周 乐, 郑 媛, 吴剑秋, 刘宇涵

(1. 沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044; 2. 富利建设集团有限公司, 辽宁 沈阳 110000)

目前,国内钢结构建筑产业迅猛发展,为国家经济发展和人民生活提供了良好的保障.然而在其迅速发展的同时,钢结构建筑自身的安全性能也亮起了红灯,安全事故频发.为避免因结构承载能力不足造成建筑物坍塌等安全事故,就要对钢结构建筑进行加固,其中型钢柱作为主要的受压构件,其加固工程就更为重要.国内外学者对钢柱加固的诸多方法都进行了研究,周乐等[1]对粘贴CFRP加固钢柱的方法进行了试验研究和有限元模拟,得出了相应的承载力计算方法和有限元模型,但该方法成本较高,且加固效果有限.王元清等[2]采用焊接增大截面法加固钢结构的试验进行研究,研究结果表明,对于有初始负载的钢结构来说采用该方法加固会有不利影响,且焊接过程中产生的残余应力问题有待解决.此外,赵士永等[3]对外粘钢加固钢结构进行了研究,通过试验和ABAQUS有限元分析软件对外粘刚加固钢梁的承载能力及影响参数进行分析,但该方法对建筑结构胶要求较高,且结构胶使用年限较短,一定时间后容易发生建筑结构胶开裂的现象.郝大军[4]通过实际工程中某集团宝泉岭公司钢结构仓库的加固工程,介绍了体外预应力法加固实腹钢梁的具体操作方法.该方法虽然加固效果明显,但前期设计较为复杂,具有一定的难度.周乐[5-8]等对外包钢筋混凝土加固负载下轴压钢柱的方法进行了理论分析、试验研究和有限元分析,研究结果表明,该方法可以提高钢柱的承载能力,并得到了承载力计算公式,以及影响加固后承载力大小的混凝土强度、钢筋直径、初始负载大小等具体参数.该方法中外包的混凝土可以解决钢结构不耐火、不耐腐的问题,同时加固效果明显,对于缺少承载能力的钢结构,采用该方法对钢柱进行加固后,可以很大程度上提高承载能力,满足使用要求.由此可见,对于需要加固的钢柱,采用外包钢筋混凝土的方法进行加固具有一定的合理性和安全性.

本文根据对外包钢筋混凝土的加固方法研究出的理论成果,在型钢混凝土施工工艺的基础上,对外包钢筋混凝土加固轴压钢柱的实际施工工艺进行研究与论述,得出适用于该加固方法的具体施工操作方法,从而进一步确保加固后钢结构建筑的安全和质量.

1 外包钢筋混凝土加固方法的相关概念

1.1 外包钢筋混凝土加固的概念

当钢结构建筑不能满足使用要求时,要对其构件进行加固补强,对于受压构件中的柱结构来说,可采用增大截面法进行加固,考虑到受压构件的实际情况及存在的问题,在满足承载力、施工条件、加固效果等条件下,可以选取外包钢筋混凝土法对钢柱进行加固,即在钢柱外进行外包钢筋混凝土施工,从而达到增大构件承载力的目标.实腹式工字形钢柱加固截面形式如图1所示.

图1 加固钢柱截面图Fig.1 The cross-section of reinforced steel column

1.2 外包钢筋混凝土加固的设计要点

根据外包钢筋混凝土加固轴心受压钢柱的试验可知,对有负载的钢柱进行加固时,钢柱和外包的钢筋混凝土所受到的压应变是不同的,受力特性与没有负载的整体型钢混凝土柱也是不同的,原型钢柱在加固前已经承担载荷,在负载下加固完成后,新加的钢筋和混凝土不能立即承担载荷,当整体结构的负载增大时,外包的钢筋混凝土才开始承受载荷,因此会产生应力滞后现象,因此这时就无法按照《组合结构设计规范(JGJ 138—2016)》[9]中规定的型钢混凝土组合柱的设计规定考虑.在考虑了加固钢柱的承载力计算研究中[10]所提出的应力滞后的问题后,分别将外包的纵筋、箍筋和混凝土进行强度折减,得到相应的折减系数,提高了外包钢筋混凝土加固轴压钢柱的承载力计算准确度.

1.3 外包钢筋混凝土加固的构造规定

加固型钢柱时,需要满足一般组合结构的构造要求.为了加强型钢与混凝土之间的黏合作用,减少因未卸载所带来的应力滞后等问题,可在钢柱两端设置箍筋加密区.对此《组合结构设计规范(JGJ 138—2016)》中规定,满足型钢混凝土框架柱中箍筋体配筋率的要求,只有配置一定量的箍筋,才能够有能力约束混凝土,使得框架柱具有一定的变形能力,充分发挥外包钢筋混凝土强度和塑性性能.考虑到加固工程中,多数钢结构建筑构件加固都是因为其承载能力不足所导致的,因此在选取混凝土强度等级和钢筋直径时,要尽量避免等级较低和直径较小的混凝土和钢筋,避免为后续施工造成损失.此外,为方便浇筑混凝土,钢筋间距也不宜过小.

