外包钢加固钢筋混凝土构件的计算及有限元分析（可编辑）

外包钢加固钢筋混凝土构件的计算及有限元分析（可编辑） 外包钢加固钢筋混凝土构件的计算及有限元分析 西南交通大学硕士学位 摘要 随着建筑物的逐渐老化,钢筋混凝土结构构件的安全可靠性已逐渐成为 土木领域普遍关注的问题。外包钢加固是提高钢筋混凝土结构安全度、减 少事故隐患,延长结构使用寿命的有效方法。随着有限元计算理论日趋成熟, 有限元分析软件已被广泛地应用于各种类型的结构及构件分析;用 还能够较好地模拟结构受力发展的全过程,从而为试验和工程应用提 供参考。 本文首先采用了《混凝土加固技术规范》中建议的实用计算方法,对外 包钢加固钢筋混凝土梁、柱的承载力进行计算。而后将承载力的计算结果与试 验结果进行了对比分析,比较了灌浆与否对外包钢加固混凝土构件受力性能的 影响,论证了灌浆的必要性,对加固方法的选用提出了合理化的建议。然后, 透过对包钢加固钢篾混凝?粱在使用萄载下的应力、应变分析,给出了外包钢 加固混凝土梁挠度的简化计算方法,通过与现有试验数据的对比,说明该方法 具有较强的可行性。最后,本文基于大型有限元分析软件,就钢筋混 凝土有限元模型的类型及其中的各种单元和材料的本构关系作了介绍,并结合 两个试验,运用软件对湿式外包钢加固钢筋混凝土梁、普通钢筋混凝 土柱和湿式外包钢加固钢筋混凝土柱进行了三维非线性有限元分析。 通过将有限元计算的结果与试验结果的比较分析,说明所选的有限元模 型合理,能较好地再现混凝土结构的受力状况及裂缝的形成和发展,进而利用 有限元分析结果对结构构件的受力性能和破坏机理进行了分析。由此可见,非 线性有限元分析对于减少试验工作,获取可靠数据,扩大工程应用都具有十分 重要的意义。 关键词钢筋混凝土构件外包钢加固有限元分析西南交通大学硕士学位论文 , 。 口“:。 , 。,? 。 ?。工 。 。,。锄 。 。 , 。 ? ? 一 』州。, 。锄。 , 西南交通大学硕士学位论文 ? , 出: , ,掣蛆 ,西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第一章绪论 . 选题背景 建筑物作为人类社会发展过程中不可缺少的物质基础,必须保证其性能 满足人们对其的要求,主要包括强度、刚度和耐久性三方面的要求。而建筑 物在施工和使用过程中,不可避免地会遇到质量低下的现象。轻则看到种种 缺陷,重则发生破坏,甚至出现局部或整体倒塌的重大事故。当遇到这些现 象时,建筑工作者应该善于分析、判断它产生的原因,提出预防和治理他的 措施。要做到这些,必须对它们有一个准确的认识。 二次世界大战之后,世界经济发达国家的建设大体上经历了三个阶段: 大规模新建:新建和改造并举:除部分新建外,重点转向旧 建筑物的维修和改造。如:在美国共有近万桥梁,其中超过%的桥建 成于年左右”;一些发达国家的加固改造投资已达建筑业总投资的 %,而且有上升的趋势。建筑业重心的转移是其自身发展和社会经济条件决 定的。目前我国仍有相当一部分建筑存在严重隐患,急需鉴定和加固。据专 家预测,到本世纪末,我国现存的多亿平方米建筑物中有%进入老化 阶段。因安全性、耐久性过低而面临退役的危险。其中有亿~亿平方 米必须加固改造后才能使用。因此,我国今年来大力开展建筑物可靠性鉴定 及加固方法研究,并成立了“全国建筑物可靠度鉴定与加固委员会”。在混 凝士结构的鉴定与加固方面,中国工程建设化协会予年颁布了《混 凝土结构加固技术规范》:以下简称《加固技术规范》。该规 范具有较强的实用性,可以为一般混凝土结构构件的加固设计及施工提供指 导。近几年,我国在建筑物的鉴定与加固方面,尽管理论上、实践上均取得 了一批成果,但针对加固后结构构件的受力性能的研究课题还不是太多。可 以说,这方面仍有许多问题值得进一步深入研究。 钢筋混凝土是耐久性较好的一种材料,但如果设计、施工中存在缺陷, 结构长期处于耐腐蚀环境中,以及正常使用中的材料老化、构件开裂等,都 将导致结构构件局部损坏或破坏。在各种钢筋混凝土工程缺陷中有一个共同 缘由,就是水泥水化硬化后形成水泥石的性能;还有一个共同表现,就是在西 南交通大学硕士研究生学位论文 第页 钢筋混凝土构件中出现肉眼可以观察到的裂缝。水泥石中不同水化产物的水 化速度、凝胶性、强度、水化热和溶水性奠定了混凝土各种性能的基础,也 是产生各种混凝土裂缝的基础。而混凝土一旦产生肉眼可以见到的裂缝则不 仅使人有不安全感,而且可以引起渗漏、保护层脱落、构件刚度降低、结构 持久承载办减弱等重要缺陷,裂缝的扩展和延伸更是结构破坏的先兆“。 钢簋混凝土梁、柱是钢筋混凝土结构中最基本的受力构件。对出现缺 陷、事故后的钢筋混凝土梁、柱进行维修加固也是近年来经常遇到的问题。 因此,对加固后钢筋混凝土梁、柱受力性能的研究十分必要。 . 混凝?结构可靠性鉴定与加固技术 ..鉴定方法及评定标准 在工程结构中,结构设计的目的是在现有技术基础上。用最少的人力和 物力消耗,获得能够完成全部功篚要求和足够可靠的结构。结构的基本功能 主要包括结构的安全性、适用性、耐久性。上述功能要求概括起来可以称为 结构的可靠性。亦即结构在规定的设计基准期,在规定的条件下完成预定功 能的能力.己建混凝土结构,经过长期使用,引起功能退化,需要根据当时 当地的现场条件,对结构的可靠性进行专项或多项综合鉴定。结构鉴定就是 通过必要的调查、结构质量的检测和分析对结构的可靠性进行论证、评定的 过程。 