本發(fā)明公開(kāi)了一種混凝土圓柱加固方法，特別是指一種雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，屬于混凝土施工方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。由于施工質(zhì)量差、建筑物使用功能改變、結(jié)構(gòu)超載、暴露于惡劣環(huán)境等原因，有許多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。鋼筋混凝土柱的加固方法包括：

增大截面加固法：

又稱為外包混凝土加固法,是采用增大構(gòu)件或建筑物的截面和配筋,以提高其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性來(lái)滿足構(gòu)件正常使用要求的一種加固形式。增大截面加固法有四周外包、單面加厚和雙面加厚等加固形式。外包的混凝土常采用支模澆搗,目前也常采用噴射混凝土法。噴射混凝土法工藝簡(jiǎn)單,施工方便,特別適用于復(fù)雜形狀柱的表面。增大截面法對(duì)混凝土柱加固施工時(shí),原柱已存在一定的壓縮變形,而且收縮和徐變已然存在,因此，新加部分的應(yīng)力應(yīng)變必然滯后于原柱的應(yīng)力應(yīng)變,導(dǎo)致新舊柱不能同時(shí)達(dá)到應(yīng)力峰值，若外載應(yīng)力超過(guò)舊有混凝土柱的強(qiáng)度，舊有混凝土就會(huì)開(kāi)裂破壞，新加固的混凝土也會(huì)隨之破壞，加固就會(huì)失敗。在新舊混凝土的結(jié)合面粘結(jié)可靠的前提下,新舊混凝土的應(yīng)變?cè)隽繒?huì)基本一致，但對(duì)于軸心受壓柱,新舊混凝土之間存在著明顯的應(yīng)力重分布，導(dǎo)致新混凝土的受力滯后。

螺旋筋約束柱法：

其做法是用鋼筋連續(xù)纏繞在混凝土柱體上成螺旋狀,然后用高強(qiáng)度等級(jí)細(xì)石混凝土填塞、灌滿,密實(shí)柱與螺旋筋之間的空隙,并將螺旋筋表面抹平,再用一定厚度的水泥砂漿抹光作為保護(hù)層。采用螺旋筋約束柱法可以提高混凝土柱的強(qiáng)度等級(jí),從而達(dá)到加固柱子的目的。此法與加大截面法無(wú)明顯的差異，螺旋筋由于是后加的，其受力存在滯后現(xiàn)象。

外包鋼加固法：

是指在混凝土(方)柱的四角或兩面包型鋼的一種加固方法，分為干式外包鋼與濕式外包鋼兩種形式。干式外包鋼即將型鋼直接外包于原柱上或在柱體與型鋼之間填塞有水泥砂漿但無(wú)法保證結(jié)合面剪力的有效傳遞。濕式外包鋼則采用在型鋼和原柱間保留一定的縫隙,并在其中澆灌乳膠水泥砂漿或環(huán)氧砂漿使兩者粘結(jié)在一起的方法進(jìn)行加固?，F(xiàn)多采用濕式外包鋼的方式進(jìn)行鋼筋混凝土柱的加固。使用濕式外包鋼加固混凝土柱,除了其外包鋼與加固的舊混凝土柱能整體受力共同工作提高柱承載力外,外包鋼柱形成整體的緊箍,對(duì)原混凝土起到部分約束作用,提高原混凝土抗壓強(qiáng)度,也可以提高柱的承載力。外包鋼加固法可顯著提高加固柱的承載力,但其對(duì)混凝土橫向變形約束不夠，導(dǎo)致舊有混凝土的變形過(guò)大。

纖維增強(qiáng)聚合物加固法：

用聚合物纖維布對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行橫向包裹的一種加固方法。聚合物纖維布對(duì)混凝土的約束作用與箍筋的約束作用類似,可使其包裹的混凝土處于三向受壓狀態(tài)下。聚合物纖維布的約束作用是一種被動(dòng)約束,隨著混凝土軸向力的增長(zhǎng),橫向膨脹使聚合物纖維布產(chǎn)生環(huán)向伸長(zhǎng),從而達(dá)到側(cè)向約束混凝土的目的。加固柱的內(nèi)核芯混凝土受到箍筋與外包聚合物纖維布的雙重約束作用,在混凝土達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)仍有較好的變形性能。橫向包裹聚合物纖維布加固混凝土柱可較大地提高柱的延性,但由于聚合物纖維布是一種各項(xiàng)異性的材料,其纖維方向的強(qiáng)度與彈模遠(yuǎn)大于其垂直纖維方向的強(qiáng)度與彈模,故其對(duì)加固柱的極限承載力提高幅度不大。

軸向預(yù)應(yīng)力撐桿加固：

預(yù)應(yīng)力撐桿加固法就是在混凝土柱子的一側(cè)或兩側(cè)用長(zhǎng)于柱子的型鋼對(duì)柱子施加預(yù)頂升力,從而對(duì)混凝土柱子進(jìn)行加固的方法。軸向撐桿的架設(shè)分擔(dān)了原有混凝土柱子的部分受力，使原有混凝土柱部分卸載，存在的問(wèn)題是新舊兩部分受力不同步，預(yù)應(yīng)力撐桿過(guò)長(zhǎng)或受力過(guò)大還要對(duì)其實(shí)施橫向加固，以確保其橫向穩(wěn)定性。

軸向預(yù)應(yīng)力拉桿加固：

預(yù)應(yīng)力拉桿加固方法是主要針對(duì)大偏心受壓混凝土柱,在受拉區(qū)設(shè)置拉桿,以提高混凝土柱承載能力的一種加固方法。該方法存在的明顯不足是，預(yù)應(yīng)力拉桿加大了混凝土柱受壓部分的壓力，外置拉桿與混凝土柱中原有受拉鋼筋的受力不同步，有可能出現(xiàn)梯次破壞。

橫向預(yù)應(yīng)力加固法：

施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力在作者申請(qǐng)的“預(yù)壓應(yīng)力鋼護(hù)筒并植筋擴(kuò)大斷面加固混凝土柱法”專利中已有提及，該發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其突出優(yōu)點(diǎn)為：不損壞原有混凝土柱的結(jié)構(gòu)，不降低混凝土柱的承載力；對(duì)原有混凝土柱施加適當(dāng)環(huán)向預(yù)應(yīng)力，確保了原有結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)層受力同步，使原有混凝土的受力由兩向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)；既提高了柱的強(qiáng)度又提高了混凝土柱的剛度，確保了二者的協(xié)同工作。但其缺陷也不少：

①要實(shí)施加固的混凝土柱屬于二次受力結(jié)構(gòu)，加固前混凝土已處于受力狀態(tài)，后加部分預(yù)應(yīng)力半圓鋼護(hù)筒的預(yù)應(yīng)力只能在某一個(gè)受力狀態(tài)下使混凝土柱內(nèi)混凝土處于真的三向等壓狀態(tài)，即：預(yù)應(yīng)力鋼護(hù)筒包括原柱內(nèi)的箍筋給混凝土的水平圍壓與原柱內(nèi)混凝土的豎向分力相等，當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)這個(gè)平衡被打破；

②兩片半圓鋼護(hù)筒與被加固柱的長(zhǎng)度相等，鋼護(hù)筒的制作加工、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝存在困難；

③兩片半圓鋼護(hù)筒通過(guò)法蘭施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)混凝土承載力的提高能力有限，與原柱相比其承載力提高幅度105.6％，加固后混凝土柱承載力是原柱承載力的2.06倍；

④在混凝土柱的上下端部沒(méi)有實(shí)施加固，其水平向抗剪承載力沒(méi)有得到提高，柱及所在的結(jié)構(gòu)體系抗震性能沒(méi)有得到顯巨改善；

⑤在混凝土柱的上下端部沒(méi)有實(shí)施加固，該處的連接剛度將成為柱梁體系的薄弱環(huán)節(jié)；

⑥在混凝土柱的上下端部沒(méi)有實(shí)施加固，其抗剪承載力沒(méi)有得到提高，柱及所在的結(jié)構(gòu)體系的水平剪力分配沒(méi)有發(fā)生變化，不利于結(jié)構(gòu)體系整體抗側(cè)移能力的提高。

