朱贵刚

摘 要：以某一钢结构厂房为例对钢柱外包混凝土加固技术在钢结构厂房加固中的应用进行了系统的研究，结合工程实际需求，从混凝土材料、保护层厚度、钢柱表面清理以及抗剪构件的设置3个层面探索了影响加固效果的具体因素，最后对柱脚、柱非节点区以及节点区的具体加固措施进行了详细的阐述。

关键词：钢柱外包混凝土;加固技术;钢结构;构造措施

中图分类号：TU398+.9 文献标识码：A 文章编号：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 工程概况

该厂房为某电厂厂房，原结构为钢框架结构，设计层顶标高32.750m，因需要在标高17.120m位置新增低温省煤器，因此，原有H形钢柱的承载力无法满足要求，必须要进行加固处理。经各单位协商之后，决定采用钢柱外包混凝土技术进行加固处理，即在完全不卸载的前提下将钢柱包裹上混凝土，并配备受力钢筋，从而形成类似于型钢混凝土结构的支撑结构。该工程加固前与加固后的部分结构对比如图1中所示。

2 影响加固效果的相关因素分析

2.1 混凝土材料

在该工程项目当中由于型钢与模板之间的间隔的间隔较小，在施工中振捣存在较大难度，同时由于施工空间限制，混凝土泵车难以入场，只能选择小型泵送设备，这就对混凝土的流动性有了一定的要求。依据《型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001）》（以下简称《型钢规范》）的相关规定型钢组合柱所使用的混凝土骨料最大粒径不得超过保护层的1/3，且不宜大于25mm。综合考虑以上因素，在该工程当中控制混凝土骨料的最大粒径为15mm，强度等级为C30。

2.2 保护层厚度

型钢混凝土柱的破坏大多起始于保护层开裂，在混凝土开裂之后型钢与混凝土的粘结性能将大幅度折减。适当提升混凝土保护层厚度能避免型钢柱过早开裂，但随着保护层厚度的持续增加，型钢与混凝土之间的粘结力并不会持续提升。此外，《型钢规范》中还规定型钢柱的混凝土保护层厚度不宜小于120mm，而《钢骨混凝土结构技术规程（YB9082-2006）》（以下简称《钢骨规范》）则规定，型钢柱的保护层厚度宜采用150mm。综合考虑相关因素，在该工程当中，保护层厚度选择150mm，但对于混凝土强度较高的构建则适当提升保护层厚度。

2.3 钢柱表面清理

混凝土与型钢之间的粘结力主要是由机械咬合力、摩擦力以及胶结力组成，型钢表面的清理情况会对型钢与混凝土之間的胶结力产生直接影响，此外，型钢表面的锈蚀程也会影响材料间的摩擦系数，机械咬合力也必然会受到影响。由此可见，混凝土与型钢之间的粘结力对钢柱表面情况具有较高的要求，为了提升二者之间的粘结力，需要对型钢表面进行清理。型钢表面清理的重点是除漆，一般情况下有以下3种除漆方法： ①化学试剂除漆;②喷砂除漆;③人工打磨除漆。由于化学试剂除漆难以全面清除底漆，无法满足该工程的设计需求，同时喷砂除漆缺乏工作面，在该工程当中最终选择采用人工打磨除漆的方式对型钢表面进行清理除漆。

2.4 抗剪构件的设置

根据既有的研究结果，抗剪构件对于实腹型型钢混凝土构件的承载力具有较大影响，设置了抗剪构件的型钢混凝土构件能够将承载力提升20%左右。为此，在该工程当中还需要在完成刚柱表面清理之后还需要焊接栓钉。根据《型钢规范》、《钢结构设计规范》、《钢骨规范》中的相关规定，栓钉型号选择为19×100，材质为Q235B，磁环型号选择为19B1，在完成钢柱表面清理工作之后在钢柱翼缘位置进行焊接处理。

3 具体加固措施

3.1 柱脚加固措施

该工程原基础设计为“桩基+独立承台”，在独立承台之上设置了长度为2.2m的短柱，型钢柱连接到混凝土短柱之上。在本次加固工程当中，经建模计算发现，在增加荷载之后单床承载力、承台承载力以及短柱承载力均能满足设计需求，并不需要进行加固处理，只需要对柱脚进行加固即可，具体做法如图2中所示。增设的钢筋通过植筋方式植入短柱之内，但由于钢柱的靴平面要大于钢柱截面，为此，柱脚位置的外包混凝土需要拓展到柱靴之外，在到达地面之后再将截面缩小。基础开挖需要采用机械开挖与人工开挖相结合的方式，在开挖到一定程度之后必须要采用人工方式进行清理，从而更好地保护相关构件。

3.2 非节点区域柱加固措施

按照《钢骨规范》中的相关规定，箍筋的无肢长度不宜大于300mm。《型钢规范》则规定考虑地震作用的结构构件则必须要采用封闭箍筋，同时箍筋末端弯钩应为135°，且水平段长度不得低于10d。《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》则对柱箍筋加密区中的箍筋肢距给予了明确的说明：一级不宜大于200mm，二级、三级不宜大于250mm，四级不宜大于300mm，且至少需要每隔一根钢筋就需要在两个方向有箍筋或拉筋约束。实际上，在施工现场，梁与柱的钻孔都存在较大难度，新增的柱纵筋与箍筋均需要避免柱和梁的腹板与翼缘。因此，在该工程项目当中根据实际计算结果适当选择大直径的箍筋，但适当放宽箍筋肢距，以均衡实际施工需求与套箍需求之间的矛盾。

