱脹冷縮效應較小。

圖12 4 層各測點加固鋼板表面應力-溫度關系曲線

4 結論

本文針對東莞國貿中心商業裙房使用功能改變及上部結構變更，導致其大尺寸混凝土結構柱承載力不足，需進行濕式外包鋼加固這一實際工程問題，開展加固后結構柱受力性能監測研究，基于監測結果分析檢驗加固效果，驗證加固設計計算的科學合理性，相關結論如下。

1）結構構件溫度變化趨勢總體受環境溫度影響較大，變化趨勢兩者基本一致。隨著東莞入冬氣溫逐步降低，-2 層和 4 層結構柱中的溫度總體均呈現下降趨勢。

2）鋼板與原結構柱之間協同工作機制的建立取決于鋼板與原結構柱中間高強度灌注漿體強度的發展：隨著灌注漿體強度的逐漸增大，兩者之間的傳力路徑逐漸建立，協同作用越發顯著，鋼板參與承擔上部豎向荷載效果增加，表現為應力逐漸增大。

3）本項目基于現有 GB 50367－2013《混凝土結構加固設計規范》進行大尺寸混凝土柱濕式外包鋼加固設計是可行的，但建議同步開展施工及使用階段構件受力監測，以確保設計目的的達成。Q