CN108824226B - 一种钢筋混凝土柱的加固结构及加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土柱的加固结构及加固方法，在需要加强的钢筋混凝土柱上进行竖向加开加固开槽，并且在加固开槽内涂抹填充材料；先用填充材料将清理干净的加固开槽填充至一半，放入记忆合金棒，将加固开槽压入填充材料内，再通过填充材料填满加固开槽，进行压实并抹平，使钢筋混凝土柱与记忆合金棒形成一体，采用近表面加固的方法，使得加固筋与混凝土粘结面积增大，减小了粘结剥离破坏的可能性，改善了加固筋和混凝土的粘结性能，利用记忆合金棒自身的特性，能够显著提高加固柱的耗能能力，减小混凝土柱受力后的残余变形，提高构件的损伤自修复能力，做到了地震后结构功能的快速恢复，实现了钢筋混凝土柱的半主动控制。

Description

一种钢筋混凝土柱的加固结构及加固方法

技术领域

本发明涉及建筑结构和桥梁结构领域，尤其涉及的是一种钢筋混凝土柱的加固结构及加固方法。

背景技术

在钢筋混凝土结构中，混凝土柱作为主要的受力构件，起着承受荷载和传递荷载的重要作用，是影响建筑结构倒塌破坏的重要构件，其安全性直接决定了整个混凝土结构的安全性能。第一方面，由于设计规范等级提高、施工质量差、服役时间增长、结构超载、疲劳荷载作用下、侵蚀环境下钢筋锈蚀引起结构性能退化等人为或自然灾害因素的影响，导致建筑结构在中震和大震中极易发生倒塌破坏造成人民财产安全损失。因此，出于安全考虑，延长钢筋混凝土结构的使用寿命，对有诸多钢筋混凝土柱进行修复加固成为亟待解决的关键问题。

第二方面，地震作为人类长期以来面临的一种危害性极强的自然灾害，具有特发性和不可预测性，地震所造成的大量人员伤亡以及建筑物的破坏，会对社会和经济造成极大的冲击。震后需对桥梁、重要建筑(如医院、政府、学校等)等生命线工程立即修复使用，为人民群众提供抗震救灾平台。对于某些地震中未发生倒塌的建筑结构和桥梁结构，推倒重建严重浪费资源，可对其进行性能评估后实施修复加固，继续投入使用。

钢筋混凝土柱的常见修复加固方法有增大截面面积法、粘贴钢板法、粘贴纤维复合材料法和近表面加固法。其中增大截面法不仅新旧混凝土之间的粘结性能不好，占用建筑空间较多，而且还改变了柱的整体外形，影响美观。粘贴钢板法存在防火性差，钢板裸露在外已锈蚀锈蚀，从而削弱加固效果，引起耐久性差等问题。粘贴纤维复合材料法包括粘贴纤维复合材料(Fibre reinforced polymers，简称FRP)条带和粘贴FRP板。采用FRP条带对钢筋混凝土柱进行环保加固，此方法仅仅是通过约束提高混凝土强度以达到加固效果，强度提高有限，且FRP材料暴露在外部容易遭受磨损、撞击、火灾、高温、高湿、风华、冻融等外部的不利影响，而出现断裂失去加固效果，进而出现突然卸载的情况，造成钢筋混凝土突然破坏，威胁人民的生命财产安全。采用FRP板粘贴加固混凝土柱，此方法中加固材料与混凝土柱之间的粘结界面容易出现破坏而造成加固材料不能充分利用，且存在严重的应变滞后效应，浪费材料，影响加固效果。

近表面加固法，是指在待加固柱受力层保护层内开槽，把结构胶或者砂浆等填充材料注入槽内，然后放入加固筋，最后用填充材料将槽洞填满，压实并抹平，此方法能较好的提高混凝土柱的承载力，对加固材料有很好的保护作用。但是该加固方法为了实现耐腐蚀性一般采用FRP筋，但是FRP筋为脆性材料，会使加固柱最终会发生脆性破坏，形成安全隐患。

上述加固结构和加固系统在受荷(疲劳荷载、地震等)后，钢筋混凝土柱的残余变形大，严重影响建筑结构或桥梁结构的继续使用。

找到一种施工简单方便，耐久性好，且能实现钢筋混凝土柱的半主动控制，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢筋混凝土柱的加固结构及加固方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钢筋混凝土柱的加固结构，钢筋混凝土柱下端设置有地基基础，包括记忆合金棒和填充材料，钢筋混凝土柱侧壁开设有竖向的加固开槽，加固开槽延伸至地基基础内，记忆合金棒置于加固开槽内两端分别位于地基基础内和地基基础上端，记忆合金棒与加固开槽之间通过填充材料填充。

