專利名稱：外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加固混凝土柱的方法，特別是一種利用外套鋼管混凝土加固 混凝土柱以達(dá)到有效提高原混凝土柱承載力與剛度的方法，屬于土木建筑工程結(jié) 構(gòu)加固技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，許多既有建筑的使用功能發(fā)生改變，實(shí)際使用荷 載增加，原有的結(jié)構(gòu)已不能滿足承載力要求;隨著有些地區(qū)抗震設(shè)防等級(jí)的提高， 原有建筑物不能滿足"強(qiáng)柱弱梁"的抗震設(shè)防要求；另外還有一些已建和在建的 建筑物由于設(shè)計(jì)或施工的原因，存在一些缺陷；另外由于各種災(zāi)害原因，使混凝 土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，承載力下降。這些原因造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)問題 變得越來越突出。因此，研究和發(fā)展經(jīng)濟(jì)、可靠的加固技術(shù)具有重要的理論意義 和工程實(shí)用價(jià)值。
目前，常用的幾種傳統(tǒng)加固方法都可在一定程度上提高混凝土柱的承載力， 達(dá)到加固的目的。增大截面法雖然在提高承載力的同時(shí)，也提高了剛度，降低了 柱子的長細(xì)比，但其新老混凝土常共同工作性不好，協(xié)同變形性能差，對(duì)結(jié)構(gòu)塑 性改善較小；此外設(shè)置模板施工難度較大。干式外包鋼則是外包鋼與原構(gòu)件不能 整體工作，彼此只能單獨(dú)受力，外包鋼性能利用率低，整體性差；濕式外包鋼法 則是不能有效地提高柱的抗彎剛度，降低柱子的長細(xì)比，特別不適合應(yīng)用于經(jīng)撞 擊破壞、火災(zāi)等局部表面破壞較大，迫切需要大幅提高剛度的混凝土柱的加固。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供--種工藝簡單可行、結(jié)構(gòu) 整體性能好、充分發(fā)揮不同材料性能、加固效果可靠的混凝土柱加固方法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用外套鋼管、間隙內(nèi)填高性能微膨脹混凝土 的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)原結(jié)構(gòu)的加固，包括以下步驟
(1)施工準(zhǔn)備；(2)對(duì)混凝土柱進(jìn)行表面處理；(3)在混凝土柱周邊進(jìn)行植 筋；(4)外套鋼管且焊接成一體；(5)將植入的鋼筋與外套鋼管內(nèi)壁焊接；(6) 在植入的鋼筋與外套鋼管之間的間隙內(nèi)澆筑高性能混凝土； (7)外套鋼管外表面防腐及外裝修處理。
原混凝土柱表面處理包括對(duì)原結(jié)構(gòu)的微細(xì)裂縫和深層裂縫進(jìn)行灌漿注膠、表 面的鑿毛以及表面的清理三個(gè)工序。
結(jié)構(gòu)注縫膠選用槳液粘度低、硬化成型體粘結(jié)強(qiáng)度高，固化時(shí)間合適的注縫 膠。漿液粘度低保證了可灌行好和灌漿的密實(shí)性；硬化成型體粘結(jié)強(qiáng)度高則能保 證損傷部分有足夠的強(qiáng)度，恢復(fù)混凝土構(gòu)件的整體性，再次受力時(shí)，新的裂縫不 在原斷面上發(fā)展；
在原混凝土柱周邊進(jìn)行植筋，植筋不宜過密，本發(fā)明優(yōu)選植入的鋼筋間的夾 角為90° ，所植鋼筋選擇螺栓式錨筋或自鎖錨桿，可增強(qiáng)植筋的錨固力，提高 新老混凝土的整體性。植筋錨固長度一般選用10d 20d (d為植筋直徑)，但不 應(yīng)超過混凝土柱的3/8厚度。
植筋孔洞直徑D不宜過大或過小，因如結(jié)構(gòu)膠層過厚，易造成膠層出現(xiàn)氣 泡，影響膠接質(zhì)量；過小則植筋施工難于進(jìn)行，易造成鋼筋周邊部分區(qū)域無膠， 影響植筋質(zhì)量。在(K12mm時(shí)，D=d+4mm; 12mm<d<20mm時(shí)，D=d+6mm; 20腿〈d時(shí)，D=d+8mm。
植筋膠選用收縮率低、膠粘強(qiáng)度高、耐化學(xué)介質(zhì)作用、可常溫固化的環(huán)氧樹 脂類的建筑結(jié)構(gòu)膠。若采用自鎖錨桿，可采用無機(jī)灌漿料填充植筋孔。