根据文献,钢筋混凝土结构由于下述原因,对其是否符合国家标准 所要求的可靠性安全性、适用性及耐久性,需进行鉴定: 原结构设计检查出有人为错误,造成不安全的隐患。 结构在施工建造期,由于材料性能不符合设计要求、施工质量低 劣、人为错误等原因,出现了不正常的裂缝、变形或其他缺陷。 结构在长期使用后,由于前一节所述的耐久性受损的原因,或其 他原因,如地基不均匀沉陷,出现过大的裂缝、变形、混凝土保护层剥落等 不正常现象。 结构在使用期内,由于经济发展或其他原因,需聚加层、加高、 扩大建筑空间等改变结构原来规定的使用功能。 结构遭遇突然的灾害,如火灾、风灾、水灾、地震、爆炸。西南交通大学硕 士研究生学位论文 第页 当出现上述某一不正常情况时,就需要对结构有时还包括地基基础, 的可靠性进行专项或多项综合鉴定类似于为病人医治疾病,首先对病情进 行检查、诊断,从而在下一步进行技术与经济的论证,在技术可行、经济 合理的条件下采取合适的加固或减载等措施类似于疾病的治疗,使结构达 到所要求的功能。对于无修复加固价值的危损结构,则应及时动迁、拆除或 采取其他有效措旌,避免发生灾难性事故。 我国在结构鉴定方面,建设部在年代对民用住宅颁布了《房屋完 损等级评定标准》、《危险房屋鉴定标准》?、《房屋修缮范围和标 准》;对工业建筑,冶金部颁布了《钢铁工业建构筑可靠性鉴定规程》 ?;还颁布了国家标准《工业厂房可靠性鉴定标准》? 。年月由国家质量技术监督局和中华人民共和国建设部联合发布 了《民用建筑可靠性鉴定标准》?,该规范为民用建筑结构 可靠性鉴定的最新标准。 结构鉴定的结论主要包括以下两种情况: 对于无修复加固价值的危损结构,应及时动迁、拆除或采取其 他有效措施,避免发生灾难性事故; 当结构或其构件经鉴定,需进行维修加固时,则应根据具体情 况在技术可行、经济合理的条件下采取合适的加固或减载等措施使结构达到 所要求的功能。 ..混凝土结构可靠性鉴定的主要内容 混凝土结构可靠性鉴定主要包括以下几点: 混凝土结构和构件的材质鉴定; 混凝土结构和构件的承载力验算; 结构倾覆和滑移验算; 混凝土结构和构件的容许裂缝; 混凝土结构和构件的容许变形; 混凝土结构的构造和连接的可靠性。 ..混凝土结构的加固方法选择 结构加固补强的目的主要是提高结构和构件的强度、稳定性、刚度及耐西南 交通大学硕士研究生学位论文 第页 久性等,主要用于结构或构件承载力不足的事故处理。 对于一般建筑结构,《加固技术规范》提出了加大截面法、外包钢法、 预应力法、改变结构传力途径法、粘结钢板法等加固方法。 .加大截面加固法即采取增大混凝土结构构筑物的截面面积,以提高 结构承载力和满足正常使用的一种加固方法。基本要求是:原结构结合面基 层应坚实,表面应粗糙、清洁,新浇注的混凝土要求收缩小,粘结性能好。 优点是工艺简单,适用面广,可广泛用于一般梁、板、柱、墙等混凝土结构 构件的加固;同时,也可用于加固钢结构中的柱、屋架以及砖柱、砖墙等。 缺点是现场湿作业工作量大,养护期长,对生产和生活有一定的影响,截面 增大对结构外观及房屋净空也有一定的影响。 .外包钢加固法即在混凝土构件四周包以型钢的加固方法分干式、 湿式两种形式。钢筋混凝土梁柱外包钢加固,当以乳胶水泥粘贴或以环氧 树脂化学灌浆等方法粘结时,称为湿式外包钢加固。钢筋混凝土柱外包型钢 加固,当型钢与原柱间无任何连结,或虽填塞有水泥砂浆仍不能确保结合面 剪力有效传递时。称为干式外包钢加固。此法适用于混凝土柱、梁、屋架以 及砌体柱和窗间墙,也适用于烟囱、水池等构筑物的加固。这种方法还特别 适合大型结构及大跨结构,以及使用上不允许增大混凝土截面尺寸,而又需 要大幅度地提高承载力、增大延性合刚度的混凝土结构的加固。。当采用化 学灌浆外包钢加固时,型钢表面温度不应高于?;当环境具有腐蚀性介 质时,应有可靠的防护措施。 .预应力加固法是采用外加预应力的钢拉杆分水平拉杆、下撑式拉 杆和组合式拉杆三种或撑杆,对结构进行加固的方法,特点是通过预应力 手段强迫拉杆或撑杆受力,改变原结构内力分布并降低原结构应力水平,致 使一般加固结构中所特有的应力滞后现象得以完全消除,适用于提高承载 力、刚度和抗裂性加固。预应力加固法是具有卸荷、加固及改变结构受力三 种功能的一种经济的加固方法,特别适用于大跨结构加固,以及采用其它方 法效果不佳的较高应力应变状态下的大型结构加固。其缺点是减小建筑净 空、影响建筑外立面,影响上层楼盖结构或屋面防水构造。此法不宜用于处 在温度高于?环境下的混凝土结构,也不适用于混凝土收缩、徐变大的 混凝土结构。 .改变结构传力途径的加固法主要可分为两种: 增设支点法该法是以减小结构的计算跨度和变形,提高其承载力 的加固方法。按支承结构的受力性能又分为刚性支点和弹性支点两种。西南 交通大学硕士研究生学位论文 第页 托粱拔柱法该法是在不拆或少拆上部结构的情况下拆除、更换、 接长柱子的一种加固方法。按其施工方法的不同又分为有支撑托梁拔柱、无 支撑托梁拔柱及双托梁反牛腿托梁拔柱等,适用于要求房屋使用功能改 变、增大空间的老厂改造的结构加固,其中双托梁反牛腿托梁拔柱,则适用 于保留上牲的加固。 .外部粘钢加固法即在混凝土构件外部粘贴钢板,以提高其承载力和 满足正常使用的一种加固方法。适用于承受静力作用的一般受弯、受拉构件; 且环境温度不应超过?,相对湿度不大于%,以及无化学腐蚀影响。 否则应采取防护措施。特点是粘钢所占空间小,加固后几乎不改变构件的外 形合试验空间,加固旄工周期短、消耗材料少,对生产生活影响较小,粘钢 加固部位、范围与强度可视设计构造需要而定,是近几年来新发展的加固技 术。