雙向預(yù)應(yīng)力加固法：

現(xiàn)有技術(shù)中，雙向預(yù)應(yīng)力加固主要有以下方法：

①采用軸向預(yù)應(yīng)力撐桿對(duì)柱子實(shí)施軸向預(yù)應(yīng)力加固。該法就是在混凝土柱子的一側(cè)或兩側(cè)用長(zhǎng)于柱子的型鋼對(duì)柱子施加預(yù)頂升力,從而對(duì)混凝土柱子進(jìn)行加固。軸向撐桿分擔(dān)了原有混凝土柱子的部分受力，使原有混凝土柱部分卸載，存在的問(wèn)題是新舊兩部分受力不同步，預(yù)應(yīng)力撐桿過(guò)長(zhǎng)或受力過(guò)大還要對(duì)其實(shí)施橫向加固，以確保其橫向穩(wěn)定性。

②采用軸向預(yù)應(yīng)力拉桿加固。該法是主要針對(duì)大偏心受壓混凝土柱,在受拉區(qū)設(shè)置拉桿,以提高混凝土柱承載能力的一種加固方法。該方法存在的明顯不足是，預(yù)應(yīng)力拉桿加大了混凝土柱受壓部分的壓力，外置拉桿與混凝土柱中原有受拉鋼筋的受力不同步，有可能出現(xiàn)梯次破壞。

③采用低預(yù)應(yīng)力鋼帶箍或鋼絞線加固鋼筋混凝土柱抗震等性能研究,低預(yù)應(yīng)力鋼帶箍或鋼絞線加固鋼筋混凝土柱屬橫向預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，鋼板箍能有效的約束混凝土的變形，約束裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，柱的抗壓性能和抗震性顯著提高，但結(jié)合面處傳力性能不佳會(huì)導(dǎo)致加固試件整體受力情況不良。矩形鋼箍板在張拉過(guò)程中，角部存在一定的約束及摩擦力，張拉力在角部傳遞過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力損失在10％以上。

總之，低預(yù)應(yīng)力鋼帶箍加固能有效提高較高軸壓比下高配箍率混凝土柱的抗震性能，可使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，抑制斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，增強(qiáng)混凝土柱的抗變形能力。該加固法基本不會(huì)增大混凝土柱的初始剛度和截面尺寸，鋼帶箍能與箍筋共同工作，鋼帶箍應(yīng)變高于箍筋應(yīng)變，其發(fā)揮的約束作用更加直接有效。

④為提高對(duì)柱的加固效果，有人開(kāi)展了“雙向預(yù)應(yīng)力法加固高軸壓比混凝土柱研究”。該研究將預(yù)應(yīng)力撐桿法和預(yù)應(yīng)力鋼板箍結(jié)合起來(lái)加固“高軸壓比柱”，結(jié)果表明：雙向預(yù)應(yīng)力法加固軸心受力構(gòu)件，對(duì)構(gòu)件起到明顯的卸載加固作用，其承載力的提高效果明顯；加固后滯回環(huán)飽滿度較加固前好，加固后構(gòu)件的塑性變形能力和滯回耗能性能有所改善，對(duì)構(gòu)件的延性起到一定改善作用，提高了構(gòu)件抗震性能。

從上述的關(guān)于混凝土柱的加固方法看，或著眼于柱的橫向加固，提高了混凝土柱的軸向承載能力同時(shí)也加大了混凝土的截面面積，或著眼于混凝土柱的軸向加固同樣也加大了混凝土柱的橫向尺度。無(wú)論采用哪種加固方法，都必須遵循以下原則：①不能破壞原有混凝土柱，否則會(huì)降低原有混凝土柱的強(qiáng)度，增加原有混凝土柱在施工期間的不安全性；②盡力確保原有結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)層受力同步。被加固的原有混凝土柱已處于受力狀態(tài)，若在外粘貼加固材料或鉆孔植筋增加結(jié)構(gòu)層，新老混凝土結(jié)構(gòu)層的受力不同步，新結(jié)構(gòu)層受力就意味著原有結(jié)構(gòu)層的屈服或破壞，這就意味著必須對(duì)原有混凝土柱施加預(yù)應(yīng)力；③確保工程安全，責(zé)任明確。若加固混凝土柱在加固施工完成并投入使用后又再一次發(fā)生破壞，難以劃分原有結(jié)構(gòu)施工單位和加固施工單位責(zé)任。所以，混凝土柱的加固設(shè)計(jì)和施工，在承載方面既要分工明晰又要繼承提高；④強(qiáng)度和剛度協(xié)同提高。前述的前四種加固方法都可降低柱的長(zhǎng)細(xì)比,提高柱子的剛度，而軸向預(yù)應(yīng)力撐桿加固、軸向預(yù)應(yīng)力拉桿加固有可能帶來(lái)混凝土柱側(cè)向剛度降低。⑤軸向撐桿分擔(dān)了原有混凝土柱子的部分受力，使原有混凝土柱部分卸載，存在的問(wèn)題是新舊兩部分受力不同步，預(yù)應(yīng)力撐桿過(guò)長(zhǎng)或受力過(guò)大還要對(duì)其實(shí)施橫向加固，以確保其橫向穩(wěn)定性；其次是軸向預(yù)應(yīng)力拉桿加固。該法是主要針對(duì)大偏心受壓混凝土柱,在受拉區(qū)設(shè)置拉桿,以提高混凝土柱承載能力的一種加固方法。該方法存在的明顯不足是，預(yù)應(yīng)力拉桿加大了混凝土柱受壓部分的壓力，外置拉桿與混凝土柱中原有受拉鋼筋的受力不同步，有可能出現(xiàn)梯次破壞。⑥低預(yù)應(yīng)力鋼帶箍或鋼絞線加固鋼筋混凝土柱屬橫向預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，鋼板箍能有效的約束混凝土的變形，約束裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，柱的抗壓性能和抗震性顯著提高，但結(jié)合面處傳力性能不佳會(huì)導(dǎo)致加固試件整體受力情況不良。⑦矩形鋼箍板在張拉過(guò)程中，角部存在一定的約束及摩擦力，張拉力在角部傳遞過(guò)程中，產(chǎn)生一定量預(yù)應(yīng)力損失(10％以上)；⑧兩種方法結(jié)合并沒(méi)有克服上述軸向預(yù)應(yīng)力和橫向預(yù)應(yīng)力加固的缺點(diǎn)。

為此，申請(qǐng)人提出了雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，能夠有效地提高鋼筋混凝土柱的抗壓承載力。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：針對(duì)鋼筋混凝土柱，在不破壞原有混凝土柱結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)原有混凝土柱適當(dāng)施加軸向預(yù)應(yīng)力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力，以部分釋放原混凝土柱的受力，確保原有結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)層同步受力，在承載方面既要受力明晰又要新舊配合，加固后柱的強(qiáng)度和剛度協(xié)同提高。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，是將鋼筋混凝土柱的被加固段從上至下依次分為上加固段、軸向預(yù)應(yīng)力頂升段、下加固段，在上加固段、下加固段分別安裝環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼筋混凝土柱的被加固段實(shí)施環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固；

在軸向預(yù)應(yīng)力頂升段，通過(guò)軸向預(yù)應(yīng)力頂升裝置對(duì)安裝在上加固段、下加固段的環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)施加軸向預(yù)應(yīng)力。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，所述環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)由至少兩瓣半圓形鋼板構(gòu)成，在所述半圓形鋼板的四邊均設(shè)置有法蘭，平行于半圓形鋼板軸向的法蘭叫軸向法蘭，垂直于半圓形鋼板軸向的法蘭叫環(huán)向法蘭(見(jiàn)附圖1、2、3)，通過(guò)半圓形鋼板上的軸向法蘭牽引、緊固半圓形鋼板構(gòu)成鋼圓筒，對(duì)上加固段、下加固段實(shí)施環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固；構(gòu)成環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)的半圓形鋼板的數(shù)量為不包含1的奇數(shù)或偶數(shù)，取值范圍為2-7瓣，優(yōu)選2-4瓣。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，軸向預(yù)應(yīng)力頂升裝置由一組螺桿、旋裝在每個(gè)螺桿上的兩個(gè)螺母與設(shè)置在半圓形鋼板環(huán)向法蘭上的與每個(gè)螺桿對(duì)應(yīng)的通孔構(gòu)成。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，螺桿插裝在上加固段、下加固段的半圓形鋼板相鄰的環(huán)向發(fā)蘭的通孔中，螺桿上旋裝有兩個(gè)螺母，兩個(gè)螺母處于軸向預(yù)應(yīng)力頂升段，按相反的方向旋轉(zhuǎn)兩個(gè)螺母，使一個(gè)螺母與上加固段的半圓形鋼板的環(huán)向法蘭接觸，另一個(gè)螺母與下加固段的半圓形鋼板的環(huán)向發(fā)蘭接觸，對(duì)半圓形鋼板組成的上、下兩個(gè)鋼圓筒施加軸向預(yù)應(yīng)力。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，在施加好軸向預(yù)應(yīng)力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力的上、下兩個(gè)鋼圓筒外表面澆筑鋼筋混凝土保護(hù)層，鋼筋混凝土保護(hù)層中，設(shè)有鋼筋骨架，所述鋼筋骨架由輻射鋼筋與環(huán)形箍筋構(gòu)成，輻射鋼筋沿半圓形鋼板徑向設(shè)置，一端焊接在半圓形鋼板表面，另一端焊接有環(huán)形箍筋。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損混凝土圓柱加固法，包括下述步驟：