3.2.1 截面尺寸不大于400的柱加固措施

做法1：为满足相关规范对型钢混凝土组合柱的箍筋构造要求，箍筋形式采用双向4肢箍，即在内部增设由两个U型箍焊接而成的封闭箍筋，还需要在外围设一个大的封闭箍筋。此种做法需要注意的是必须要上下箍筋必须要错开焊接位置，具体做法如图3（a）中所示。

做法2：内部箍筋采用正八边形，由2段或者4段弯折钢筋焊接而成，外部再设置一个封闭箍筋。此种做法中箍筋肢距得到了较好的控制，也能兼顾实际施工需求，具体做法如图3（b）中所示。在实际中以上两种做法均可，可以按照纵筋与箍筋的实际计算值进行选择。

3.2.2 截面尺寸大于400的柱加固措施

对于截面尺寸大于400的型钢柱，若采用图3（a）中的做法，则箍筋肢距无法满足规范要求。为此，也采用选择内部正八边形的小箍筋，并在现场进行焊接处理，单面焊接长度不得低于10d，同时相邻箍筋也必须要错开焊接位置，具体做法如图4中所示。

3.3 节点区域柱加固措施

梁柱节点区是抗震设防的重点部位，为了满足梁柱节点区抗震设计要求，外围的箍筋采用由四根L型弯折钢筋焊接而成的箍筋，钢筋末端弯折成90°，同时还需要将钢筋焊接到梁腹板之上，单面焊接的长度不得低于10d。内部箍筋才使用4根拉筋，两端均需要弯折成180°的弯钩，拉筋必须要勾住箍筋且紧邻纵向钢筋，两组箍筋最终形成一个复合箍，具体做法如图5中所示。

3.4 节点区纵向主筋的处理分析

由于受到水平构件的影响，柱子在节点处的竖向纵筋难以上下贯通，为此，必须要对钢筋进行弯折处理。在设计时尽量选择大直径的钢筋，从而减少钢筋使用量，从而使得主筋能够尽量避开梁的位置。在该项目当中，梁柱节点区仅有1根钢筋需要截断处理，还需要在梁上焊接钢套筒，并将截断的钢筋连接到钢套筒之上。其余梁周边因受到梁的影响无法贯通的钢筋直接进行弯折处理。由于钢套筒直接焊接在梁的腹板位置，因此，此处无需再增设加劲板，具体做法如图6中所示。

4 结论

（1）钢柱外包混凝土技术应用于钢结构加固设计时，应尽量选择高强度混凝土，并结合现场施工需求来选择合适的骨料粒径，从而有效均衡混凝土流动性与振捣密实性需求。

（2）需要对钢柱表面进行清理，彻底清除型钢柱表面的油污、铁锈等，提升型钢柱与混凝土之间的粘结力。

（3）混凝土保护层厚度必须要根据所使用的混凝土强度以及钢柱的翼缘宽度适当加厚。

（4）在钢柱表面焊接抗剪连接件以协调新增混凝土与型钢柱之间的变形，以满足平截面假定。

（5）所增设的柱纵筋与箍筋除了需要满足计算要求之外，还需要考虑钢筋绑扎施工需求。

（6）柱脚与梁柱节点区是最重要的传力部位，必须要确保钢筋能够贯通，若不能贯通，则必须要采用相应的措施，如采用套筒连接，钢筋弯折等措施。

该工程自加固竣工之后至今无任何异常，实践证明钢柱外包混凝土在钢结构厂房加固中的应用也是安全可靠的。但设计不仅需要满足结构受力需求，同时还要兼顾施工需求，系统分析加固需求，并采取有效的构造措施来解决矛盾，保证结构的安全性。

参考文献

[1]杨文强，刘巍，黃正明.钢柱外包混凝土加固在钢框架加固中的应用[J].建筑结构，2018，48（S2）：735-740.

[2]王元清，张宁，丁大益，等.钢框架结构的钢-混凝土组合加固法及其工程应用[J].四川建筑科学研究，2017，43（01）：34-38.

[3]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[4]YB 9082-2006， 钢骨混凝土结构技术规程[S].

[5]吴建斌，黄振华，廖勇文.钢筋混凝土柱外包粘钢在加固技术中的应用[J].工程建设与设计，2006（07）：83-85.

[6]JGJ 138-2001， 型钢混凝土组合结构技术规程[S].

[7]周乐，郑媛，吴剑秋，等.外包钢筋混凝土加固轴压钢柱施工工艺[J].沈阳大学学报（自然科学版），2018，30（06）：481-484+506.

[8]周乐，郑媛.基于ABAQUS的负载下外包钢筋混凝土加固钢柱非线性有限元分析[J].钢结构，2017，32（12）：17-21.

[9]韦东.钢筋混凝土框架顶部钢结构加层柱脚节点设计[J].建材与装饰，2016（48）：7-8.

[10]伊军伟，王晓初，万路霞.外包混凝土加固预压钢构件的正截面承载力研究[J].沈阳大学学报（自然科学版），2016，28（05）：397-401.

[11]周乐，聂晓梅，王元清，等.负载下外包钢筋混凝土加固钢柱轴压性能试验研究[J].建筑结构学报，2015，36（S1）：275-284.

[12]谢冰花，陈道政.框架结构轻钢加层钢柱脚节点设计与施工[J].施工技术，2014，43（20）：86-88+97.