本方法对旌工工艺要求较高,一般应由专业队伍施工。 .其他加固法如增设支撑体系和剪力墙,以及裂缝修补和灌浆处理等。 此外,国内外还研究应用玻璃钢板、碳纤维板或其它组合材料代替钢板的粘 结加固方法。 上述方法中不包括专门针对不符合抗震鉴定要求的建筑抗震加固。以上 的几种加固方法各有优缺点,本文将着重研究有关外包钢加固法的相关问 题。 .研究现状及在实际工程中的应用 ..外包钢加固法的优点 外包钢加固法是以型钢一般为角钢外包于构件四角或两角的加固 方法。加固截面如图卜所示。 在我国,外包钢加固法也是一种使用面广的传统加固方法,优点是:设 计简单,旄工方便,现场工作量较小,技术成熟,受力较可靠。钢筋混凝土 粱、柱外包型钢加固,当以乳胶水泥粘贴或以环氧树脂化学灌浆等方法粘结 时,称为湿式外包钢加固。钢筋混凝土柱外包型钢加固,当型钢与原柱间无 任何连结。或虽填塞有水泥砂浆仍不能确保结合面剪力有效传递时,称为干 式外包钢加固。其中,湿式外包钢加固法有相应的试验研究成果为依据,只 要施工质量合格,外包型钢与原构件能完全共同工作,可按整体结构计算。西 南交通大学硕士研究生学位论文 第页 与湿式外包钢相比,干式外包钢加固旌工更为简便,但外包钢架与原构件不 能整体工作,彼此只能单独受力,一般多用于加固柱子;而湿式外包钢加固 更有效。外包钢加固法的缺点是用钢量稍大,加固维修费用较高。。 图? 柱 圆柱 梁 图卜外包钢加固混凝土构件示意 卜原构件:一角钢:一缀板;一填充混凝土或砂浆;一胶粘剂:一扁钢;一套箍 ..国内的研究现状 结构加固学是一门新兴的学科。 我国上世纪从年代起才开始结构的加固处理,混凝土结构加固的历 史则更短,仅~年左右。作为一门新兴学科??混凝士结构加固学, 仅是近十几年才提及的事,结构试验研究、理论分析及规范编制与更新等基 础理论工作,目前均处在起步阶段,就混凝土加固工程实践经验而论,日本 在混凝土结构裂缝修补技术方面,较为系统全面,编制了《混凝土工程裂缝 调查及补强加固技术规程》;原苏联在工业厂房加固设计构造方面,积累了 较为丰富的经验,出版由结构加固构造图集;英国、原联邦德国在混凝土结 构缺陷修补、防水及防腐处理技术方面,也取得了不少成功经验。 我国在年颁布了《混凝土结构加固技术规范》;年,出版了中 国建筑科学研究院结构所高级工程师万墨林编写的《混凝土结构加固技术的 研究》一书。近十年,在混凝土抗震加固、旧房改造及工程事故处理方面, 又积累了大量的工程实践;同时,西安建筑科技大学、西安理工大学、沈阳 大学、苏娜城建环保学院、青岛建筑工程学院等高校也进行了更多外包钢梁 柱的试验研究。从现有的资料分析,对外包钢加固的研究主要包括““: 外包钢加固梁、柱的正截面破坏性能的试验研究。” 外包钢柱的轴压比限值研究“”西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 框架外包钢节点的受力性能研究“” 外包钢加固柱的抗震性能研究” 外包钢构件的剪切破坏性能研究。 此外,还有专门研究湿式外包钢构件中不同的灌浆材料对承载力的影响 。当然,与工程实践相对应,对加固柱的研究多于加固梁。 ..外包钢加固法在实际工程中的应用 外包钢加固法主要是湿式外包钢加固法在我国的应用非常普遍。下 面是近年外包钢加固法在工程中的部分应用实例阻?。 表卜外包钢加固法的应用实例 序 日期 工程名称 加固情况简介 号 年 柱采用外包角钢加固 哈尔滨船舶工程学院实验楼【 年 贵州某地办公楼十层钢筋混 ~层混凝土强度偏低的框架粱 凝土框架结构】 采用外包钢加固 年 邢台煤矿选煤厂 主厂房根框架柱采用湿式外包 钢加固 年 陕西韩城发电厂【】 外包钢加固厂房柱 年 武汉武钢某幼儿园主楼吲 部分承重大梁采用外包钢加固 年 广州万益钢结构加工厂】 厂房结构柱采用外包粘钢结台加 固 年 深圳市某地产公司住宅楼异 一层共根异形柱采用湿式外包 形柱框架结构【】 角钢加固 年 广东中山纪念中学宿舍楼框 ~层框架柱采用外包角钢加固 架结构】 年 北京盈科中心高层建筑,框 地下层至地上层采用外包钢 架剪力墙结构七 加固,共加固粱根,柱根。 年 广西柳州市某大厦地上 主楼共根柱采用外包钢加固 层,地下层,高层建筑】 年 江西良山矿业公司精矿过滤车 三铰拱屋架采用湿式外包角钢加 】 固 间排架厂房西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 续表卜外包钢加固法的应用实例 序号 日期 工程名称 加固情况简介 年 武钢烧结厂一烧主厂房改造工 厂房部分框架柱采用湿式外包角 程现浇钢筋混凝土结构【】 钢加固 年 深圳市泰紫山庄号楼框架 所有根结构柱中的根柱 剪力墙结构? 采用湿式外包角钢加固 年 北京理工大学信息教学楼工程 部分混凝土强度偏低的框架柱采 钢筋混凝土框架剪力墙结 用湿式外包钢加固 构年 安徽芜湖某商业建筑结构改造 框架柱采用采用外包钢加固 工程钢筋混凝土框架结构 年 包头钢铁公司新建住宅楼底 外包钢加固柱、外包钢加固梁 层框架、上部层砌体结构 【 近几年,与上表中类似的工程实例已逾千例,而且随着研究的深入、材 料的发展,外包钢加固法还将被更广泛地应用。值得注意的是,近年来,将 外包钢加固法与粘钢加固法结合起来的研究和应用成为了目前加固领域新 的发展方向。目前,主要研究用建筑用结构胶代替湿式外包钢所用的乳胶水 泥或环氧树脂化学灌浆,加强外包刚架与原结构的共同工作能力,以便能同 时发挥外包钢加固技术与粘钢加固技术的优点。 .