第一步：對(duì)被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱表面進(jìn)行打磨清理；不影響結(jié)構(gòu)柱的在線使用，不需在混凝土柱上開(kāi)孔植筋對(duì)混凝土柱產(chǎn)生破損；

第二步：將鋼筋混凝土柱的被加固段從上至下依次分為上加固段、軸向預(yù)應(yīng)力頂升段、下加固段；在上加固段、下加固段分別通過(guò)半圓形鋼板上的軸向蘭牽引、緊固半圓形鋼板，構(gòu)成鋼圓筒，包裹混凝土圓柱，實(shí)現(xiàn)對(duì)被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱施加環(huán)向應(yīng)力；上加固段、下加固段的半圓形鋼板上相鄰的環(huán)向法蘭，分別處于軸向預(yù)應(yīng)力頂升段的兩端；

第三步：將螺桿插裝在上加固段、下加固段的半圓形鋼板相鄰的環(huán)向發(fā)蘭的通孔中，螺桿上旋裝兩個(gè)螺母，兩個(gè)螺母處于軸向預(yù)應(yīng)力頂升段，按相反的方向旋轉(zhuǎn)兩個(gè)螺母，使一個(gè)螺母與上加固段的半圓形鋼板的環(huán)向發(fā)蘭接觸，另一個(gè)螺母與下加固段的半圓形鋼板的環(huán)向發(fā)蘭接觸，對(duì)由半圓形鋼板組成的上、下兩個(gè)鋼圓筒施加軸向預(yù)應(yīng)力，使被加固柱軸向部分卸載，對(duì)混凝土柱實(shí)施卸載加固；

第四步：在半圓形鋼板外表面澆筑有鋼筋混凝土保護(hù)層；鋼筋混凝土保護(hù)層中，設(shè)有鋼筋骨架，所述鋼筋骨架由輻射鋼筋與環(huán)形箍筋構(gòu)成，輻射鋼筋沿半圓形鋼板徑向設(shè)置，一端焊接在半圓形鋼板表面，另一端焊接有環(huán)形箍筋。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損混凝土圓柱加固法，半圓形鋼板的圓心角為170-180度，通過(guò)設(shè)于其上的軸向法蘭牽引、緊固定位，構(gòu)成鋼圓筒包裹混凝土圓柱。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損混凝土圓柱加固法，施加的環(huán)向預(yù)應(yīng)力大小按下式確定：

σ_r1＝σ_r2

式中：σ_r1為半圓鋼板施加給被加固柱的徑向的作用力(圖8b)；

σ_r2為被加固原柱箍筋對(duì)原柱核心混凝土產(chǎn)生的約束應(yīng)力(圖8e)。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，軸向預(yù)應(yīng)力的大小，按以下原則確定：

①軸向預(yù)應(yīng)力大于半圓形鋼板內(nèi)表面與原混凝土柱的摩擦力；

②軸向預(yù)應(yīng)力小于等于以下三者中的最小值：

即原混凝土柱的設(shè)計(jì)承載力、半圓形鋼板形成的鋼圓筒柱的臨界軸壓力、按鋼板軸向抗壓屈服強(qiáng)度計(jì)算得到的鋼圓筒柱軸向承載力。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，施加的軸向預(yù)應(yīng)力σ_sz與施加的環(huán)向預(yù)應(yīng)力σ_sh之比

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，軸向預(yù)應(yīng)力頂升段的(指上加固段的下法蘭和下加固段的上法蘭之間的間隙)長(zhǎng)度小于等于兩個(gè)螺母厚度之和的1.5倍。

本發(fā)明雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，上加固段的上法蘭和下加固段的下法蘭不設(shè)置螺栓孔，設(shè)置法蘭板的目的是向樓板和梁傳遞軸向預(yù)應(yīng)力。

本發(fā)明采用帶法蘭的半圓形鋼板(見(jiàn)附圖1)對(duì)鋼筋混凝土圓截面柱施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力和軸向預(yù)應(yīng)力，實(shí)施對(duì)圓截面混凝土柱的在線無(wú)破損雙向預(yù)應(yīng)力加固；在半圓形鋼板外表面沿半圓形鋼板徑向焊接輻射鋼筋，在輻射鋼筋自由端焊接環(huán)形箍筋，最后在環(huán)向箍筋外立模板并澆筑混凝土，形成加固柱。

將兩塊圓心角略小于180度的半圓形鋼板緊扣在加固區(qū)域的混凝土圓柱的下加固段(見(jiàn)附圖2)，通過(guò)設(shè)于半圓形鋼板側(cè)端部的軸向連接法蘭牽引兩個(gè)半圓形鋼板，通過(guò)建立扭矩扳手扭矩和半圓鋼板應(yīng)變的關(guān)系，對(duì)半圓鋼板預(yù)應(yīng)力的精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱下加固段施加環(huán)向應(yīng)力；

將兩塊圓心角略小于180度的半圓形鋼板輕扣在加固區(qū)域的混凝土圓柱的上加固段，通過(guò)設(shè)于半圓形鋼板側(cè)端部的連接法蘭牽引兩個(gè)半圓形鋼板，實(shí)現(xiàn)對(duì)被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱上加固段施加初步環(huán)向應(yīng)力；

在下加固段半圓形鋼板的上端法蘭(環(huán)向法蘭)和上加固段半圓形鋼板的下端法蘭中，沿圓周法蘭上設(shè)置的孔安裝頂升螺栓，將螺栓上位于上下法蘭之間的兩個(gè)螺母向上下擰動(dòng)，上螺母向上擰，下螺母向下擰，實(shí)施對(duì)混凝土柱的軸向施加預(yù)頂升力，使被加固柱部分卸載(見(jiàn)附圖3)，實(shí)施對(duì)混凝土柱的卸載加固；

通過(guò)扭矩扳手反復(fù)調(diào)節(jié)上加固段半圓形鋼板的環(huán)向預(yù)應(yīng)力和頂升螺栓的頂升力，使上段的環(huán)向預(yù)應(yīng)力和頂升螺栓的頂升力達(dá)到加固要求。

要使環(huán)向預(yù)應(yīng)力和頂升螺栓的頂升力達(dá)到加固要求，按被加固柱的承載力設(shè)計(jì)要求，分別計(jì)算半圓鋼板形成的鋼管承載力、柱箍筋外混凝土承載力、箍筋內(nèi)核心混凝土承載力及箍筋內(nèi)縱向主筋的承載力的基礎(chǔ)上，反求環(huán)向預(yù)應(yīng)力的大小和頂升力的大小。當(dāng)環(huán)向預(yù)應(yīng)力的大小使箍筋內(nèi)混凝土的受力σ_r2與箍筋外混凝土保護(hù)層因環(huán)向預(yù)應(yīng)力的施加產(chǎn)生的應(yīng)力σ_r1相等時(shí)，即σ_r1＝σ_r2時(shí)，原結(jié)構(gòu)柱和加固層結(jié)構(gòu)受力就同步，就不會(huì)出現(xiàn)梯次破壞。當(dāng)半圓鋼板達(dá)到其屈服強(qiáng)度時(shí)環(huán)向預(yù)應(yīng)力達(dá)到最大值。頂升力的大小除滿足設(shè)計(jì)要求外，其最大值不能超過(guò)原柱的設(shè)計(jì)承載力(否則，原柱會(huì)受拉)、半圓鋼板形成的鋼圓筒柱達(dá)柱的臨界軸壓力和鋼板達(dá)軸向抗壓屈服強(qiáng)度算得的軸向承載力三者的最小值。