2 外包钢筋混凝土加固方法的施工工艺

2.1 工艺流程

外包钢筋混凝土加固型钢柱施工过程较为简单,在满足施工条件的基础上,可以先确定该建筑是否可以进行卸载.如卸载成功,则可以按照型钢混凝土柱进行设计施工;若无法进行卸载,则在满足组合结构构造要求的基础上,按照加固柱进行设计.设计完成后,对型钢柱表面进行清理、修整,确保混凝土与型钢更好地黏合,之后进行测量,完成箍筋和纵筋的绑扎、支模板,最后进行混凝土浇筑.施工流程见图2.

图2 施工流程图Fig.2 Flow chart of construction

2.2 施工难点分析

外包钢筋混凝土加固轴压钢柱的施工不同于普通的型钢混凝土柱的施工,是一种新型的技术与尝试,工程经验较少,施工质量要求较高,且加固、施工方案要与该结构的加固目的和实际使用相关联,具有一定的复杂性,主要表现为如下几点.

(1) 原加固钢柱所承受的载荷是否需要进行卸荷后再加固.

(2) 施工现场的局限性对模板支设、钢筋绑扎及混凝土浇筑造成一定的空间干扰.

(3) 柱模板支设时,若采用对拉螺栓的方法穿过型钢腹板的难度较大,要考虑采用柱箍进行支设.

(4) 混凝土浇筑时,由于外包箍筋与纵筋会导致柱内空间较小,因此浇筑后的振捣较困难.

(5) 外包混凝土与原型钢易产生相对滑移.

2.3 施工操作要点

(1) 型钢柱卸载.卸载工程是一项极其复杂的工程,尤其对于柱结构来说,很难达到百分之百的卸载,目前的2种卸载方式均为被动卸载,即采用刚性支撑作为原结构的支撑体系[11].对于单层的钢结构建筑,可以采用顶撑方式进行卸载.然而对于多层结构,尤其是对难度很大的多层结构最底层钢柱,可以采用吊索和吊杆等方式进行卸载.此外,还可以采用传统的“托梁换柱”进行卸载,但该方法施工难度较大,需要空间也比较大.

采用外包钢筋混凝土法加固型钢柱时,卸载与否对于加固效果的影响不是很明显,因此可在综合考虑工程的实际情况后,设计出正确且高效的加固设计方案.

(2) 型钢表面处理.为使型钢表面与混凝土有更好的黏合作用,避免浇筑混凝土时因为型钢表面过于平滑导致混凝土脱落,要去除原结构表面的旧漆膜和防火涂料,同时型钢表面的油脂、铁锈、氧化皮等杂质也要去除.对于表面的油污和旧涂层可以采用常用的碱液清除法、有机溶剂清除法、乳化碱液清除法进行清除.对于表面锈蚀的清除,可采用常用的手工和动力工具除锈、喷射或抛射除锈、酸洗除锈、火焰除锈4种方法进行清除[12].在实际工程中,可根据实际操作空间和施工条件选取合理的表面处理方法.

(3) 钢筋工程.进行钢筋绑扎时,按照设计图纸确定钢筋走向及纵筋和箍筋的锚固长度和锚固位置.施工前,根据图纸设计的钢筋长度和数量进行下料和切割.加固工程中,将箍筋套在外包的纵筋上,确定好纵筋位置,纵筋设置在柱截面的四角.为避免影响梁柱节点受力,可在钢牛腿上设置预留孔,使得纵筋上端穿过钢牛腿后连接锚固,下端应伸入基础内进行连接锚固.由于原结构的存在,箍筋无法自上而下套入纵筋,因此可采用焊接封闭的施工方式,同时需满足设计和搭接要求.

(4) 模板工程.由于原结构的存在,模板支设工程中,模板中的对拉螺栓安装需要设计人员同意后方可在型钢柱翼缘上钻孔打眼,但这样会加大施工的难度,因此建议采用柱箍的方式进行模板安装.现场进行测量和清扫,确保钢柱四周的清洁度,采用双槽钢柱箍进行模板支设,同时用支撑杆支撑加固.由于模板与型钢柱的缝隙较小,浇筑混凝土时很难将混凝土振捣密实,因此加固过程中要在模板上预留浇筑口,确保施工时混凝土达到要求.

为防止混凝土漏浆,所有模板的拼接处、模板与梁接缝处要粘贴海绵胶带或密封条.