外包钢加固法的材料要求 加固用的型钢、钢板、扁钢等宜选用号钢或锰钢,其材料质量必 须符合现行的国家标准。湿式外包钢加固中,当采用化学浆液灌浆连接时, 其浆液组成在工程前应进行试配,选择可灌性好、收缩性小、粘结强度高、 固化时间可调整、耐久性较好,且材料是无毒或低毒的简化浆液。浆液固化 后,其与混凝土的粘结强度应高于被粘结结构的混凝土抗拉强度和抗剪强 度。环氧树脂浆液的原材料质量应符合国家有关技术标准的规定。采用乳胶 水泥砂浆粘结时,乳胶的含量应根据加固工程的具体要求进行配合比试验后 确定,切不可凭经验施工”。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .本文研究的目的及采用的方法 本文研究的目的是通过对外包钢加固钢筋混凝土构件的非线性数值模 拟分析,研究外包钢加固后钢筋混凝土构件的受力性能,外包角钢与原构件 的共同工作以及角钢对构件承载力及变形的影响;并通过计算结果与现有试 验结果的对比,提出外包钢混凝土构件承载力、变形的计算及加固方案选择 的合理化建议。 本文主要采取了有限元分析与理论分析相结合的研究方法,并结合现有 的试验数据进行对比研究。目前,采取有限元分析软件对外包钢加固钢筋混 凝土构件进行研究的文献并不多,其中对外包钢梁的研究分析几乎没有。而 本文采用有限元分析软件进行非线性分析,该软件已被广泛地应用 于各种类型的结构及构件分析,具有数据可靠,使用方便,数据结果显示直 观等优点。尤其对非线性分析问题,具有很强的解决能力。 .本文研究的主要内容 针对上述问题,本文研究的主要内容包括: .讨论了外包钢加固混凝土梁、柱正截面承载力的理论计算方法,结 合与现有的试验数据的对比,论述该方法的可行性。 .通过分析给出了外包钢加固混凝土梁挠度计算的简化方法,结合与 现有的试验数据的对比,论述该方法的可行性。 .在确定了有限元模型的基础上,较详细介绍中专门用于 模拟混凝土或钢筋混凝土结构的单元以及钢筋单元和 。 .采用对外包钢加固梁、未包钢柱和包钢柱进行有限元非线性 分析,对加固构件从加载到破坏整个过程进行有效模拟,得出构件裂缝随荷 载的开展情况,初步探讨构件在荷载作用下的正截面强度和变形特征。 .比较灌浆与否对外包钢加固混凝土构件受力性能的影响,论证灌浆 的必要性,为加固方法的选用提出合理化建议。 .比较普通混凝土柱和外包钢混凝土柱的正截面承载力和变形的差别, 对外包角铜发挥的作用进行分析。 .结合有限元计算结果,初步分析外包钢加固混凝土构件的受力机理。西南交 通大学硕士研究生学位论文 第页 第二章外包钢加固钢筋混凝土构件的承载力计算 . 混凝土加固结构的受力特点 ..混凝土加固结构的受力特征 加固结构受力性能与一般未经加固的普通结构有较大差异,首先加固结 构属二次受力结构,加固前原结构已经载荷受力即第一次受力,截面应力 应变水平一般都很高,尤其是当结构因承载能力不足而进行加固时。然而, 新加部分在加固后并不立即分摊荷载,而是在新增荷载下,即第二次加载情 况下,才开始受力。这样,新加部分的应力应变始终滞后于原结构的累计应 力应变,原结构达极限状态时,新加部分的应力应变可能还很低,破坏时, 新加部分可能达不到自身的极限状态。其次,加固结构属二次组合结构,新 旧两部分存在整体工作共同受力问题。整体工作的关键,主要取决于结合面 的构造处理及施工作法。由于结合面混凝土的粘结强度一般总是远远低于混 凝土本身强度,因此,二次组合结构的总体承载力与一次整浇结构相比,一 般要略低一些。。 .新旧部分的共同工作问题 加固结构受力时,尤其是当结构临近破坏时,结合面会出现拉、压、弯、 剪等复杂应力,特别是受弯或偏压构件的剪应力,有时可能是相当大的。加 固结构新旧两部分整体工作的关键,主要在于结合面能否有效地传递和承担 这些应力,主要是剪力和拉力。而结合面混凝士所具有的粘结抗剪和抗拉能 力,有时远不能满足受剪和受拉承载力要求,尚需配置一定数量的贯通结合 面的剪切一摩擦筋。。混凝土加固结构结合面受剪承载力,根据中国建筑科 学研究院结构所的试验研究,可按下式计算: ? ?工.风? 式中??结合面剪应力设计值; 一结合面混凝土抗剪强度设计值,按表?采用 工??结合面混凝土抗剪强度设计值,按表?采用西南交通大学硕士研究生学 位论文 第页 。广横贯结合面的剪切一摩擦筋配筋率。;/船; ‘??剪切一摩擦筋抗拉强度设计值。 式?是保证混凝土加固结构新旧两部分按整体截面共同工作的必 要条件,但并非充分条件。因为,结合面混凝土的受力性能,与整体一次浇 筑结构相比,总是受力上的一个薄弱环节。四川省建科院的试验表明,即或 是轴心受压,加固柱的初始纵向裂缝,也总是最先出现在结合面,致使新旧 两部分过早分离而单独受力,或产生过大变形降低了结构整体刚度。因此, 加固柱试验破坏荷载比整浇柱要低。 / 表一结合面混凝土抗剪强度 混凝土强度等级 . . . . . . . . , . 标准值 粘结抗剪 . , . . . . . . . . 设计值 . . . . . . . . . . 混凝土 标准值 . . . . . . . . . 本身抗剪 设计值 . 实用设计中,加固结构承载力的这一降低因素,可采用截面组合系数或 称共同工作系数‖来予以考虑。当结合面经凿毛清洁处理,或涂刷胶质界 面剂处理,且贯穿结合面配有定量剪切~摩擦筋板无此要求时,或构件四 面采用封闭式钢筋混凝土围套加固时,在满足式.要求前提下,可取 ‖.:当结合面为非封闭式光滑表面或油污浸渍表面时,取矿.~ .‘引。 ..