在半圓形鋼板外表面焊接輻射鋼筋，輻射鋼筋沿半圓形鋼板徑向發(fā)散，沿輻射鋼筋自由端焊接環(huán)形箍筋(見(jiàn)附圖4)；

在環(huán)形箍筋外立模板，澆筑新混凝土(見(jiàn)附圖5)。

對(duì)混凝土柱表面打磨清理，是對(duì)混凝土柱表面凸出部分進(jìn)行打磨、蜂窩麻面處進(jìn)行修補(bǔ)，使被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱表面圓弧度與半圓形鋼板內(nèi)表面圓弧度基本一致，滿足被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱表面與半圓形鋼板內(nèi)表面的接觸面積大于等于半圓形鋼板內(nèi)表面面積的95％。

設(shè)于半圓形鋼板側(cè)端部、上加固段半圓形鋼板下端部和下加固段半圓形鋼板上端部的連接結(jié)構(gòu)為法蘭螺栓螺母連接結(jié)構(gòu)。

位于上下加固段之間的混凝土柱的軸向預(yù)應(yīng)力頂升段的長(zhǎng)度越短越好，以方便兩個(gè)螺母上下擰動(dòng)為基準(zhǔn)。

施加預(yù)壓應(yīng)力的大小以原有混凝土柱承受的環(huán)向壓應(yīng)力為基準(zhǔn)，采用彈性力學(xué)方法計(jì)算確定；當(dāng)環(huán)向預(yù)應(yīng)力的大小使箍筋內(nèi)混凝土的受力σ_r2與箍筋外混凝土保護(hù)層因環(huán)向預(yù)應(yīng)力的施加產(chǎn)生的應(yīng)力σ_r1相等時(shí)，即σ_r1＝σ_r2時(shí)，原結(jié)構(gòu)柱和加固層結(jié)構(gòu)受力就同步，就不會(huì)出現(xiàn)梯次破壞。

對(duì)鋼筋混凝土柱上、下加固段施加初步環(huán)向預(yù)應(yīng)力大小，原則是不影響軸向頂升力的施加；原柱的環(huán)向表面均有砂漿飾面層，其與圓鋼筒內(nèi)表面的摩擦系數(shù)可取0.45，軸向頂升力的大小要克服圓鋼筒內(nèi)表面與原混凝土柱的摩擦力，才不影響軸向頂升力的施加。

實(shí)施對(duì)混凝土柱的軸向施加預(yù)頂升力，使被加固柱部分卸載，頂升力的大小按設(shè)計(jì)要求采用彈性力學(xué)方法計(jì)算確定；頂升力的大小確定除滿足設(shè)計(jì)要求外，一是要克服圓鋼筒內(nèi)表面與原混凝土柱的摩擦力，二是其最大值不能超過(guò)原柱的設(shè)計(jì)承載力(否則，原柱會(huì)受拉)、半圓鋼板形成的鋼圓筒柱達(dá)柱的臨界軸壓力和鋼板達(dá)軸向抗壓屈服強(qiáng)度算得的軸向承載力三者的最小值。

焊接在半圓形鋼板外表面的輻射鋼筋其投影呈梅花形；若第一層輻射鋼筋在半圓形鋼板表面沿同一水平周線上均勻焊接布設(shè)，則在離第一水平周線一定距離上下布置第二層、第三層輻射鋼筋，在豎向上鋼筋的布置與第一層錯(cuò)開(kāi)布置。將每層輻射鋼筋的自由端用環(huán)形箍筋通過(guò)焊接的方式相連接；輻射鋼筋長(zhǎng)度和數(shù)量按構(gòu)造要求選??；輻射鋼筋及縱筋均采用HRB335變形鋼筋，環(huán)形箍筋采用HPB235圓鋼。

當(dāng)被加固混凝土柱的高度大于等于4米時(shí)，在環(huán)形箍筋外的模板外表面設(shè)置澆筑窗口，相鄰澆筑窗口的橫向水平間距為2米；模板的內(nèi)徑根據(jù)設(shè)計(jì)的混凝土保護(hù)層厚度確定。

本發(fā)明的鋼筋混凝土柱加固方法，若建筑上有要求不能改變?cè)薪孛娲笮r(shí)，可以將加固區(qū)的混凝土保護(hù)層切除，并將內(nèi)表面打磨清理平整，直接用四塊半圓形鋼板對(duì)混凝土柱施加環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力和軸向預(yù)應(yīng)力，半圓形鋼板與原有混凝土間的縫隙用水泥漿充填，半圓形鋼板外表面用砂漿護(hù)面。

本發(fā)明的鋼筋混凝土柱加固方法，同樣適應(yīng)于可以開(kāi)挖的混凝土樁的加固，用于混凝土樁的加固時(shí)，要確保樁的穩(wěn)定性和防止地下水的影響。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

雙向預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)屬于二次受力結(jié)構(gòu)，加固前試件已處于受力狀態(tài)，后加部分只有在繼續(xù)增加荷載后才逐漸受力，應(yīng)力水平滯后于原有部分，且后加部分的應(yīng)力水平取決于二次荷載的大小。因此，減少后加部分應(yīng)力滯后，使后加部分和原結(jié)構(gòu)有效協(xié)同工作是加固工作中需解決的重要問(wèn)題。本發(fā)明采用上述技術(shù)手段，解決了應(yīng)力水平滯后于原有部分的缺陷，使后加部分和原結(jié)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作；相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

⑴雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在線無(wú)破損加固混凝土圓柱法，既對(duì)既有混凝土柱直接施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力又施加軸向預(yù)應(yīng)力，且預(yù)應(yīng)力大小可調(diào)；不需在混凝土柱上開(kāi)孔植筋對(duì)混凝土柱產(chǎn)生破損，不影響結(jié)構(gòu)柱的在線使用。

⑵因?yàn)橛蓄A(yù)應(yīng)力的存在且預(yù)應(yīng)力大小可調(diào)，確保了原結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)受力同步，不會(huì)出現(xiàn)梯次破壞，加固結(jié)構(gòu)層受力的滯后得以明顯改善；當(dāng)環(huán)向預(yù)應(yīng)力的大小使原柱箍筋內(nèi)混凝土的受力σ_r2與箍筋外混凝土保護(hù)層因環(huán)向預(yù)應(yīng)力的施加產(chǎn)生的應(yīng)力σ_r1相等時(shí)，即σ_r1＝σ_r2時(shí)，原結(jié)構(gòu)柱和加固層結(jié)構(gòu)受力就同步，就不會(huì)出現(xiàn)梯次破壞。

⑶相比于在混凝土柱表面鑿孔植筋，本發(fā)明不損壞原有混凝土柱的結(jié)構(gòu)和降低混凝土柱的承載力。通過(guò)半圓形鋼板對(duì)原有混凝土柱施加適當(dāng)環(huán)向預(yù)應(yīng)力和軸向預(yù)應(yīng)力，既對(duì)原柱的軸向壓力進(jìn)行了部分卸載，又使原有混凝土的受力由兩向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)橹鲃?dòng)三向受力狀態(tài)，且環(huán)向預(yù)應(yīng)力最大可達(dá)鋼板抗拉屈服強(qiáng)度值。混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高進(jìn)而提高被加固柱的結(jié)構(gòu)承載力；半圓鋼板護(hù)筒內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止半圓鋼板發(fā)生局部屈曲。

研究表明，鋼管混凝土柱的承載力高于相應(yīng)的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。雙向預(yù)應(yīng)力的施加帶來(lái)的技術(shù)效果并非兩者的簡(jiǎn)單疊加，其效果超乎預(yù)期。經(jīng)計(jì)算，柱外套半圓鋼板形成圓鋼筒對(duì)柱進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),其承載力是加固前的1.75-4.30倍,承載力得到了很大的提高，并且加固方法簡(jiǎn)單易行,便于操作。

(4)采用雙向預(yù)應(yīng)力對(duì)既有混凝土柱進(jìn)行加固時(shí)，環(huán)向預(yù)應(yīng)力與軸向預(yù)應(yīng)力合理匹配，可使混凝土柱加固后的承載力達(dá)到最優(yōu)值(不一定是最大值)。

