大学生科技创新项目 异形柱在火灾后的加固方法

张鑫洪 张嘉铖 孔海华 李淑欣 黎泉旭

（华南农业大学，广东 广州 510642）

1 概述

异形柱是异形截面柱的缩略称号，异形截面是指异形柱的几何形状截面与一般普通的矩形截面相比有较大的差异。一般来说，异形柱的几何形状截面多为 L形、T形及十字形，并且截面上各肢的肢高肢厚比不大于4。混凝土异形柱在受力性能上比普通的混凝土柱要好，但它的延性跟普通柱相比要逊色几分，最重要的是异形截面柱与一般框架柱相比，它的截面面积小，可以避免室内局部柱突出的现象，室内可使用面积较大，为建筑设计及使用功能提供了更多的选择。近年来，异形柱的研究在各大高校和研究机构普遍展开，对于异形柱的结构特点以及受力性能和抗火性能等的研究成果较多，这些研究成果使得异形柱的使用更加广泛和合理，一系列研究成果也使得异形柱的优点被更大程度的利用，同时也对异形柱结构本身存在的一些问题提供了解决和处理方法。综上所述,异形柱凭借其突出的自身优点,从而在当今的民用建筑领域获得了极为广泛的应用和发展前景。

2 异形柱的适用条件

自20世纪70年代，国内为了贯彻环境保护的政策，开始在建筑业内禁止使用烧结黏土砖，多称为“红砖”，在这样的环境下，建材改革是不可避免的，异形柱就是该改革的重要产物之一。鉴于其功能上的优越性，于上世纪八十年代改革开放初期，广东地区的6-9层商品住宅区大量使用异形柱，取得了丰富的研究数据和设计成果。异形柱的大量使用在空间使用方面极大的满足了人们的需求，但值得注意的是早期大部分异形柱在建造时使用的是普通的钢筋混凝土，并未使用防火材料，经过30多年，大部分房屋已经老化，发生火灾的概率大幅提升，且在经历火灾之后，柱的结构性能会大幅下降而对整栋建筑造成影响，尤其是异形柱本身在截面较小，保护层较薄，导致其性能下降更加明显和严重。因此火灾后对异形柱的加固是十分有必要的。

3 加固方法

目前在加固领域内，已有且较为成熟的加固方法有：钢板加固法、CFRP材料加固法、预应力加固法等。本文对以上三种方法进行调研分析，对其加固施工流程、加固效果及使用范围进行总结。

3.1 钢板加固

首先，柱外包钢加固法是指将型钢材料外包于混凝土柱的两角或四角，将角钢焊在扁钢箍上，以达到使其刚度和受力性能增强的一种加固技术；柱外包钢加固法施工流程：结构面清理放线→打磨混凝土浮层→打磨钢板→进行组装焊接→埋管注胶→养护→验收；其次，粘钢加固法是指用特制的建筑结构胶将钢板粘贴在钢筋混凝土结构构件的表面，以达到使其结构构件承载能力提高的一种加固技术。粘钢加固法施工流程：打磨处理粘贴面→准备加压固定和卸荷系统→进行胶黏剂调配→进行涂胶、粘贴→固化、卸加压固定系统→验收。

钢板加固方法的适用范围：

1.此加固法适用于只受静力作用的一般受弯及受拉构件。

2.不宜使用此加固法加固混凝土等级小于C15的构件。

3.加固过程使用的胶及胶黏剂需达到国家等级要求。

4.此加固法应在温度小于60℃、湿度小于70%环境使用，若超过此范围，应采取相应的防护措施。

3.2 CFRP材料加固

CFRP是指一种新兴的碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)，它的特点是轻质并且高强。CFRP作为最近新兴的一种加固材料，它的比重小，质强比大，抗拉强度可以达到钢筋的10倍。

在进行CFRP材料加固之前，应该将原结构的部分荷载尽可能地卸去，使CFRP材料加固施工时原结构或构件承受的荷载作用能够降低到最低程度。CFRP材料加固施工工序为：基底处理混凝土→涂抹底层涂料→进行残缺修补（用环氧腻子）→贴CFRP→进行养护→进行涂装→验收。

适用范围。适用于各种形式的钢筋混凝土结构或构件的加固补强

施工主意事项：

1.施工环境的温度不宜低于5℃，环境相对湿度不宜大于85%，若环境未达到适宜，则难以取得较好的加固效果。

2.施工时应将CFRP材料防治在远离可能放电的地方，涂料应避免阳光直射。

3.作业人员施工时要佩戴齐全安全防护用品，保持施工现场环境通风良好。

4.施工时若涂料掉落在皮肤上,应马上用肥皂水冲洗,若溅入眼内则清水清洗或及时就医。

3.3 预应力加固

预应力加固法是指通过采用型钢撑杆或者外加预应力钢拉杆的形式，对结构构件或整体进行加固的一种方法。它原理是通过加入预应力的手段作用后使得外加的撑杆或拉杆受力，从而达到使原结构内力分布改变和原结构应力水平降低的效果，可以完全消除一般加固结构中所产生的应力应变滞后现象。

外加预应力加固法工艺流程：清理原结构表面→划线确定预应力杆需要施加→预应力杆制作→凿毛清理需要安装锚具的混凝土→界面的处理→安装连接和锚固件→相关张拉装置的安装→张拉力控制→完工验收。

预应力加固技术的适用范围：

1.使用预应力加固法的原混凝土构件的截面尺不得大于一定的限值；构件的上部荷载可能会在后续工程中继续增加；原本的使用功能需要进行一定的改变；原结构构件处于高应力的状态，并且上面的荷载很难卸载。

2.当原梁、板混凝土构件的正截面受弯承载力不足时，可选择采用外加预应力钢拉杆的形式；若承载力不足的桁架结构的也可以选择采用外加预应力钢拉杆的形式。

3.宜在环境温度小于60℃的环境下施工，否则应采取有效措施防护。

4 结论

通过本文前面的总结，下表是对上述加固方法的直观对比。

加固方法 优点 缺点 成本分析images/BZ_312_1863_2451_2184_2495.pngimages/BZ_312_1855_2497_2193_2540.png较低images/BZ_312_1982_2543_2065_2586.png、images/BZ_312_1855_2614_2193_2657.png 较高images/BZ_312_1921_2660_2126_2703.png高、后期维护处理难度较大 较高images/BZ_312_1863_2731_2184_2774.png坚固耐用、施工快速、钢板加固 简洁轻巧、灵活多样、经济合理强度高、施工方便迅速CFRP材料加固 施工空间无限制、抗酸碱、耐腐蚀预应力加固 施工便捷、材料可以单独进行更换、经济可靠

综上所述，异形柱框架结构从使用层面因其独特的优势已大量使用但从其结构层面来说存在一定的缺陷，从现实使用层面来说现有异形柱需要考虑火灾后的加固。因此本文所列出各种加固方法及其施工工艺、优缺点、成本。以供相关人员在充分分析实际工程特点后进行选择。