根據(jù)原混凝土柱不同的截面形式選擇外套鋼管，對(duì)于工程中常見的圓形截面 與方形截面柱，圓形外套鋼管一般由兩塊半圓形鋼板(矩形外套鋼管則是有兩個(gè) "n "型)通過端頭焊接組合而成，鋼管厚度以2 4mm為宜，新老混凝土強(qiáng) 度利用率最高。多節(jié)組合焊縫應(yīng)縱向錯(cuò)開布置；每節(jié)長度以2 4m為宜，兩節(jié) 接觸部位水平方向焊接成體。
外套鋼管擴(kuò)大截面加固混凝土柱承載力的主要影響因素有外套鋼管的厚 度、后澆混凝土的厚度、后澆混凝土強(qiáng)度與原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的比值。這三個(gè)因素對(duì)結(jié) 構(gòu)受力的影響不是獨(dú)立的，比如隨著加固混凝土層厚度的增加或加固混凝土強(qiáng)度 的提高，外包鋼管的約束作用則相對(duì)減弱，從而對(duì)加固柱承載力的提高又有一定 的限制，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將三個(gè)因素進(jìn)行綜合考慮。加固混凝土厚度、強(qiáng)度與外套鋼 管的厚度可由相關(guān)的承載力計(jì)算公式計(jì)算，最終確定合理的加固混凝土強(qiáng)度、厚 度及外套鋼管的厚度。外套鋼管與原結(jié)構(gòu)間隙內(nèi)可邀行配筋，增加結(jié)構(gòu)的配筋率，提高承載力。 間隙內(nèi)澆筑高性能混凝土應(yīng)為微膨脹混凝土，包括高強(qiáng)混凝土、自密實(shí)混凝 土或纖維混凝土。其在結(jié)硬的過程中產(chǎn)生體積膨脹，膨脹作用不僅可抵消混凝土 因收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，且可在混凝土中產(chǎn)生一定了膨脹壓力，既可消除后澆混凝 土因收縮而對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載效應(yīng)，又可通過外套鋼管的緊箍作用，使核
心混凝土處于三軸受壓狀態(tài)，提高混凝土的強(qiáng)度。膨脹自應(yīng)力 為0.2 0.7MPa
時(shí)，其限制膨脹率￡的最大值為0.05%,最小值為0.015%。
加固混凝土強(qiáng)度等級(jí)可高于原混凝土柱結(jié)構(gòu)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，提高后澆混凝土 強(qiáng)度，加固組合柱承載力增長明顯。這與加大混凝土截面加固法中通常不建議采 用高強(qiáng)度混凝土加固的作法有明顯不同。原因在于，加大混凝土截面加固法中加 固混凝土處環(huán)向受拉狀態(tài)，加固混凝土強(qiáng)度得不到充分利用。而在本方法中，外 套鋼管對(duì)加固混凝土起到了很好的約束作用，核心混凝土受到加固混凝土與鋼管 雙重約束的作用。當(dāng)部分核心混凝土最先達(dá)到其極限壓應(yīng)力時(shí)，并不會(huì)立即退出 工作。此時(shí)，加固混凝土由于外包鋼管的約束也不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的橫向膨脹而喪失 承載力，其縱向壓應(yīng)力開始增加，后澆混凝土的抗壓強(qiáng)度可得到充分發(fā)揮。最后 組合柱由于大部分核心混凝土被壓碎破壞。
另外，加固混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于核心混凝土的情況與兩者強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)應(yīng) 力應(yīng)變發(fā)展過程有所不同。新、舊混凝土采用相同強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，在受力全過程中， 加固混凝土的縱向壓應(yīng)力始終滯后于核心混凝土，而加固混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于核 心混凝土?xí)r，由于加固混凝土彈性模量較大，應(yīng)力增長迅速，加固混凝土的縱向 壓應(yīng)力逐漸超過核心混凝土的縱向壓應(yīng)力，而其縱向壓應(yīng)變則始終滯后于核心混 凝土縱向壓應(yīng)變。