①環(huán)向預(yù)應(yīng)力的加載在環(huán)向不超過(guò)半圓鋼板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，以確保設(shè)計(jì)的環(huán)向預(yù)應(yīng)力圓鋼筒和原混凝土柱有相同的可靠度；

②原混凝土柱的總承載力達(dá)到其極限值?；炷林枰庸潭铱梢栽诰€無(wú)破損加固，說(shuō)明其承受的荷載最多也就是使其達(dá)到屈服極限承載力，進(jìn)一步的加固其承載力至少也要達(dá)到其屈服極限承載力；

③對(duì)混凝土柱實(shí)施初步加固后，通過(guò)雙向法蘭反復(fù)調(diào)整軸向預(yù)應(yīng)力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力的大小，半圓鋼筒在豎向的受力與原混凝土柱的受力協(xié)調(diào)，半圓鋼筒的豎向應(yīng)變與原混凝土柱的豎向應(yīng)變相等：(z表示軸向，c表示混凝土，s表示鋼板材)，可計(jì)算出半圓鋼筒在豎向應(yīng)力大小。通過(guò)反復(fù)試算，可得(σ_sz和σ_sh分別為半圓鋼筒的軸向和環(huán)向預(yù)應(yīng)力)的比值在0.5-2.0之間均能滿足加固要求，以為最優(yōu)。

(5)混凝土柱加固好后，新舊材料在承載方面既要受力明晰又要新舊配合；若加固混凝土柱在加固施工完成并投入使用后又再一次發(fā)生破壞，原有結(jié)構(gòu)施工單位和加固施工單位責(zé)任劃分方便；

(6)本發(fā)明加固方法既提高了柱的強(qiáng)度又提高了混凝土柱的剛度，全面提高鋼筋混凝土柱(樁)的抗壓性能，確保了二者的協(xié)同工作；

(7)加固施工不必要對(duì)原有混凝土柱進(jìn)行卸載，不影響結(jié)構(gòu)的使用；

(8)加固施工可在線實(shí)施，加固后結(jié)構(gòu)能立即承載；

(9)不降低原有結(jié)構(gòu)的承載力，確保原有結(jié)構(gòu)在施工期間的安全性；

(10)可對(duì)高速(30年)、高鐵(15年)線上大型橋梁橋墩柱實(shí)施在線加固，其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益將是顯著的。

(11)半圓形鋼板上焊接的輻射鋼筋呈梅花形布置，有利于減少被加固柱的配筋率，有利于半圓形鋼板外應(yīng)力的二次分布；在輻射鋼筋的外端焊接環(huán)形箍筋，起到了普通混凝土柱中箍筋的作用。

(12)被加固的柱加固完后具有鋼管混凝土的相應(yīng)優(yōu)勢(shì)。混凝土的抗壓強(qiáng)度高，但抗彎能力很弱，而鋼材特別是型鋼的抗彎能力強(qiáng)，具有良好的彈塑性，但在受壓時(shí)容易失穩(wěn)而喪失軸向抗壓能力。而半圓鋼板護(hù)筒混凝土在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度可成倍提高，同時(shí)由于混凝土的存在，提高了半圓鋼板護(hù)筒的剛度，兩者共同發(fā)揮作用，從而大大地提高了加固柱的承載能力。

(13)半圓鋼板護(hù)筒混凝土的塑性和韌性好。混凝土屬于脆性材料，特別是高強(qiáng)度混凝土脆性性能更加明顯。而半圓鋼板護(hù)筒具有較好的塑性和韌性，內(nèi)部的核心混凝土受到外部鋼護(hù)筒的有效約束，使得內(nèi)部核心混凝土在軸向壓力和外部半圓鋼板護(hù)筒約束應(yīng)力的共同作用下處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力狀態(tài)可以使內(nèi)部核心混凝土充分地發(fā)揮抗壓強(qiáng)度和塑性變形能力，有效的降低了核心混凝土的脆性性能，提高了混凝土的塑性變形能力。

(14)半圓鋼板護(hù)筒和混凝土之間的相互作用使半圓鋼板護(hù)筒內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模瑯?gòu)件的延性性能明顯改善，耗能能力大大提高，使結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗震性能。

附圖說(shuō)明

附圖1為待加固的圓截面混凝土柱及帶法蘭的半圓鋼板模型照片。

附圖2為用帶法蘭的半圓形鋼板對(duì)鋼筋混凝土柱施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力示意圖。

附圖3為對(duì)混凝土柱的軸向施加預(yù)頂升力示意圖。

附圖4為在半圓形鋼板外加焊扇形輻射鋼筋、環(huán)形箍筋示意圖。

附圖5為在焊接的環(huán)向箍筋外立模板示意圖。

附圖6為用普通植筋擴(kuò)大斷面法加固混凝土柱(對(duì)比案例)斷面示意圖。

附圖7為本發(fā)明的加固方法加固原柱斷面示意圖。

附圖8為半圓鋼板及混凝土柱受力分析圖。

附圖4中，1—混凝土柱；2—半圓形鋼板；3—螺栓；4—扇形輻射鋼筋；5環(huán)向箍筋；6—縱筋。

附圖5中，1—混凝土柱；2—半圓形鋼板；3—螺栓；4—輻射鋼筋；5環(huán)向箍筋；6—縱筋；7—模板。

附圖6中，4—輻射鋼筋；5—環(huán)向箍筋；6—(加固用)縱筋；8—原柱縱筋；9—原柱箍筋。

附圖7中，2—半圓鋼板；4—輻射筋；5—箍筋；6—(加固用)縱筋。

具體實(shí)施方式

實(shí)施案例與分析對(duì)比

為更清楚的理解本發(fā)明，采用以下對(duì)比例、實(shí)施例對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算說(shuō)明。

一)待加固柱的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其極限承載力

某多層框架結(jié)構(gòu)(不考慮側(cè)移)，底層門廳柱為圓形截面，直徑d＝500mm，按軸心受壓短柱設(shè)計(jì)。軸力設(shè)計(jì)值N＝3900kN，柱的計(jì)算長(zhǎng)度為l₀＝6m，柱的長(zhǎng)細(xì)比l₀/d＝6m/0.5m＝12，符合構(gòu)造要求；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f_c＝14.3N/mm²，混凝土單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)_cy＝20.1N/mm²；縱筋采用HRB400級(jí)，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f_y′＝360N/mm²，其屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f_ys＝400N/mm²；箍筋采用HRB335級(jí)，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f_yv＝300N/mm²，f._y.t＝335N/mm²，；經(jīng)計(jì)算選焊接箍筋得焊接箍筋單根筋的截面面積A_s2＝113.1mm²，圓柱配受壓縱筋得A_s3＝1884mm²，柱核心截面直徑d_cor＝440mm，核心截面面積按公式：

N_uo≤0.9(f_cy·A_cor+f_ys·A_s3+2α₀f_ytA_sso) (1)

式中，f_cy—圓柱混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，20.1N/mm²；

A_cor—混凝土核心截面的面積，

d_cor—混凝土柱核心截面的直徑，d_cor＝440mm；

f_ys—縱筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，f_ys＝400N/mm²；

A_s3—全部縱筋受壓鋼筋截面面積，A_s3＝1884mm²；

α₀—系數(shù)，可取α₀＝1；

f_yt—焊接箍筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，f_yt＝335N/mm²；

A_sso—焊接環(huán)式箍筋的換算截面面積，

A_s2——單根箍筋的截面積，A_s2＝113.1mm²；

s—箍筋的縱向間距，由柱的設(shè)計(jì)承載力可算為s＝60mm。

將具體數(shù)據(jù)代入式(1)，可得圓柱的屈服承載力N_uo＝4999.281kN。

二)用普通植筋擴(kuò)大斷面法加固混凝土柱(對(duì)比案例1)

參見(jiàn)附圖6，把柱的外形直徑加固到d＝700mm，在原柱上開(kāi)孔，植入輻射鋼筋的鋼筋12根，在輻射鋼筋端部焊接環(huán)形箍筋，箍筋間距可擴(kuò)大到s₁＝200mm，加固用的縱筋用12根后加混凝土也采用C30，此時(shí)新柱參數(shù)如下(附圖6)：

