钢管约束混凝土法加固钢筋混凝土柱的工程应用

邹勇，全学友，曹淑上

（1重庆市建筑科学研究院，重庆 400042；2重庆大学土木工程学院，重庆 400044）

0 引言

钢管约束混凝土柱是近年来在钢管混凝土柱、箍筋约束混凝土柱的基础上发展起来的一种新型组合构件，具有承载力高、延性好、施工方便、经济性能显著等优点。本文通过借鉴钢管约束混凝土柱在新建结构中的研究应用成果，提出了一种适用于加固改造工程的新方法——钢管约束混凝土加固法。

钢管约束混凝土加固法是指利用约束混凝土的概念，采用外包钢管方式对钢筋混凝土柱在未卸载情况下进行加固，具有以下优点：

（1）可以较大幅度提高抗压承载力，且不改变抗侧刚度；

（2）可根据需要，仅对某一层或缺陷段进行加固处理，无需再向上、向下延伸一层；

（3）加固施工前无需架设支撑体系对框架柱进行卸载；

（4）加固施工工期较短，施工过程中安全风险较小，加固施工费用相对较低；

（5）加固施工完成后不影响原建筑使用空间。

1 工程概况

某新建超高层建筑由塔楼和裙房组成，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，地下室为7层，地上：塔楼为34层（高度约150m），裙房为6层（高度约40m），其主要功能为商业、办公及酒店。结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，耐火等级为一级。

该工程在施工过程中，检测机构在对已建部分结构实体进行常规检测时，发现裙房地下室有5根框架柱在其一定高度范围内混凝土表观颜色存在异常且强度存在偏低现象。随后检测机构采用回弹法和钻芯法对上述5根框架柱的混凝土强度进行了详细检测，检测结果见表1。由表1检测结果可知，上述5根框架柱在层高范围内部分区段混凝土强度偏低，不满足设计要求，存在安全隐患，需进行加固处理。

表1 缺陷框架柱原设计基本情况及检测结果表

存在缺陷框架柱的轴线位置、截面尺寸、配筋情况及轴力设计值见表1。裙房地下室结构平面布置示意图见图1。

图1 裙房地下室结构平面布置示意图

2 加固方法选择

2.1 工程特点

该工程具有以下特点：

（1）该工程为在建工程，发现框架柱混凝土强度缺陷时，已施工至±0.000层，地下室（总共7层）主体结构已完工；

（2）根据现场检测结果可知，框架柱在层高范围内仅局部区段存在混凝土强度掉标现象，缺陷段混凝土为密实状态，但混凝土强度较低（由C60掉标至C30）；

（3）该工程为重点示范工程，为减小负面影响，建设单位要求加固施工工期越短越好，且加固处理不能占用建筑使用空间。

2.2 加固方法比选

对钢筋混凝土柱进行加固处理的常见方法有很多，如增大截面加固法、置换混凝土加固法、外粘型钢加固法、粘贴纤维复合材加固法等，但上述加固方法均有如下缺点[1-2]：

（1）增大截面加固法：柱截面尺寸增大后会占用建筑使用面积；为保证新旧混凝土之间能整体工作、共同受力，需在新旧混凝土结合面上设置抗剪钢筋或抗剪键；对中间楼层混凝土柱进行加固处理时，加固范围需从本层向上延伸一层、向下延伸至基础顶面；另外，柱增大截面加固后会造成其刚度变大，从而改变整体结构的刚度分配并造成整体结构在地震力作用下的内力重分布，进而对其他构件的安全使用产生影响，故除对存在缺陷的框架柱进行加固处理外，还需进行整体建模计算复核并对不满足抗震要求的其他构件进行加固处理。

（2）置换混凝土加固法：置换前需对加固区域范围内相关构件采取支顶等措施，并进行卸载；对于复杂工程，加固施工前需制定专项支撑方案及加固施工顺序，在加固施工过程中需进行变形监测和控制；故该加固方法施工难度较大、施工周期较长、施工措施费用较高。

（3）外粘型钢加固法：同增大截面加固法类似，对中间楼层混凝土柱行加固处理时，加固范围需从本层向下、向上至少各延伸一层（如遇偏心梁柱节点时，角钢在上下层之间无法保持连续，梁柱节点处细节处理较为复杂）；同样，柱外粘型钢加固后会造成其刚度变大，从而改变整体结构的刚度分配，故除对存在缺陷的框架柱进行加固处理外，还需进行整体建模计算复核并对不满足抗震要求的其他构件进行加固处理。

（4）粘贴纤维复合材加固法：承载力提高幅度受柱截面形状及截面尺寸的影响，且承载力提高幅度不大。

综上所述并结合该工程特点，原有常见加固方法在该工程中已不适用；基于钢管约束混凝土加固法具有施工方便（无需架设支撑及卸载）、施工工期短、施工费用低以及加固后可较大幅度提高抗压承载力且不改变抗侧刚度等优点，故该工程选用钢管约束混凝土加固法对存在缺陷的钢筋混凝土柱进行加固处理。