进一步的，填充材料为加固用结构胶。

进一步的，钢筋混凝土柱的外侧包裹有FRP布。

进一步的，加固开槽内的记忆合金棒位于地基基础内部分长度为l₁，加固开槽位于地基基础上端部分长度为l₂，l₁长度为15～20d，d为记忆合金棒直径，l₂长度为：

f_s为记忆合金棒的抗拉强度，A_s为所有记忆合金棒的截面面积，τ_av为记忆合金棒的平均粘结强度；

加固开槽的槽洞之间的净距大于等于4d，槽洞边缘距钢筋混凝土柱边缘大于等于30mm。

一种钢筋混凝土柱的加固方法，包括以下步骤：

步骤1)、在需要加强的钢筋混凝土柱上进行竖向加开加固开槽；

步骤2)、在加固开槽内涂抹填充材料；

步骤3)、在涂抹填充材料后的加固开槽内放入记忆合金棒，再通过填充材料进行填平压实，即可完成钢筋混凝土柱的加固。

进一步的，将钢筋混凝土柱表面进行打磨，将打磨过的钢筋混凝土柱表面凹凸不平处填补平整，在钢筋混凝土柱表面涂抹结构胶，然后放置FRP布，用滚筒沿纤维方向多次滚压，挤出气泡，使结构胶充分浸透FRP布，在环包过程中搭接长度至少为200mm；或者将钢筋混凝土柱表面进行打磨，将打磨过的钢筋混凝土柱表面凹凸不平处填补平整，在钢筋混凝土柱表面涂抹结构胶，将FRP布围绕钢筋混凝土柱表面旋转缠绕，缠绕方式成螺旋式上升，各圈之间紧密相连，一直缠绕至柱顶为一层结束，再刷上树脂，使用罗拉均匀滚动挤压，一层完成以后再进行下一层的循环。

进一步的，步骤2)中涂抹填充材料前对加固开槽内壁进行凿毛处理。

进一步的，将记忆合金棒放入300-500℃的高温炉中保温至少30分钟，然后取出水冷，然后将经过热处理的记忆合金棒在沸水和冰水中各放置至少1分钟，进行10次冷热循环。

进一步的，将记忆合金棒表面进行粗糙处理，将磨料高速喷射到记忆合金棒表面，使其表面粗糙度达到25～420μm，或者将记忆合金棒表面进行刻痕处理，或者将记忆合金棒加工制作成带螺纹筋或用套丝机将成型将记忆合金棒进行套丝处理。

进一步的，填充材料填充过程中，先用填充材料将清理干净的加固开槽填充至一半，放入记忆合金棒，将加固开槽压入填充材料内，再通过填充材料填满加固开槽，进行压实并抹平。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种钢筋混凝土柱的加固结构，通过在钢筋混凝土柱的侧壁开设加固开槽，然后利用填充材料将记忆合金棒固定在加固开槽内，使钢筋混凝土柱与记忆合金棒形成一体，利用记忆合金棒自身的超弹性、形状记忆效应、高阻尼、大应变、抗疲劳性能好和抗腐蚀的能力，能够显著提高加固柱的耗能能力，减小混凝土柱受力后的残余变形，提高构件的损伤自修复能力，做到了地震后结构功能的快速恢复，实现了钢筋混凝土柱的半主动控制。

一种钢筋混凝土柱的加固方法，在需要加强的钢筋混凝土柱上进行竖向加开加固开槽，并且在加固开槽内涂抹填充材料；先用填充材料将清理干净的加固开槽填充至一半，放入记忆合金棒，将加固开槽压入填充材料内，再通过填充材料填满加固开槽，进行压实并抹平，使钢筋混凝土柱与记忆合金棒形成一体，利用记忆合金棒自身的超弹性、形状记忆效应、高阻尼、大应变、抗疲劳性能好和抗腐蚀的能力，能够显著提高加固柱的耗能能力，减小混凝土柱受力后的残余变形，提高构件的损伤自修复能力，做到了地震后结构功能的快速恢复，实现了钢筋混凝土柱的半主动控制。

进一步的，对记忆合金棒进行热处理，处理后得到的材料力学性能更加优异，超弹性性能得到加强，在大变形下，残余变形极小，且阻尼特性良好。

进一步的，填充材料填充过程中，先用填充材料将清理干净的加固开槽填充至一半，放入记忆合金棒，将加固开槽压入填充材料内，再通过填充材料填满加固开槽，进行压实并抹平，采用近表面加固的方法，使得加固筋与混凝土粘结面积增大，减小了粘结剥离破坏的可能性，改善了加固筋和混凝土的粘结性能，充分发挥SMA棒的材料性能，达到良好的加固效果。