新柱的參數(shù)為：f_c＝14.3N/mm²，f_cy＝20.1N/mm²；f_yv＝300N/mm²；f_ys＝400N/mm²；A_s3—原柱全部縱筋受壓鋼筋截面面積，A_s3＝1884mm²；f_yt—焊接箍筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，f_yt＝335N/mm²。d′_cor＝700-2×30＝640mm，單根箍筋的截面積，A′_s2＝A_s2＝113.1mm²，箍筋的縱向間距s＝200mm，加固用焊接環(huán)式箍筋的換算截面面積；

(此處因?yàn)槭羌庸滩糠?，不作A′_sso>25％×A_s′的要求)。

A″_s3＝A_s3+A′_s3＝1884mm²+1356.48mm²＝3240.48mm²，

A″_sso＝A_sso+A′_sso＝2604.32mm²+1136.43mm²＝3740.75mm²。

有以上數(shù)據(jù)后，加固柱的屈服承載力有兩種算法：

第一，內(nèi)層原混凝土柱還按照式(1)算得，外層后加固的鋼筋和混凝土按配有普通箍筋混凝土短柱計(jì)算，即有：

式中，—穩(wěn)定系數(shù)，A—d＝700mm的柱子截面積，A＝384650mm²(此處縱筋的配筋率為A″_s3/A為0.0084，不大于0.03)。代入具體數(shù)據(jù)得：

N_u′＝0.9*0.92[20.1*(384650-152053)+400*1356.48]

＝4320.332(kN)。

加固后柱的承載力應(yīng)為兩者之和：

N_u1＝N_uo+N_u′＝4999.281kN+4320.332kN＝9319.613kN。

加固后柱的承載力比原來(lái)的柱的承載能力提高了86.42％。

第二，不計(jì)二次受力，后加混凝土也按配有螺旋箍筋考慮，所以新柱的承載力為：

N_u1≤0.9(f_cy·A′_cor+f_ys·A″_s3+2α₀f_ytA″_sso)

＝0.9[20.1*321536+400*3240.48+2*1*335*3740.75]

＝10265.368(kN)。

加固后柱的承載力比原來(lái)的柱的承載能力提高了105.34％。

第一種算法較第二種算法合理。

三)采用本發(fā)明的加固方法加固原柱的設(shè)計(jì)計(jì)算

雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板并植筋加固圓柱截面示意如附圖7所示，輻射筋還是箍筋也是加固縱筋為半圓鋼板外的植筋數(shù)量不做要求只做構(gòu)造用，不計(jì)其承載力。半圓鋼板選厚t＝10mmQ235鋼板，其屈服強(qiáng)度f(wàn)_y＝235N/mm²。

1.強(qiáng)度理論基礎(chǔ)

1991年俞茂宏在雙剪強(qiáng)度理論基礎(chǔ)上以雙剪單元體為力學(xué)模型，建立了一種考慮中間主應(yīng)力σ₂影響的適用于不同材料的統(tǒng)一強(qiáng)度理論，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：F，F(xiàn)′為主應(yīng)力強(qiáng)度理論函數(shù)；σ₁，σ₂，σ₃分別為第一、第二和第三主應(yīng)力，取拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；α為材料的拉壓比；σ_ts，σ_cs，τ_s分別為材料的拉伸屈服極限強(qiáng)度、壓縮屈服極限強(qiáng)度和剪切屈服極限強(qiáng)度；b為加權(quán)參數(shù)，它反應(yīng)了中間切應(yīng)力及相應(yīng)作用面上正應(yīng)力對(duì)材料屈服或破壞的影響，0≤b≤1；B為切應(yīng)力系數(shù)。

2.半圓鋼板配筋混凝土短柱軸壓承載力分析

2.1受力機(jī)理

當(dāng)半圓鋼板或預(yù)應(yīng)力半圓鋼板加固混凝土柱后，加固柱就類似于配筋鋼管混凝土柱。它是帶預(yù)應(yīng)力圍壓的配筋鋼管混凝土柱，它與鋼管混凝土柱的區(qū)別在于：①兩片半圓的鋼板施加有預(yù)應(yīng)力，其預(yù)應(yīng)力大小可以根據(jù)需要調(diào)整；②兩片半圓鋼板加壓形成的鋼套管，在柱的軸向可以主動(dòng)加預(yù)應(yīng)力；③兩片半圓鋼板的法蘭連接處會(huì)有縫隙；④原混凝土柱按原承載要求有配筋，加固后的混凝土柱相當(dāng)于配筋鋼管混凝土柱。

在軸壓作用下預(yù)應(yīng)力半圓鋼板混凝土短柱的受力機(jī)理為：核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)受到半圓鋼板和箍筋的約束作用，半圓鋼板與箍筋之間的外層混凝土受到半圓鋼板的約束作用，同樣處于三向應(yīng)力狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力半圓鋼板是后加的，軸向壓力幾乎為零、環(huán)向受拉和徑向受壓(預(yù)應(yīng)力)的三向應(yīng)力狀態(tài)，縱向鋼筋受軸壓作用。

混凝土柱被加固后的受力如附圖8所示。

2.2半圓鋼板的受力

如附圖8所示，半圓鋼板的厚度為t，半圓鋼板對(duì)混凝土柱的圍壓為σ_r1，半圓鋼板的受力如附圖8b、附圖8c所示，由于半圓鋼板在柱的兩端沒(méi)法頂?shù)锰o，可暫假設(shè)半圓鋼板軸向壓應(yīng)力為σ_z＝0，徑向壓應(yīng)力為σ_r1，環(huán)拉應(yīng)力為σ_θ，則

式中：N₁為半圓鋼板混凝土柱中半圓鋼板所承受的軸向壓力，可以近似為零；A_s1為半圓鋼板的截面面積，近似為dπt；σ_r為半圓鋼板對(duì)混凝土產(chǎn)生的側(cè)向約束應(yīng)力；d為半圓鋼板的內(nèi)直徑；t為半圓鋼板壁厚。工程和試驗(yàn)中的半圓鋼板混凝土柱采用的半圓鋼板管壁一般很薄，均滿足d/t≥20，可看作薄壁鋼管，對(duì)于薄壁鋼管，有即|σ_r|<<σ_θ；據(jù)半圓鋼板的工作原理，隨著半圓鋼板混凝土應(yīng)變不斷的發(fā)展，半圓鋼板環(huán)向拉應(yīng)力σ_θ不斷增大，軸向壓應(yīng)力σ_z逐漸減小，半圓鋼板從主要承受軸向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕惺墉h(huán)向拉應(yīng)力，且σ_θ＞σ_z，則薄壁鋼管的主應(yīng)力分別為：

σ₁＝σ_θσ₂＝σ_r1σ₃＝σ_z……………………………….(5)

代入統(tǒng)一強(qiáng)度理論的判別式中得：

取統(tǒng)一強(qiáng)度理論的式(1)計(jì)算，結(jié)合公式(2)代入3個(gè)主應(yīng)力，化簡(jiǎn)得：

N₁＝σ_zA_s1…………………………………(8)

不加軸向預(yù)應(yīng)力的情況下，σ_z＝0，所以，N₁＝0。

2.3箍筋應(yīng)力

混凝土柱內(nèi)的箍筋及核心混凝土的受力如附圖8f所示，受壓柱內(nèi)配置的連續(xù)螺旋箍筋或單獨(dú)的八角形箍筋在沿柱軸的間距較小時(shí)，對(duì)其包圍的核心混凝土?xí)a(chǎn)生有效約束，由于半圓鋼板通過(guò)保護(hù)層混凝土給柱內(nèi)箍筋的作用力為σ_r1，由附圖8f利用力的平衡，約束應(yīng)力還可以表示為：

式中：σ_r2為箍筋對(duì)核心混凝土產(chǎn)生的約束應(yīng)力；f._y.t為表示箍筋屈服強(qiáng)度；d_cor(箍筋內(nèi)邊緣)為核心混凝土直徑；A_cor為核心混凝土(箍筋內(nèi)邊緣)面積；A_S2單根箍筋的截面積；s為箍筋的縱向間距。

2.4混凝土承載力

(1)混凝土柱沒(méi)有加固時(shí)

此時(shí)，箍筋外的混凝土保護(hù)層是自由的，只是起保護(hù)層的作用。箍筋內(nèi)的核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，核心混凝土的抗壓強(qiáng)度可按三向受壓時(shí)的強(qiáng)度考慮，可取f_c′＝f_c+4σ_r2，σ_r2為箍筋對(duì)核心混凝土產(chǎn)生的被動(dòng)側(cè)向壓應(yīng)力即徑向壓應(yīng)力，當(dāng)箍筋應(yīng)力達(dá)抗拉屈服強(qiáng)度時(shí)，可導(dǎo)出：