3 加固设计

3.1 承载力计算

框架柱的计算长度、截面尺寸、配筋情况按原设计取值，框架柱缺陷段的混凝土抗压强度按表1中检测结果取值，外包钢管选用Q235级钢材。按照公式[3]8.2-1计算约束混凝土的抗压强度设计值fcc，计算结果见表2。由表2计算结果可知，框架柱缺陷段采用钢管约束混凝土法加固后，缺陷段约束混凝土的抗压强度设计值fcc大于原混凝土抗压强度设计值fcc，即采用钢管约束混凝土法加固框架柱后，其受压承载力能满足原设计要求。

表2 钢管约束混凝土法加固缺陷框架柱的受压承载力计算结果表

3.2 加固大样图

钢管约束混凝土法加固钢筋混凝土柱大样图见图2。

3.3 构造要求

（1）框架柱缺陷段的长度应根据现场检测结果确定，外包钢管长度应在缺陷段两端分别延伸不小于500mm；

图2 钢管约束混凝土法加固钢筋混凝土柱大样图

（2）外包钢管区段，混凝土表面应进行踢打处理，踢打深度为20～30mm；踢打混凝土前，应采用切割机在分界线处进行切割处理，切割深度为20mm，以保证踢打分界处混凝土表面为平整面；

（3）外包钢管采用钢板焊接拼接时，焊缝应保证全熔透，焊缝质量等级应为一级；

（4）外包钢管与混凝土柱之间的缝隙应采用磷酸镁水泥浆压力灌实，以保证加固后的框架柱具有钢管约束混凝土柱的工作特征。压力注浆前，应对混凝土基层进行充分润湿。

4 加固施工流程及工艺要求

4.1 加固施工流程

4.2 加固施工工艺要求

（1）现场复核

加固设计以既有资料和现场检测为基础，由于测量误差，以及结构本身的隐蔽性，材料强度、结构性状抽样检测或检查的局限性，加固施工前，相关单位需现场对框架柱的轴线位置和缺陷混凝土的高度进行再次确认，如明显与本加固设计数据不符，需另行调整设计方案。

（2）表面处理

设计图中应给出框架柱加固区段的高度范围，现场施工时应根据设计要求在实体结构上画线标识。踢打混凝土前，必须采用手提式砂轮机预先在清除范围边界上进行水平切割，切割深度为20mm，但应严防伤及柱内钢筋。清除表层混凝土可采用人工方式，也可使用轻型电动工具。清除混凝土的深度应均匀，并确保后期钢板能顺利拼装。根据设计要求完成柱表面混凝土清除后，应采用高压水冲洗，表面不得留有浮灰以及松动的混凝土块；清洗完成的混凝土面在后续施工过程中不得污染。

（3）钢管拼装

钢管采用钢板拼装焊接时，焊缝应保证全熔透，焊缝质量等级为一级，且焊缝应进行探伤检测，焊接过程应满足相关现行规范、标准的要求。为保证钢管拼装焊接完成后，其外表面与原混凝土柱表面平齐，钢板的尺寸应根据现场实测尺寸下料。钢管拼装完成后，需对钢管上、下边缘进行封缝处理，封缝必须饱满，以满足后期压力注浆要求。

（4）基层浸润

压力注浆前应封闭所有孔口、槽口，然后向钢管与混凝土柱之间的空隙内注满清洁水，并保水24h，使混凝土基层充分润湿。然后打开钢管底部的预留排水孔，使钢管内的水完全排出，并确保钢管内不留明水。

（5）压力注浆

压力注浆前，应对磷酸镁水泥浆进行试配，确保浆液的和易性、流动性，以及浆液工作时间不短于25min，并检验注浆设备的可靠性。钢管与混凝土柱之间的空隙内用于润湿混凝土基层的清洁水放空后，应立即对钢管与混凝土柱之间的空隙采用磷酸镁水泥浆进行灌注。水泥浆应同时通过对称设置在钢管底部的两根灌注孔进入，灌注过程不宜过快，并应确保一次成型，注浆过程不应出现间断停歇。出浆口应高出钢管上边缘300mm，当出浆口溢出水泥浆时可停止灌注，同时关闭注浆管防止浆液回流。

（6）防火涂装

外包钢管表面应按相关规范要求进行抗火设计，根据相应的建筑耐火等级及耐火时间选用防火涂料以及确定防火涂料涂刷厚度。

（7）养护及验收

根据工程特点及相关规范要求对加固后框架柱进行养护及验收。

5 结论

本文通过借鉴钢管约束混凝土柱在新建结构中的研究应用成果，提出了一种适用于加固改造工程的新方法——钢管约束混凝土加固法，并通过工程案例详细介绍了钢管约束混凝土法加固钢筋混凝土柱的设计方法、构造要求、施工流程及工艺要求等。钢管约束混凝土加固法具有施工方便（无需架设支撑及卸载）、施工工期短、施工费用低以及加固后可较大幅度提高抗压承载力且不改变抗侧刚度等优点，在加固改造工程中具有广泛的应用前景。