进一步的，采用FRP布环包近表面加固后的混凝土柱，彻底解决加固柱中加固筋发生剥离破坏的可能性，使得加固材料得以充分发挥，同时提高对混凝土的约束能力，提高混凝土柱的承载力。

进一步的，加固开槽的槽洞之间的净距大于等于4d，槽洞边缘距钢筋混凝土柱边缘大于等于30mm，减小钢筋混凝土柱的应力剪切。

附图说明

图1是未经热处理的记忆合金棒应力应变曲线；

图2是热处理后的记忆合金棒应力应变曲线；

图3是未环包碳布加固结构示意图；

图4是环包碳布加固结构示意图；

图5是未环包碳布加固结构断面图；

图6是环包碳布加固结构断面图。

图中，1、钢筋混凝土柱；2、记忆合金棒；3、填充材料；4、加固开槽；5、FRP布；6、地基基础。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图6所示，一种钢筋混凝土柱的加固结构，钢筋混凝土柱1下端设置有地基基础6，包括记忆合金棒2和填充材料3，钢筋混凝土柱1侧壁的保护层上开设有竖向的加固开槽4，加固开槽4不伤及钢筋混凝土柱1的钢筋，记忆合金棒2置于加固开槽4内，记忆合金棒2与加固开槽4之间通过填充材料3填充，加固开槽4延伸至地基基础6内，加固开槽4内的记忆合金棒2位于地基基础6内部分长度为l₁，加固开槽4位于地基基础6上端部分长度为l₂，l₁长度为15～20d，d为记忆合金棒直径，l₂长度为：

f_s为SMA棒的抗拉强度，A_s为所有SMA棒2的截面面积，τ_av为SMA棒的平均粘结强度。

记忆合金棒2(SMA棒)表面处理，记忆合金棒2采用TiNi形状记忆合金，但由于市场上所售记忆合金棒均为光圆筋，与建筑材料粘结性能很差，且受力后残余变形较大，无法直接用于建筑结构中；

首先，为了得到记忆合金最好的材料性能，需对购得的记忆合金棒2进行温度处理，具体处理方式如下所示：将加工好的记忆合金棒2放入300-500℃的高温炉中保温15-30分钟，然后取出水冷，为了稳定SMA棒的力学性能，试验前将经过热处理的试件在沸水和冰水中各放置1分钟，进行10次冷热循环，未经过热处理的记忆合金棒应力应变曲线如图1所示，热处理后的SMA棒材的应力应变曲线如图2所示，可以看出经过热处理后的SMA棒材受力后残余变形小，阻尼性能好，力学性能远远好于经过热处理的记忆合金棒。第二，为了增大SMA棒2与填充材料3二者之间的粘结力，提高SMA棒2表面粗糙度，增大截面粘结力中的机械咬合力。推荐使用以下三种处理方式，第一种选用喷砂处理，将磨料(金刚砂等)高速喷射到SMA棒2表面，使其表面粗糙度达到25～420μm，以增大SMA棒2与填充材料3之间的摩擦力，同时不影响铝合金筋的材料性能。第二种为刻痕处理，即将SMA棒2表面用机器进行刻痕处理，使其表面变的凹凸不平，以此来增大机械咬合力。第三种为套丝处理，将SMA棒2加工制作成带螺纹筋或用套丝机将成型SMA棒2进行套丝处理。

加固开槽4位置及尺寸确定：加固开槽为方形槽，在钢筋混凝土柱侧壁均匀开设多个加固开槽4，边长为1.5d(加固筋为光圆筋)或2.0d(加固筋为变形筋)，其中d为记忆合金棒的直径，如图5、图6所示，在加固开槽4对称的两侧均匀开设共四个加固开槽4；加固开槽4的槽洞之间的净距大于等于4d，槽洞边缘距梁体边缘大于等于30mm；确定开槽长度，开槽长度即记忆合金棒的加固长度分两部分，一部分为位于地基基础中记忆合金棒埋置深度l₁，l₁为15～20d；另一部分为柱中加固长度(位于地基基础上端部分长度)l₂：