A_sso為箍筋的換算面積

(2)預(yù)應(yīng)力半圓鋼板加固混凝土柱后

箍筋外半圓鋼板內(nèi)的保護(hù)層混凝土受到半圓鋼板約束的外部向內(nèi)的作用力σ_r1，同時(shí)受到箍筋向外膨脹給保護(hù)層混凝土的作用力，可以假定這個(gè)力的大小也為σ_r1，如附圖8e所示。保護(hù)層混凝土相當(dāng)于一個(gè)受力圓筒，內(nèi)半徑為d_cor/2外半徑為d/2受內(nèi)壓力σ_r1和外壓力σ_r1，其應(yīng)力分布應(yīng)當(dāng)是軸對(duì)稱的，其表達(dá)式為：

σ_r＝σ_θ＝σ_r1………………………………………………….(11)得處于三向應(yīng)力狀態(tài)下的外層混凝土的抗壓強(qiáng)度f(wàn)′_c1為

f′_c1＝f_cy+kσ_r1………………………………………………….(12)

則外層混凝土的軸壓承載力N₂為：

N₂＝(f_cy+kσ_r1)A_c1＝(f_cy+kσ_r1)π[(d/2)²-(d/2)²]…………………(13)

式中：A_c1為外層混凝土截面面積，A_c1＝π[(d/2)²-(d_cor/2)²]。

核心混凝土受到半圓鋼板和箍筋的雙重約束作用，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，采用從統(tǒng)一強(qiáng)度理論推得的混凝土在三向應(yīng)力狀態(tài)下的軸向抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式

f_c′＝f_cy+kσ_r2………………………………………………..(14)

式中：f_c′為三向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土抗壓強(qiáng)度；為混凝土的內(nèi)摩擦角，k的取值在1.0-7.0之間，具體值由試驗(yàn)確定，當(dāng)k取4.0時(shí)，為36.87°；σ_r2為核心混凝土所受到的側(cè)向約束應(yīng)力；f_cy為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度，對(duì)于圓形截面柱，取圓柱體單軸抗壓強(qiáng)度。

核心混凝土承載力

式中：s為箍筋間距，A_cor為核心混凝土的截面面積，A_cor＝π(d_cor/2)²。

2.5縱向鋼筋承載力

配筋圓鋼管混凝土短柱在達(dá)到軸壓承載力極限時(shí)縱向鋼筋屈服，故其軸壓承載力N₄為:

N₄＝f_ysA_s3…………………………………………(16)

式中：f_ys為縱向鋼筋的屈服強(qiáng)度；A_s3為縱向鋼筋的截面面積。

2.6軸壓承載力統(tǒng)一解

配筋圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力N由鋼管、外層混凝土、核心混凝土和縱向鋼筋4個(gè)部分提供的承載力共同組成，即:

N＝N₁+N₂+N₃+N₄…………………………………………(17)

將式(8)、(9)、(13)、(15)和(16)代入式(17)，整理可得配筋圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力統(tǒng)一解為:

當(dāng)N₁＝0時(shí)，上式變?yōu)椋?/p>

承載力是側(cè)向約束應(yīng)力σ_r1的函數(shù)，因?yàn)楫?dāng)薄壁半圓鋼板的環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到極值時(shí)σ_ts＝f_y，其側(cè)向約束力即達(dá)到極值，由式(4)得:

式中：f_y為半圓鋼板的屈服強(qiáng)度。將式(20)代入式(18)，可得軸壓承載力極限值N_u為：

當(dāng)A_s2＝0，A_s3＝0時(shí)，式(21)退化為普通圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力計(jì)算公式，即

式中：A_c為普通圓鋼管混凝土短柱的核心混凝土截面面積，

A_c＝A_c1+A_cor。

3.實(shí)施案例及方案

具體實(shí)施過(guò)程為：對(duì)被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱表面進(jìn)行打磨清理；將鋼筋混凝土柱的被加固段從上至下依次分為上加固段、軸向預(yù)應(yīng)力頂升段、下加固段；在上加固段、下加固段分別通過(guò)半圓形鋼板上的軸向法蘭牽引、緊固半圓形鋼板構(gòu)成圓鋼筒，包裹混凝土圓柱，實(shí)現(xiàn)對(duì)被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱施加環(huán)向應(yīng)力；上加固段、下加固段的圓鋼筒分別由兩個(gè)半圓形鋼板構(gòu)成；上加固段、下加固段的半圓形鋼板上相鄰的環(huán)向法蘭，分別處于軸向預(yù)應(yīng)力頂升段的兩端；將螺桿插裝在上加固段、下加固段的半圓形鋼板相鄰的環(huán)向發(fā)蘭的通孔中，螺桿上旋裝兩個(gè)螺母，兩個(gè)螺母處于軸向預(yù)應(yīng)力頂升段，按相反的方向旋轉(zhuǎn)兩個(gè)螺母，使一個(gè)螺母與上加固段的半圓形鋼板的環(huán)向蘭接觸，另一個(gè)螺母與下加固段的半圓形鋼板的環(huán)向發(fā)蘭接觸，對(duì)兩個(gè)半圓形鋼板施加軸向預(yù)應(yīng)力，使被加固柱軸向部分卸載，對(duì)混凝土柱實(shí)施卸載加固；然后，在半圓形鋼板外表面澆筑有鋼筋混凝土保護(hù)層；鋼筋混凝土保護(hù)層中，設(shè)有鋼筋骨架，所述鋼筋骨架由輻射鋼筋與環(huán)形箍筋構(gòu)成，輻射鋼筋沿半圓形鋼板徑向設(shè)置，一端焊接在半圓形鋼板表面，另一端焊接有環(huán)形箍筋；半圓形鋼板的圓心角為176度左右，通過(guò)設(shè)于其上的軸向法蘭牽引、緊固定位，包裹混凝土圓柱。

3.1實(shí)施例方案1(只加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，對(duì)比案例2)

半圓鋼板在混凝土柱軸向不加預(yù)應(yīng)力，環(huán)向施加預(yù)應(yīng)力使原柱內(nèi)的箍筋不受力。

此時(shí)，有N₁＝0，且σ_r2＝σ_r1，k＝4,將具體數(shù)據(jù)代入式(18-1)：

只加環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固后柱的承載力比原來(lái)的柱的承載能力提高了74.26％。半圓鋼板的應(yīng)用提供的預(yù)應(yīng)力抵消了原有柱中箍筋的受力，在加固柱再次受力后，原有柱中的箍筋還會(huì)進(jìn)一步承受拉力，相當(dāng)于又在原柱中增加了一層與原柱相等的箍筋。

3.2實(shí)施例方案2(只加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，環(huán)向力大于方案1，對(duì)比案例3)

半圓鋼板在混凝土柱軸向不加預(yù)應(yīng)力，環(huán)向施加預(yù)應(yīng)力使半圓鋼板達(dá)屈服強(qiáng)度。

半圓鋼板的屈服強(qiáng)度f(wàn)_y＝235N/mm²，由式(4)可知由式(20)由式(18-1)代入具體數(shù)據(jù)：

只加環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固后柱的承載力比原來(lái)的柱的承載能力提高了256.55％。與方案1相比，方案2柱加固后承載力之所以提高到原柱的3.57倍，完全是由于將環(huán)向預(yù)應(yīng)力提高了的緣故。

3.3實(shí)施例方案3(既加環(huán)向預(yù)應(yīng)力又加軸向預(yù)應(yīng)力，環(huán)向力同方案2)

半圓鋼板在混凝土柱軸向加預(yù)應(yīng)力到半圓鋼板形成的鋼圓筒柱達(dá)柱的臨界軸壓力或鋼板屈服強(qiáng)度，環(huán)向施加預(yù)應(yīng)力使半圓鋼板達(dá)屈服強(qiáng)度。

預(yù)應(yīng)力半圓鋼板合攏后對(duì)混凝土柱進(jìn)行加固，半圓鋼板形成的鋼圓筒有可能失穩(wěn)。鋼板厚10mm,鋼圓筒的內(nèi)徑d＝500mm,外徑D＝520mm，其的截面面積A_s1＝πdt＝3.14×500×10＝15700mm²,截面慣性矩Ⅰ＝520855350mm²,其壓桿橫截面對(duì)混凝土柱軸向的慣性半徑r＝182.14mm，可得其柔度λ＝32.94，而由Q235鋼制成的壓桿，其柔度的限界值：