(5) 混凝土工程.为了满足混凝土浇筑的要求,在得到设计人员的许可后,可在加固钢柱的楼板上开设孔洞.在加固工程中,一般都选取强度较大的混凝土,此时混凝土中粗骨料可能因为空间小而无法均匀分布,出现上下分层的现象,因此每次浇筑不宜超过1m,浇筑完成后采用直径较小的振捣棒认真振捣,每个振捣点振捣时间不宜少于30 s.除此之外,要同时设置同条件养护试块,用该试块来测量模板内混凝土是否达到设计强度值,同时还要通过提高混凝土坍落度,避免出现混凝土蜂窝麻面等质量残缺现象.要充分利用模板上开设的振捣口加强振捣,去除混凝土浮灰,对于实际振捣操作中难度较大的部分,可采用附着式振动器振动模板,提高混凝土密实性.采用此种方法依次向上浇筑,直至浇筑完成.

2.4 施工质量控制

外包钢筋混凝土加固轴压型钢柱的过程中,外包的钢筋混凝土材料以及施工方法要满足相关规定,确保加固工程的安全和稳定性.

(1) 钢筋绑扎工程中,当采用焊接方式连接箍筋与纵筋时,可采用2个U形箍筋,同时要将焊缝均匀布置在柱子四角,避免因焊缝原因导致受力不均,影响结构的安全性.

(2) 模板支设工程中,若加固柱截面尺寸过大,则有必要设置对拉螺栓,但开孔率不得高于25%,同时可采用强度较大的带有型钢棱骨的模板.为防止在浇筑混凝土时发生漏浆或变形等现象,要进行模板加固,设有专人负责模板的拼接质量.

通常情况下是当混凝土强度达到设计的强度值后方可进行模板拆除工作.但本文中只是对型钢进行混凝土外包,仅涉及到钢柱混凝土模板搭设,未涉及底模部分,因此可在保证混凝土表面及棱角不因拆除模板而受损,即一般强度达到1.0 MPa左右进行拆除.

(3) 混凝土浇筑振捣后,可通过橡皮锤敲击模板,观察是否振捣密实.

(4) 混凝土进行浇筑时,要注意浇筑时间,尽量在早晨进行浇筑,避免因温度过高导致变形.

(5) 混凝土浇筑完成后,要对其进行专业养护.

(6) 施工过程中,若有必要可搭设里脚手架,保证顺利施工.

2.5 施工安全控制及相关注意事项

安全事故往往发生在施工过程中,如现场脚手架安装不合格、模板支撑体系不健全等导致事故发生,因此施工安全至关重要.在加固工程中,除了要对施工质量进行保障之外,更要对施工过程中相关工作人员及现场进行安全控制,避免发生在建工程的施工意外与伤害.

(1) 根据施工组织设计进行施工,合理分配人员,若发生偏差时,要及时进行调整,确保施工进度.

(2) 人员进入施工场地后要及时佩戴好安全帽.

(3) 施工人员要通过专业的安全培训及技术培训后进行加固工程施工.

(4) 户外作业时要避免高空落物,保障周围人员的安全.如有外部作业,必须搭设外部脚手架,并悬挂绿网;若高度在4 m以上,首层要铺设第1道固定兜网(平网),且距地面不得小于3 m.

(5) 施工区域内要做好相应的警戒线及安全警示标语等.

(6) 加固过程中所用的工具及机具,操作人员要经过专业的培训后才能使用,避免因操作不当等因素造成2次伤害.

(7) 施工现场要做好消防措施,在一定的场地内配备好相应的灭火器材.

(8) 大风天气时,避免明火作业.

(9) 施工中,所有的建筑材料及安全设施都要经过相关人员的专业检测,且验收合格后方可进行下一步的施工.

(10) 施工过程中所产生的建筑垃圾要及时清理,不得在施工现场随意堆放,废弃材料及时进行回收再利用.

3 总 结

钢结构建筑已经进入维修保养阶段,钢结构构件中的钢柱更是保证整体建筑安全性的重要构件,可采用增大截面中的外包钢筋混凝土的方法对钢柱进行加固,该方法施工较为方便,加固效果也十分明显.因此,除了对钢柱加固进行设计计算之外,施工工艺也需要进行统一规范.

(1) 本文根据国内外实际的加固工程和相关规范进行总结,从施工构造要求、操作要点及质量控制、安全控制等方面进行分析,得到了外包钢筋混凝土加固轴压钢柱的施工工艺.

(2) 文中只对四周外包加固的施工工艺进行了简单介绍,对于单侧外包或两侧外包的情况并未提及,因此需要进行更进一步的试验与研究.

(3) 对于型钢与混凝土表面的黏合问题,可使用微膨胀混凝土进行外包加固,可对该方法的使用进行进一步的研究.