卸荷对加固结构承载力的影响 如前所述,加固结构的新加部分,因应力应变滞后而不能充分发挥其效 能,尤其是当原结构工作应力应变值较高时,对于以混凝土承载力为主的受 压构件和受剪构件,往往会出现原结构与后加部分先后破坏的各个击破现 象,致使加固效果很不理想或根本不起作用。 加固时若进行卸荷,情况则完全不同。由于应力应变滞后现象得以降低, 乃至消失,破坏时,新旧两部分就可同时进入各自的极限状态,结构总体承 载力可显著提高”。 卸荷可以是直接卸荷,也可以是间接卸荷。直接卸荷,是全部或部分地 直接搬走作用于原结构上的可卸荷载。间接卸荷,是用反向力施加于原结构, 第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 以抵消或降低原有作用效应。直接卸荷直观、准确,但可卸荷载量有限,一 般只限于部分活荷载。间接卸荷量值无限,甚至可使作用效应出现负值。预 应力加固法是加固与卸荷合而为一,是将原结构所受荷载,通过预应力手段 部分地转移到新加结构上面的一种方法。 为保证和提高结构加固的实际效果,加固时原结构的应力水平指标 卢/凤,不得超过表?限值民,否则必须卸荷后方可进行加固施工。 表?必须卸荷加固的原结构应力水平指标限值口。 结构破损情况 受力特征 裂缝及变形在规 裂缝及变形超出 范允许范围之内 规范规定 轴心受压、偏心受压、斜截 . . 面受剪、受扭、局部受压 . . 受弯、轴心受拉、偏心受拉 本章参照《加固技术规范》中建议的实用计算方法对外包钢加固钢筋混 凝土梁、柱的承载力进行计算。该计算方法主要是根据中国建筑科学研究院、 天津大学建筑设计研究院、北京市房屋修建技术研究所及北京工业大学土建 系等单位的试验研究成果制定的。试验结果表明,只要施工质量合格,外包 型钢与原构件能完全共同工作,可按整体结构计算”;但应考虑外包钢应力 滞后现象,对截面承载力予以适当折减。 .承载力计算基本假定 如前所述,加固结构属二次受力结构,其承载力与新旧梁部分的应力差 值或应变差值直接相关,与原结构的极限变形值有关,与两部分材料的应力 应变关系有关。理论上,只要这些关系确定,加固结构的承载力就可采用分 析的方法求解。 按照《混凝土结构设计规范》?,以下简称《规范》,外 包钢构件正截面承载力计算采用如下基本假定: 平截面假定,即构件正截面弯畸变形以后仍保持平面; 不考虑混凝土的抗拉强度,即受拉区混凝土不参加工作; 混凝土轴心受压的应力。与应变。关系为抛物线,如图?, 曲线的数学表达式可写为:第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ? 以一毛/岛”五 ? ?/厶,女一 ? 岛.。厶,。一一 式中。??对应于混凝土压应变为。时的混凝土压应力: ??对应与混凝土压应力刚达到五时的混凝土压应变,当按公式 ?计算的 值小于.时,应取.; 五。.??混凝土立方体抗压强度标准值; 栉一系数,当计算的值大于.时,应取为.。 图?混凝土轴心受压。一关系 图?混凝土非均匀受压。一关系 混凝土非均匀受压的应力。与应变。关系为抛物线和水平线 之组合曲线,如图.,曲线的数学表达式可写为: ? 当?。?。时,吒一一/氏”五 ? 当 ?。? 。。时,呸《 ? .一厶.女一。 式中 。一一正截面处于非均匀受压的混凝土极限压应变,当按公式 ?计算的。。值大于.时,应取.; 钢筋及外包型钢应力。与应变。关系直线和水平线之组合,如 图.,曲线的数学表达式可写为: ? 当岛时,吒‘西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ? 当 。最猫时,工 式中玩??钢筋或型钢的弹性模量; 石??钢筋或型钢的抗拉强度设计值。 受拉钢筋的极限变形值取:。.。 .外包钢加固的构造规定 外包钢加固结构,尤其是框架结 构,节点区受力最为复杂,构造处理也 自 叫较麻烦。钢筋混凝土梁、柱构件采用外 图?钢材应力应变一关系 包钢加固时的有关构造规定如下“: .角钢厚度不应小于,也不 宜大于;角钢边长,对于梁,不宜小于,柱不宜小于,对 于桁架,不宜小于衄。 .沿梁、柱轴线应用封闭式扁钢箍或钢筋箍与角钢焊接。扁钢箍 截面不应小于×,其间距不宜大于为单根角钢截面的最小 回转半径,也不宜大于。在节点区,其间距应适当减小。 .外包钢两端应有可靠的连接和锚固,对于外包钢柱,角钢应通长设 置,中间不得断开。下端应视柱端弯矩大小伸到基础顶面或锚固于基础;中 间应穿过各层楼板;上端应伸至加固层的上层楼板底面或屋顶板底面。对于 外包框架梁或连系梁,梁角钢应与柱角钢相互焊接,或用扁钢带绕柱外包焊 接。 .当采用环氧树脂化学灌浆外包钢加固视,扁钢箍应紧贴混凝土表面, 并与角钢平焊连接。当采用乳胶水泥浆粘贴外包钢加固时,扁钢箍可焊于角 钢外面。乳胶的含量不应少于%,水泥一般采用号硅酸盐水泥。 .当采用型钢干式外包钢加固排架柱时,应将加固型钢与原柱头顶部 埋设件承压钢板相互焊接。对于二阶柱,上下柱交接节点或牛腿节点处, 应用斜杆特别加强,加强范围,从牛腿上下算起,各取梁高,且?。西南交通大 学硕士研究生学位论文 第页 .湿式外包钢加固梁的承载力计算 ..荷载和内力的计算 加固设计的荷载应为原设计荷载加上加固所用角钢和扁钢箍的自重设 计值和型钢表面水泥砂浆保护层的自重设计值。内力设计值应采用加固设计 的荷载并按原结构计算简图进行计算。 ..正截面受弯承载力计算 《加固技术规范》第..