式中，E—鋼材的彈性模量，E＝2.06×10⁵MPa,σ_P—鋼材的比例極限，σ_P＝200MPa；代入具體數(shù)據(jù)可得：λ_p＝100，所以，λ<λ_p，鋼制成的壓桿不存在臨界失穩(wěn)?？梢钥紤]鋼圓筒在混凝土柱的軸向也達(dá)到其屈服強(qiáng)度f(wàn)_y＝235N/mm²，有N₁＝A_s1×f_y＝15700×235＝3689.5kN。軸向預(yù)頂升力的大小除滿足設(shè)計(jì)要求外，其最大值不能超過(guò)原柱的設(shè)計(jì)承載力(否則，原柱會(huì)受拉)、半圓鋼板形成的鋼圓筒柱達(dá)柱的臨界軸壓力和鋼板達(dá)軸向抗壓屈服強(qiáng)度算得的軸向承載力三者的最小值。由于鋼圓筒制成的壓桿不存在臨界失穩(wěn)，鋼圓筒的軸向頂升預(yù)應(yīng)力的最大值不大于N₁和原柱的設(shè)計(jì)承載力的最小值。在式(1)中，混凝土、縱筋和箍筋的強(qiáng)度指標(biāo)取設(shè)計(jì)值可算得原柱的設(shè)計(jì)承載力N₁₀＝3973.669kN。于是有：

N_u1＝N₁+N (23)

式中，N₁—鋼圓筒在混凝土柱的軸向達(dá)到其屈服強(qiáng)度時(shí)的承載力；N—雙向預(yù)應(yīng)力半圓鋼板在混凝土柱軸向不加預(yù)應(yīng)力，環(huán)向施加預(yù)應(yīng)力使半圓鋼板達(dá)屈服強(qiáng)度得到的加固柱的承載力，由前節(jié)可知，N＝17824.826kN，所以，N_u1＝21514.326kN。

加固后柱的承載力比原柱的承載能力提高了330.35％。在使用雙向預(yù)應(yīng)力加固后，加固后柱的承載力提高到原柱的4.3倍。

即同樣的柱斷面積，用本發(fā)明方法加固的混凝土柱(實(shí)施例方案2、方案3)較普通法加固的混凝土柱(對(duì)比案例1)的承載力有所提高，也就是說(shuō)，在同樣的承載力要求下，用本發(fā)明方法加固的混凝土柱其斷面積要小于用普通方法加固的混凝土柱的斷面。用實(shí)施例的方案1、2、3加固后柱的承載力比原柱(沒(méi)有加固的柱)的承載力依據(jù)不同的加固力方案分別提高了74.26％、256.55％和330.35％，承載力分別是原柱承載力的1.75倍、3.57倍和4.30倍。

3.4實(shí)施例的方案優(yōu)化

采用雙向預(yù)應(yīng)力對(duì)既有混凝土柱進(jìn)行加固時(shí)，環(huán)向預(yù)應(yīng)力與軸向預(yù)應(yīng)力存在一定的匹配關(guān)系，以使混凝土柱加固后的承載力達(dá)到最優(yōu)值(不一定是最大值)。按以下原則考慮：

①環(huán)向預(yù)應(yīng)力的加載在環(huán)向不超過(guò)鋼板的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度值[f]，具體數(shù)據(jù)f＝215N/mm²，以確保設(shè)計(jì)的環(huán)向預(yù)應(yīng)力圓鋼筒和原混凝土柱有相同的可靠度；

②原混凝土柱的總承載力達(dá)到其極限值N_uo＝4999.281kN。混凝土柱需要加固而且可以在線無(wú)破損加固，說(shuō)明其承受的荷載最多也就是使其達(dá)到屈服極限承載力，進(jìn)一步的加固其承載力至少也要達(dá)到其屈服極限承載力；

③對(duì)混凝土柱實(shí)施初步加固后，通過(guò)雙向法蘭反復(fù)調(diào)整軸向預(yù)應(yīng)力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力的大小，半圓鋼筒在豎向的受力與原混凝土柱的受力協(xié)調(diào)，半圓鋼筒的豎向應(yīng)變與原混凝土柱的豎向應(yīng)變相等：(z表示軸向)，可計(jì)算出半圓鋼筒在豎向應(yīng)力大小。由①可知：

半圓鋼板的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)＝215N/mm²，由式(4)可知由式(20)代入式(18-1)，得：N＝16708.570kN>N_uo＝4999.281kN，就是說(shuō)，僅僅將鋼圓筒的環(huán)向預(yù)應(yīng)力的加載到鋼板的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，加固后柱的承載力就超過(guò)了原柱的極限承載力。為確定鋼圓筒的環(huán)向預(yù)應(yīng)力和軸向預(yù)應(yīng)力的比例關(guān)系，可以假設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力為σ_sh(h表示環(huán)向)，則由條件②、③及式(18)或式(18-1)和N₁＝A_s1σ_sz，取σ_ts＝σ_cz，用σ_cz替換f_cy，σ_sz替換f_ys，有：

σ_cz(A_c1+A_cor)+kσ_r1A_cor+σ_szA_s3+k(A_c1+A_cor)σ_r1+A_s1·σ_sz＝N_uo (25)

以上三式，通過(guò)反復(fù)試算，可得的比值在0.5-2.0之間均能滿足加固要求，以為最優(yōu)。

4.結(jié)論

由上述對(duì)比和計(jì)算可知,原鋼筋混凝土柱設(shè)計(jì)承載力為4999.281kN，經(jīng)過(guò)對(duì)比案例普通植筋擴(kuò)大斷面法加固混凝土原柱、柱外套半圓鋼板形成預(yù)應(yīng)力圓鋼筒柱進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)和雙向預(yù)應(yīng)力加固，我們有以下結(jié)論：

1)與混凝土原柱相比，采用普通植筋擴(kuò)大斷面法加固的混凝土原柱，其承載力提高了86.42％；

2)與混凝土原柱相比，只加環(huán)向預(yù)應(yīng)力(實(shí)施例方案1，對(duì)比例2)加固后柱的承載力比原來(lái)的柱的承載能力提高了74.26％；

3)當(dāng)預(yù)應(yīng)力半圓鋼板的預(yù)應(yīng)力不大時(shí)(實(shí)施例方案1，對(duì)比例2)，其加固效果與采用普通植筋擴(kuò)大斷面法加固混凝土柱的加固效果相當(dāng)，但加固的混凝土柱的斷面積要小于用普通方法加固的混凝土柱的斷面；

4)與混凝土原柱相比，僅僅施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力的條件下(實(shí)施例方案1、方案2)，混凝土柱的承載力是加固前的1.75和3.6倍；

5)與混凝土原柱相比，在施加雙向預(yù)應(yīng)力的條件下(實(shí)施例方案3)，其承載力得到極大的提高，是加固前的4.30倍,并且加固方法簡(jiǎn)單易行,便于操作；

6)與只加環(huán)向預(yù)應(yīng)力的柱(對(duì)比例2、3)相比，采用雙向預(yù)應(yīng)力加固的混凝土柱(實(shí)施例方案3)的承載力較對(duì)比例2提高了146.95％，較對(duì)比例3提高了20.70％；

7)采用雙向預(yù)應(yīng)力對(duì)既有混凝土柱進(jìn)行加固時(shí)，環(huán)向預(yù)應(yīng)力與軸向預(yù)應(yīng)力存在一定的匹配關(guān)系，以使混凝土柱加固后的承載力達(dá)到最優(yōu)值，可得的比值在0.5-2.0之間均能滿足加固要求，以為最優(yōu)。

8)由于加大了原柱的混凝土截面面積和配鋼量,因此這種方法不僅可以提高原柱的承載力,還可降低柱的長(zhǎng)細(xì)比,提高柱子的剛度,對(duì)于抗震設(shè)防地區(qū),還可以使柱變成有利于抗震的強(qiáng)柱弱梁結(jié)構(gòu),并且,施工方便,操作性強(qiáng)，在提高同等承載力的基礎(chǔ)上,比其他方法少占用空間。