外套鋼管應(yīng)進(jìn)行表面防腐處理，根據(jù)使用環(huán)境以及使用要求的不同選擇相應(yīng) 的防腐措施。包括熱鍍鋅防腐法、防銹漆涂層防腐法和利用外套鋼絲網(wǎng)噴射砂 漿細(xì)石混凝土防腐法，其中熱鍍鋅防腐法適用于室外環(huán)境較為惡劣的結(jié)構(gòu)，防銹 漆涂層防腐法適用于室內(nèi)結(jié)構(gòu)，而利用外套鋼絲網(wǎng)噴射砂漿細(xì)石混凝土防腐是一 種新型防腐技術(shù)，適用于水下工程，比如橋墩等；此外在外套鋼管的外面圍裹粘 結(jié)纖維布也能有效地防腐，還可改善結(jié)構(gòu)延性性能。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn).-1、 該方法應(yīng)用范圍廣，由于混凝土柱的物理老化等造成結(jié)構(gòu)的損傷，或遭 受撞擊、火災(zāi)及地震等災(zāi)害使得結(jié)構(gòu)受到破壞，或由于加層改造等其它原因造成 混凝土柱承載力與剛度不足等，需要對(duì)混凝土柱進(jìn)行加固的工程都可以采用本方 法。
2、 有效的解決了新、舊結(jié)構(gòu)存在整體工作共同受力問題。通過在原結(jié)構(gòu)中 的植筋生根技術(shù)增強(qiáng)了新老混凝土的粘結(jié)力，通過植筋與外套鋼管內(nèi)壁的焊接， 間隙澆筑高性能微膨脹混凝土，形成原結(jié)構(gòu)一加固混凝土一外套鋼管的新型組合 柱，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性。
3、 創(chuàng)造性的將鋼管混凝土原理應(yīng)用于混凝土柱的擴(kuò)大截面加固中。利用鋼
管混凝土的原理擴(kuò)大截面加固混凝土柱，充分發(fā)揮了混凝土與鋼材的性能，既有 效提高了混凝土柱的承載力與剛度，同時(shí)也改善了結(jié)構(gòu)的塑性與韌性。由于外套 鋼管的作用，如后填混凝土釆用高強(qiáng)高性能混凝土，其強(qiáng)度也可得到有效發(fā)揮， 改變了擴(kuò)大截面后澆混凝土一般強(qiáng)度不高和強(qiáng)度利用率較低的局面。
4、 通過外套鋼管約束內(nèi)填膨脹混凝土產(chǎn)生的膨脹力，使核心混凝土處于三 軸受壓狀態(tài)，有效提高新老混凝土的抗壓強(qiáng)度， 一定程度上消除后澆混凝土的收
~縮對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載效應(yīng)。
5、 此外，外套鋼管又可作為后澆混凝土的模板，可節(jié)約模板成本，縮短工 期。該方法不僅加固效果好、加固可靠性高，而且加固時(shí)操作簡單、施工方便、 工程成本較低，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖l為本發(fā)明工藝流程圖。
圖2為混凝土柱外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面的加固結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中，l一新老混凝土結(jié)合面，2—外套鋼管，3—植筋，4一原混凝土柱，5 一后澆混凝土。
圖3為外套鋼管焊接縫布置圖。
圖中，l一縱向焊縫①，2—水平焊縫，3—縱向焊縫②。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，主要施工工序?yàn)?br> 施工準(zhǔn)備一原混凝土柱表面處理一植筋一外套鋼管一將植筋與外套鋼管內(nèi)壁焊接一澆筑加固混凝土—外套鋼管外表面防腐及外裝修處理。 下面結(jié)合示意圖及實(shí)例詳述如下
(1) 施工準(zhǔn)備閱讀圖紙、施工前備好工程所需的鋼材、水泥等各種材料 及施工工具的準(zhǔn)備。
(2) 原混凝土柱表面處理；首先采用結(jié)構(gòu)注縫膠對(duì)原混凝土柱4表面微細(xì) 裂縫和深層裂縫進(jìn)行灌槳，固化后對(duì)原混凝土柱4表面進(jìn)行鑿毛；最后利用清水 對(duì)表面進(jìn)行徹底清理干凈，
(3) 植筋；在混凝土柱周邊進(jìn)行植筋3，植入的鋼筋間的夾角為90。。植 筋的工序?yàn)殂@孔一孔洞處理一鋼筋表面處理一配膠一注膠一插筋一養(yǎng)護(hù)。如果 后澆混凝土需要配筋，應(yīng)在植筋后，外套鋼管前進(jìn)行綁扎鋼筋。
(4) 外套鋼管；根據(jù)原混凝土柱4不同的截面形式選擇外套鋼管2，如圖3
所示，鋼管厚度為2 4mto，每節(jié)長度L為2 4m，兩節(jié)接觸部位由水平焊縫焊 接成體，縱向焊縫6與縱向焊縫8錯(cuò)開布置。