条规定,钢筋混凝土梁、柱采用湿式外包钢 加固时,其正截面受压、受弯承载力可按照现行国家标准《混凝土结构设计 规范》的规定进行计算,除抗震设计外,其外包角钢应乘以强度降低系数 .。 计算简图如图.所示。 当梁的受压、受拉两侧都采用了外包角钢加固,其正截面计算方法同双 筋梁。正截面承载力计算公式如下: 一 缸‖屹以工口。五幺 ? 坂口。工魄,一影删%,一《%魄。一 式中彳。、厶??加固梁受拉一侧的型钢截面面积和抗压强度设计值; ’。、,’。??加固梁受压一侧的型钢截面面积和抗拉强度设计值: 。一一加固梁受拉一侧的型钢截面形心到受压混凝土边缘的距 离,。村一,为原梁的截面高度,,为角钢厚度。 而一一加屡梁受拉型钢及受拉钢筋合力点至原梁受压边缘的距 离;计算中可近似取五一风,吼为受拉钢筋合力点 至原梁受拉边缘的距离;或取向。/。 ??加固型钢的截面形心距; 外包型钢强度降低系数;一般取.。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 其他符号意义详见《混凝土结构设计规范》。 广待 不 上 上 十哇一 ? 乳 一生 匿 图?矩形截面外包钢加固梁计算简图 如果计算中,?’。,则取’。,眠改由下式计算: 一 帆工%。一《口。‖群%。一 当梁仅受拉一侧都采用了外包角钢加固时,其正截面计算公式为: ? 口 ‘口。‘ 一 帆嘶五缸%。一叫删%。一《%%。一 式中符号意义与公式.、.同。 ..斜截面受剪承载力计算 《加固技术规范》第..条规定,钢筋混凝土梁、柱采用湿式外包钢 加固时,其斜截面受剪承载力可按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》 的规定进行计算,其外包扁钢箍应乘以强度降低系数.。 对矩形,形和工字形截面的一般受弯构件,加固后的斜截面承载力计 算公式为: ? 圪:匕.%.厶兰鍪%.×.五号兰% ” 式中.五??扁钢箍抗拉强度设计值: ??扁钢箍单肢截面面积;西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 鼠一扁钢箍间距。 广原梁的截面有效高度,也可用厅代替矗。带入公式?中计算。 其他符号意义详见《混凝土结构设计规范》。 ..加固工程实例 重庆永川市某小学综合楼为三层砖混结构,纵横向承重墙体系。该工程 于年月目竣工验收并投入使用。年月,该工程部分楼面梁 陆续出现多条.~.左右的纵向裂缝,经鉴定,该楼面梁产生裂缝的 原因是梁跨中配筋量受拉钢筋为巾,级钢筋太低造成的: 经验算,该梁的正截面受弯承载力与弯矩效应的比值?仅为.。 结合该工程的使用性质及该地区施工技术条件,同时考虑到室内使用空间的 要求,笔者建议对该楼面梁采用湿式外包钢进行加固,并完成了加固设计。 依据加固技术规范》规定,该楼面梁受拉、受压两侧均采用× 角钢加固×热轧等边角钢的最小回转半径为.?:沿梁轴线采 用扁钢箍与角钢焊接,扁钢箍截面为×,其间距为,在 距梁端部范围内加密为。为保证角钢两端有可靠的连接和 锚固,在加固楼面梁两端的支承砖柱内设置××的钢板, 并将角钢焊接在钢板上。加固梁示意图见图?。 角铜 扁钢枉 图?加固梁立面图 经计算,加固后该楼面梁的内力设计值为:.?,胆.。 该楼砸梁的混凝土经抽心试压确定为工./砌,五 ./,并依据原构件施工隐蔽工程资料,受拉钢筋为巾 级钢筋,矗/,箍筋为由双肢箍级 钢筋,南,,。,.,梁截面尺寸为×。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 加固用角钢、扁钢均为号钢,其抗拉、抗压强度设计值五广。/。 ×角钢的截面面积为.×,即。’。×.× 。×角钢的形心距.。扁钢箍单肢截面面积为彳 ×。 将上述有关数据代入公式?、?、?,计算结果如下: 加固后其正截面承载力为:%.?.?满足要 求;其斜截面承载力为:.矿.满足要求。 由计算结果分析可知,该梁加固后的承载力远远大于内力设计值,可以 考虑仅在受拉一侧采用外包角钢加固;但该加固工程从安全角度考虑,仍采 用了受拉、受压两侧对称外包角钢的方案,如图.。 . 湿式外包钢加固柱的承载力计算 ..截面刚度 湿式外包钢柱,其截面抗弯刚度可按整体截面计算。,计算公式为: 一 ,巨/一。 式中、厶??分别为原有构件混凝土弹性模量及截面惯性矩 。??加固型钢弹性模量; 』。??加固构件一侧外包型钢截面面积; 疗一受拉与受压侧型钢截面形心间的距离。 ..轴心受压柱承载力计算 参照文献,湿式外包钢轴心受压柱承载力可按下式计算: ? ??伊叱工厂’,:%,’。一’。 式中妒??纵向弯矩系数; 。一一角铜轴压承载力降低系数,当缀板间距?时,取 .~.。 爿名一外包钢的总截面面积;西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 厂’。一外包钢的抗压强度设计值: 。??混凝土轴压强度提高系数,建议按下式计算: ? %.? 而 。:五至:垒生 ? 曲 其中、分别为柱截面的长短边长,为钢箍间距,,为钢箍缀板 截面面积。当计算结果。?.是,取。.。 ..大偏心受压柱承载力计算 外包钢加固柱一般采用对称式布置,如图.和?。其正截面承载力可 按下式计算: 蹦商。。 图?外包钢大偏心受压柱 图?外包钢小偏心受压柱 ? 努七 广, ? ???吼缸%。一‖,’,爿’,%。一口:%,’。爿’。%。一磊西南交通大学硕士 研究生学位论文 第页 式中 卜原柱的截面宽度; ~原柱混凝土截面的受压高度; 一’。