f_s为SMA棒的抗拉强度，A_s为所有SMA棒2的截面面积，τ_av为SMA棒的平均粘结强度。

对于一端固结一段自由的悬臂柱，如桥梁柱墩，加固长度l₂需大于1/2柱高；对于两段固结的钢筋混凝土柱，如框架结构柱，加固长度l₂需大于反弯点高度。

钢筋混凝土柱表面处理。如图3和图5所示，根据加固设计图纸相关尺寸，在柱上进行位置标定，然后用混凝土切割机进行切槽，边切边往槽内洒水降低温度。需注意的是在切割过程中一定要缓缓进行，防止切到待加固柱内的原始配筋。按照设计要求开槽后，需要对加固开槽做如下处理：①利用榔头和凿子将加固开槽4内壁凿毛，以增加混凝土与结构胶的粘结性能；②将槽内的混凝土碎块儿用毛刷等工具清除，然后用高压喷气设备吹出加固开槽4内的混凝土残渣等细小颗粒，必要时用清水冲洗，尽可能地把槽内的灰尘除去；③用烘干机等设备吹干加固开槽4，确保加固开槽4干燥、干净，等待下一步使用。需注意，基础中较难实现开加固开槽，可考虑用电镐钻取圆槽，圆槽直径为1.5～2.0d。

对于某些保护层混凝土因锈蚀而导致性能劣化严重或地震后裂缝较多损害严重的钢筋混凝土柱，应选择在近表面加固后，用FRP布对其进行缠绕环包。选用FRP布环包的钢筋混凝土柱还需做如下表面处理：①钢筋混凝土柱表面处理；将待加固柱表面疏松的混凝土铲除，然后使用角磨机对FRP布环包粘贴部位进行打磨平整，直至完全露出结构新面。②钢筋混凝土柱角部处理，为了防止FRP布在受荷过程中被割断，造成端部FRP布提前失效，需将混凝土柱角部打磨加工，由直角变成圆角，使角部光滑过渡，圆弧半径大于等于30mm。打磨完成后，清除浮渣、灰尘，使用钢丝刷将混凝土表面清理干净，继而用清水冲洗干净，之后保持干净干燥，等待加固使用。

填充材料3的制取。填充材料选取加固用结构胶，应选用流动性小且无流挂的填充材料，推荐选用西卡公司生产的Sikadur 30CN，按厂商提供的拌和比，做好填充材料3的拌合准备；将按配合比准备好的填充材料组分混合后用搅拌机充分搅拌，完成填充材料3的制取。对于FRP布环包用结构胶，不同的FRP材料选用不同的结构胶，一般采用环氧树脂型的结构胶，CFRP布建议用Sikadur 330CN，按提供结构胶的厂商的拌和比，做好结构胶的拌合准备，将按配合比准备好的结构胶组分混合后用搅拌机充分搅拌，完成结构胶的制取；

加固。先用填充材料3将清理干净的加固开槽4填充至一半，放入记忆合金棒2，将SMA棒2压入结构胶内，然后用结构胶填满加固开槽4，用刮刀压实并抹平。

如图4和图6所示，对于需环包FRP布的加固柱，按照上一步骤加固后，在打磨过的粘贴部位涂刷底胶-结构胶，将打磨过的梁体表面凹凸不平处填补平整，以提高混凝土表面强度，增强FRP条带和混凝土表面的粘贴效果；FRP布的环包方式有两种，一种为单圈环包，即每圈之间不连续，按设计要求将结构胶均匀涂抹在粘贴部位，放上裁剪好的FRP布，用滚筒沿纤维方向多次滚压，挤出气泡，使结构胶充分浸透FRP布，使布与混凝土表面粘贴紧密，滚压时不得损伤纤维布。在环包过程中搭接长度至少为200mm。；另一种为螺旋环包，围绕柱身旋转缠绕，缠绕方式成螺旋式上升，各圈之间紧密相连，一直缠绕至柱顶为一层结束，随后，再刷上树脂，使用罗拉均匀滚动挤压，保证纤维丝束的树脂浸渍饱满，一层完成以后再进行下一层的循环，依次进行。粘贴多层时，应等纤维表面稍干，才可继续粘贴。在结构胶固化过程中，应检查FRP布有无浮起、鼓胀，如有，则应重新粘贴。

钢筋混凝土柱表面处理。加固完成后，对需要美观外部的加固梁，可进行涂抹水泥砂浆等相关表面处理。

本发明的具体优点是：

(1)形状记忆合金是一种具有感知和驱动功能的新型功能性材料，具有优异的超弹性、形状记忆效应、高阻尼、大应变(最大恢复应变可达到6％)、抗疲劳性能好和抗腐蚀能力高等有优点。本发明主要应用形状记忆合金的超弹性，也称为为可恢复变形性能。