(5) 將植筋3與外套鋼管2內(nèi)壁進(jìn)行焊接；在植筋3與外套鋼管2內(nèi)壁接 觸部位進(jìn)行焊接，形成原結(jié)構(gòu)一植筋一外套鋼管的加固混凝土組合柱，增強(qiáng)了結(jié) 構(gòu)的整體性。
(6) 在間隙內(nèi)澆筑混凝土 5;為了增強(qiáng)新老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度，也可在老混 凝土表面1抹上環(huán)氧樹脂、水泥漿、膨脹劑水泥漿等作為粘結(jié)劑。間隙內(nèi)后澆筑 混凝土5為高強(qiáng)混凝土、自密實(shí)混凝土或纖維混凝土，且0.05%》混凝土限制膨 脹率》0. 015%的微膨脹混凝土。
(7) 外套鋼管2外表面清理并做防腐處理。
權(quán)利要求
1.一種外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于它包括以下步驟(1)施工準(zhǔn)備；(2)對(duì)混凝土柱進(jìn)行表面處理；(3)在混凝土柱周邊進(jìn)行植筋；(4)外套鋼管且焊接成一體；(5)將植入的鋼筋與外套鋼管內(nèi)壁焊接；(6)在植入的鋼筋與外套鋼管之間的間隙內(nèi)澆筑高性能微膨脹混凝土；(7)外套鋼管外表面防腐及外裝修處理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于混凝土柱表面處理包括對(duì)原結(jié)構(gòu)的微細(xì)裂縫和深層裂縫進(jìn)行灌漿注膠、表 面的鑿毛以及表面的清理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法，其特征 在于在原混凝土柱周邊進(jìn)行植筋，所述植入鋼筋為螺栓式錨筋或自鎖錨桿，且 鋼筋間的夾角為90。。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法，其特征在于植筋直徑為d,植筋錨固長度一般為10d 20d，但不超過混凝土柱的3/8厚度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法，其 特征在于在植筋直徑〈12mm時(shí)，植筋孔洞直徑-植筋直徑+4mm; 12mm〈植 筋直徑〈20mm時(shí)，植筋孔洞直徑一直筋直徑+6mm; 20mm〈植筋直徑時(shí)，植筋 孔洞直徑^植筋直徑+8mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法，其特征 在于外套鋼管由兩塊半圓形鋼板通過將端頭焊接而成，或者兩塊凹形鋼板通過 將兩端頭焊接而成，鋼管厚度為2 4mm;每節(jié)鋼管長度為2 4m，兩節(jié)鋼管接 觸部位水平方向焊接成體，多節(jié)組合焊縫縱向錯(cuò)開布置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法，其特征 在于高性能混凝土包括微膨脹高強(qiáng)混凝土、自密實(shí)混凝土或纖維混凝土，且 0.05%》混凝土限制膨脹率》0.015%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法，其特征 在于用熱鍍鋅防腐法、防銹漆涂層防腐法和利用外套鋼絲網(wǎng)噴射砂漿細(xì)石混凝 土防腐法對(duì)外套鋼管外表面防腐。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種外套鋼管混凝土擴(kuò)大截面加固混凝土柱的方法，包括以下步驟(1)施工準(zhǔn)備；(2)對(duì)混凝土柱進(jìn)行表面處理；(3)在混凝土柱周邊進(jìn)行植筋；(4)外套鋼管且焊接成一體；(5)將植入的鋼筋與外套鋼管內(nèi)壁焊接；(6)在植入的鋼筋與外套鋼管之間的間隙內(nèi)澆筑高性能微膨脹混凝土；(7)外套鋼管外表面防腐及外裝修處理。本方法應(yīng)用范圍廣，用于由于混凝土柱的物理老化等造成結(jié)構(gòu)的損傷，或遭受撞擊、火災(zāi)及地震等災(zāi)害使得結(jié)構(gòu)受到破壞，或由于加層改造等其它原因造成混凝土柱承載力與剛度不足等。
文檔編號(hào)E04G23/04GK101581152SQ20091006252
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者盧亦焱, 皓 吳, 張學(xué)朋, 杉 李, 蕾 李, 邵亞南 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)