、厂卜加固柱受压一侧的型钢截面面积和抗压强度设计值; 厂一加固柱受拉一侧的型钢截面形心到受压混凝土边缘的距离, 。一,为原梁的截面高度; 一一加固柱受拉肢型钢及受拉钢筋合力点至原柱受压边缘的距 离;计算中可近似取一口。,。为受拉钢筋合力点至 原梁受拉边缘的距离;或取矗女‰。/。 .~加固型钢的截面形心距: 厂一型钢强度降低系数,一般取.。 ..小偏心受压柱承载力计算 计算简图如图?所示,正截面计算公式如下: ? ??五,’。’,一盯,%厂’。’。~仃。。 ? ??蔓。‰.一叫,’,。,%。一日’;。,’。’。%。一 式中一。、口。??分别为受拉钢筋或受压较小边的钢筋和外包型钢的应力。 可以近似取相同值,并按下式计算: , ?’ 巳吒话岩南一届 ??相对受压区高度系数。“; ~相对界限受压区高度系数。 。广一型钢强度降低系数,一般取.。 . 干式外包钢加固柱的承载力计算 .,设计原则 干式夕卜包钢构架的变形与原柱的变形并不协调,因此在设计加固柱时, 宜采用如下设计原则:首先,按外包钢构架和原柱的刚度分配各自应承担的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 外力;然后按混凝土规范验算原柱的承载力;最后设计钢构架。钢构架的刚 度可近似取.一胡。口为受拉或受压较小的与受压侧型钢截面形心 的距离。 ..外力分配 设柱子所受轴向力为?,弯矩为,则原柱与外包钢构架各自承担的内 力按刚度进行分配。 原柱所承受的轴向力?和弯矩为: 丝垦生 : .? ? ‘ , :一丝:止. ? ‘? ,, . ? 去。? 二 外包镭构架所承受的轴向力?和弯矩以为: ? ? ? ,~: 式中 鼠一原柱混凝土弹性模量; 厶一原柱截面惯性矩; 邑??加固型钢弹性模量; 。一加固柱一侧外包型钢截面面积; 口一受拉与受压侧型钢截面形心间的距离; 口。??原混凝土刚度降低系数,.~.。 ..轴心受压钢构架计算 .外包角钢计算。” ? 丝?厂 。 ?一‘ 式中???轴心压力设计值; ’??加固型钢弹性模量; ,??钢材的强度设计值堕壹至塑奎兰堡主塑窒竺兰垡笙塞 篁丝蔓 ??轴心受压构件的稳定系数,根据最大的换算长细比查用。 角钢套箍对虚轴的长细比应采用换算长细比,按下式计算: ~ 么?鬈并 ~ %?巧砰 式中??一个角钢对最小刚度轴. 图的长细比,其计算长度 取为相邻两缀板间的净距离 、??角钢套箍对虚轴工、‖图 ?的长细比。 .缀板计算 薜蹲 剪力图?干式外包钢计算 / ?门并 巧鲁?口划 弯矩与角钢连接处:皇 一 式中上广一缀板中心问的距离; 口??角钢轴线间的距离: 。 ,、亏一钢材抗压强度设计值和钢材的屈服强度或屈服点: 一,, 矿??计算剪力,矿等?篆; 巧??分配到一个缀板面的剪力所矿/。 ..偏心受压钢构架计算 .肢杆承载力验算”” ?~ 华?警?, 彤。 式中?,毛??外包钢构架应承担的内力; 彳。,%??外包钢截面的总面积及惯性矩: ??塑性系数,当肢杆用角钢时,取.。 .单肢杆稳定验算第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 外包钢柱一般不会发生整体失稳现象,通长只需验算单角肢的稳定 性。单肢杆所受的内力为: ? 轴力 ?:互?鱼.虬 删, 剪力 :争等愿 ? :矿量 弯矩 式中??与偏心方向相反的肢杆轴线到外包钢构架形心轴之间的距离; 在弯矩作用平面内柱两边肢角轴线间的距离; 三??缀板中心线间的距离; 厂、.卜肢杆的抗压强度设计值和钢材的屈服强度。 受压肢杆的稳定性可按下式进行 ? 且::丝 :?厂 妒,%一.?/虬。 式中??在弯矩作用平面内的稳定系数; 】,矾??单肢杆的截面面积及及截面抵抗矩; 一 ? ?产欧拉临界力,可按下式计算:%兰睾盥 .试验数据与理论计算值的比较分析 ..外包钢加固梁试验结果与计算结果的比较 本文根据文献、的试验介绍,将其中个梁试件的试验结果, 对比按公式一~?的计算结果进行分析。 文献中的梁试件设计有两类:短梁长 ,剪跨比为,长梁长., 剪跨比为。梁截面尺寸均为××,梁几何尺寸及配筋 情况见图?。短梁试件分组:一一未加固混凝土个;??外包 钢加固但不灌浆个;和??外包钢加固用复合灌浆料灌浆个; ??外包钢加固用环氧树脂浆料灌浆个。长梁试件分组:?? 未加固个;一一外包钢加固用复合灌浆料灌浆个。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 混凝土与钢材的力学性能见表?~。 按照表?,按公式计算时,取混凝土的轴心抗压强度值 工./;取型钢的抗拉、抗压强度五,。/。×× 角钢的截面面积为.×,即。’。×.×; ×角钢的形心距而.:钢箍单肢截面面积为×; 受拉钢筋为中,取疗/姗,截面面积;。 表?混凝土的力学性能 轴心抗拉强度 立方体抗压强度 轴心抗压强度 . . . 表?钢材的力学性能 ××角钢 钢板 庐光面钢筋 螺纹钢筋 屈 屈 极 屈 屈 极 极 极 服 限 延伸率 服 限 延伸率 服 限 延伸率 服 限 延伸率 % % % 强 % 强 强 强 强 强 强 强 度 度 度 度 度 度 度 度 .. . . 对灌浆构件湿式外包钢,按公式?和?计算,并取角 钢强度的降低系数。.。为简化计算,对不灌浆构件干式外包钢, 仍按取公式?和?计算,并取?。.。 粤蛆坠坠 匪匪??可虹黔 型 竺螋: 一 ; 梁配筋及模板图 梁外包钢骨架图 图?