(2)本发明采用特定的处理方式对原生态的记忆合金棒进行相关处理，处理后得到的材料力学性能更加优异，超弹性性能得到加强，在大变形下，残余变形极小，且阻尼特性良好。

(3)本发明选用特定的表面处理方式，对SMA棒材表面进行粗糙度处理，能大幅度增加SMA棒与加固材料之间的粘结力，使得SMA棒能与混凝土柱共同工作得以实现，提高加固材料的利用率，增强加固效果。

(4)本发明采用近表面加固的方法，使得加固筋与混凝土粘结面积增大，减小了粘结剥离破坏的可能性，改善了加固筋和混凝土的粘结性能，充分发挥SMA棒的材料性能，达到良好的加固效果。

(5)本发明采用FRP布环包近表面加固后的混凝土柱，彻底解决加固柱中加固筋发生剥离破坏的可能性，使得加固材料得以充分发挥，同时提高对混凝土的约束能力，提高混凝土柱的承载力。

(6)本发明提出将形状记忆合金作为加固材料用于钢筋混凝土柱中，能显著提高加固柱的耗能能力，减小混凝土柱受力后的残余变形，提高构件的损伤自修复能力，做到了地震后结构功能的快速恢复，实现了钢筋混凝土柱的半主动控制。

Claims (1)

1.一种钢筋混凝土柱的加固结构的加固方法，钢筋混凝土柱(1)下端设置有地基基础(6)，其特征在于，所述加固结构包括记忆合金棒(2)和填充材料(3)，钢筋混凝土柱(1)侧壁开设有竖向的加固开槽(4)，加固开槽(4)延伸至地基基础(6)内，记忆合金棒(2)置于加固开槽(4)内且两端分别位于地基基础(6)内和地基基础(6)上端，记忆合金棒(2)与加固开槽(4)之间通过填充材料(3)填充，填充材料(3)为加固用结构胶；钢筋混凝土柱(1)的外侧包裹有FRP布，加固开槽(4)内的记忆合金棒(2)位于地基基础(6)内部分长度为l₁，加固开槽(4)位于地基基础(6)上端部分长度为l₂，l₁长度为15～20d，d为记忆合金棒(2)直径，l₂长度为：

f_s为记忆合金棒的抗拉强度，A_s为所有记忆合金棒的截面面积，τ_av为记忆合金棒的平均粘结强度；

加固开槽(4)的槽洞之间的净距大于等于4d，槽洞边缘距钢筋混凝土柱边缘大于等于30mm；

加固具体包括以下步骤：

步骤1)、在需要加强的钢筋混凝土柱上进行竖向加开加固开槽；

步骤2)、在加固开槽内涂抹填充材料；涂抹填充材料前对加固开槽内壁进行凿毛处理；将记忆合金棒表面进行粗糙处理，将磨料高速喷射到记忆合金棒表面，使其表面粗糙度达到25～420μm，或者将记忆合金棒表面进行刻痕处理，或者将记忆合金棒加工制作成带螺纹筋或用套丝机将成型将记忆合金棒进行套丝处理；

步骤3)、在涂抹填充材料后的加固开槽内放入记忆合金棒，再通过填充材料进行填平压实，即可完成钢筋混凝土柱的加固，加固前将记忆合金棒放入300-500℃的高温炉中保温至少30分钟，然后取出水冷，然后将经过热处理的记忆合金棒在沸水和冰水中各放置至少1分钟，进行10次冷热循环；

将钢筋混凝土柱表面进行打磨，将打磨过的钢筋混凝土柱表面凹凸不平处填补平整，在钢筋混凝土柱表面涂抹结构胶，然后放置FRP布，用滚筒沿纤维方向多次滚压，挤出气泡，使结构胶充分浸透FRP布，在环包过程中搭接长度至少为200mm；或者将钢筋混凝土柱表面进行打磨，将打磨过的钢筋混凝土柱表面凹凸不平处填补平整，在钢筋混凝土柱表面涂抹结构胶，将FRP布围绕钢筋混凝土柱表面旋转缠绕，缠绕方式成螺旋式上升，各圈之间紧密相连，一直缠绕至柱顶为一层结束，再刷上树脂，使用罗拉均匀滚动挤压，一层完成以后再进行下一层的循环；填充材料填充过程中，先用填充材料将清理干净的加固开槽填充至一半，放入记忆合金棒，将加固开槽压入填充材料内，再通过填充材料填满加固开槽，进行压实并抹平。

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