梁的构造简图西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 试验结果及计算结果汇总见表?。 表?试验结果及计算结果汇总试验值 计算 试件 极限 破坏特征 弯矩彤 加固类别 极限荷 艇或鞋/抖鼻 编号 弯矩 载 计算 ‖ 短梁 交叉斜裂缝剪坏 中箍板裂,混凝. . . 不灌浆 土碎 . .. 中箍板裂 灌复合料 . .. 灌环氧 . . . 中箍板裂 树脂 . 长梁 交叉斜裂缝剪坏. . . 裂缝均匀箍板裂 灌复合料 从上表中可以看出,理论计算值与试验值吻合较好,说明对湿式外包钢和干 式外包钢梁其角钢强度的降低系数。的取值均较合理,且计算值具有一定 的安全储备。显然,如果计算中。考虑混凝土和钢材的材料分项系数,将试 验测得的材料强度予以适当折减,所得计算结果的安全储备将更大,这正好 说明了《加固技术规范》中建议的计算方法的确留有一定的附加安全储备。 因为试验中的外包钢粱为一次加载,没有考虑外包钢应力滞后现象,而计算 中对外包钢强度的进行了折减,故试验值均高于计算值。 若按照文献】中,考虑灌浆密实,取角钢强度的降低系数。.,则 计算弯矩值为.?,与试验值更为接近。这表明,当施工可靠,灌浆 材料足够密实,外包钢完全能够充分地发挥作用,并有效地提高构件的承载 力。 ..外包钢加固柱试验结果与计算结果的比较 本文根据文献、【和文献】的试验介绍,将其中个轴心受压小 偏心柱试件的试验结果,对比按公式?的计算结果进行分析。 试件及材料基本情况如下:柱、;外包钢加固不灌浆柱干西南交通大学硕士研 究生学位论文 第页 式,、;外包钢加固灌浆柱湿式,、、、;柱长, 剪跨比为,柱截面尺寸均为×而×,柱的几何尺寸、配 筋及外包钢骨架见图?,混凝土与钢材的力学性能见表.~。 按公式计算时,取混凝土的轴心抗压强度设计值五./;取型 钢的抗拉、抗压强度厶,,。/。受压钢筋为中,取 ,,,/,截面面积一’。×一。钢箍缀板单肢截面 面积为×;外包钢总截面面积一’。×。 参照文献,对灌浆构件按公式?计算,取角钢强度的降低系 数。.;为简化计算,对不灌浆构件,仍按取公式?计算,并 取。.。 ?? 一 一 中 峒 旦 二 图?柱的构造简图 试验结果及计算结果汇总见表?。 从表.中可以看出,理论计算值与试验值吻合较好,说明对湿式外包 钢和干式外包钢柱其角钢强度的降低系数。的取值均较合理,且计算值附 加了足够的强度储备。试验值均高于理论计算值的原因,是因为试验中采用 的外包钢柱为~次施工完成,加载前没有初应力,而计算公式考虑了工程实西 南交通大学硕士研究生学位论文 第页 践中新加部分角钢存在的应力滞后现象,故计算值低于试验值,从而可 以保证外包钢构件具有足够的可靠度。 表?试验结果及计算结果汇总 试件 加固 破坏特征 ?? ? ?试验,?计算 编号 类别. . 柱 中部偏下混凝土压碎 柱 . . 中部混凝土压碎. . 干式 角钢屈曲,混凝土外胀, 箍板与角钢保持连接 . . 干式. . 湿式 箍板于焊缝处拉裂,混凝 . . 湿式 土压碎,角钢屈曲 湿式 . . 箍板于焊缝处拉裂,混凝 土压碎,角钢屈曲 . . 湿式 按公式?计算时,规定混凝土轴压强度提高系数。?.,实际 上就是为了保证该计算方法具有一定的附加安全储备,由上表的比较结果可 以看出,如果角钢及钢箍施工质量可靠,且灌浆密实,外包钢架能够有效地 约束混凝土,从而大大地提高混凝土地轴压强度;同时,工程实践中如果能 在加载前进行有效的卸荷,则可以在计算中将提高京数。适当增大到 .~..西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第三章外包钢加固梁的挠度计算 。 引言 外包锈加固梁除要进行正截面和斜截面承载力计算外,还需要进行正常 使用条件下的变形验算。而构件的变形性能与其刚度有着直接的联系。 对于漫式外包钢粱柱的截面刚度,《加固技术规范》中建议采用下式计 算?: ? 彤/疋。口 式中。、厶??分别为原有构件混凝土弹性模量及截面惯性矩; ,一加固型钢弹性模量; ,一加固构件一侧外包型钢截面面积; 口一受拉与受压侧型钢截面形心间的距离。 考虑甄外包钢加固通常是在原结构产生了裂缝、变形过大或承载力不足 的情况下采取的补救措施,如果按公式计算截面刚度,其中反正。代表原构 件的截面雕废,/“。矿代表外包型钢的截面刚度,其截面刚度计算值偏 大。这样,按相应的截面刚度计算出的变形值偏小,从而造成不安全隐患。 显然,原构件一旦产生裂缝,其截面刚度将大大减小,所以,有必要重新考 虑加固构件截面刚度的计算。 .外包钢加固梁的荷载一位移曲线 根据文献的试验结果,外包钢加固梁的荷载一位移曲线见图.。 从图中可以看出,与一般钢筋混凝土短梁相比,加固后短梁~ 从开裂到屈服,开裂荷载提高了%~%,其对应的承载力增加到倍~ .倍;从屈服到达到承载力极限,屈服荷载提高了%~%,屈服时梁 的承载力增加到倍~倍。加固后灌浆梁的承载力提高较多,提高约 %~%,灌浆不密实的情况下也提高%左右,极限位移提高%~ %,屈服位移提高%~%。加固长梁第一条裂缝出现时的挠度一 般在.以内,设此时的挠度为?,则经历.?达到屈服,开裂荷载比西南交通大 学硕士研究生学位论文 第页 末加固梁的有所提高。加固后梁的极限荷载比未加固梁提高%。 由图.可知,外包钢加固梁的荷载一位移曲线与普通钢筋混凝土梁的 荷载一位移曲线相似;因此,下一小结中,本文将参照钢筋混凝土梁短期刚 度的计算方法来分析外包钢加固梁短期刚度的计算。 箱 器 , 。 靳 图一短梁荷载~位移对比图。 .外包钢加固钢筋