增大截面法加固旧混凝土柱承载效果分析

戈玉平， 余 洋

（南京理工大学 理学院，江苏 南京210094）

据统计，现有建筑中96%属于混凝土结构。由于长时间的使用和环境的影响，建筑结构逐渐出现老化，构造强度降低，其安全性与抗震性也随之降低[1]。面对越来越多的老化建筑问题，对其进行加固成为了迫切需要解决的问题。结构加固的方法有许多种，针对不同情况的损坏与老化，可采用不同的加固方法。

本文以实际工程为例，对不满足承载力的柱构件进行增大截面加固，运用有限元软件分析加固厚度对极限承载力的影响，以确定柱构件的最优加固程度。

1 工程概况

广州光华机械加工厂是一幢建于20世纪70年代的3层框架结构房屋，结构基本稳定。工程重要性等级为二级，场地等级为二级，地基复杂程度为二级，岩土工程勘察等级为乙级，抗震设防烈度为6级。主体以钢筋混凝土柱、梁板承重，屋面为现浇混凝土板上人屋面。房屋内墙体以180、120 mm 厚烧结砖间隔、围护，结构高度17.00 m。房屋原作为车间使用多年，现空置未使用，其结构材料均有不同程度老化。

2 房屋加固

2.1 检测分析

根据GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》和JGJ 116—2009《建筑抗震加固技术规程》，将抗震鉴定分为两级：第一级主要是围绕构造和建筑整体进行综合鉴定；第二级是以建筑抗震能力为主进行综合评价[2]。

1）该房屋上部承重结构有个别梁、板、柱构件存在钢筋锈蚀混凝土胀裂现象，个别楼板存在局部开裂渗水现象。结构安全性验算结果表明：首层及二层柱子配筋基本满足承载力要求，部分三层柱子配筋不满足承载力要求；各层均有部分梁配筋不满足承载力要求；现浇板构造边配筋不满足规范要求。其构件安全性等级评定为Cu级。

2）垂直度观测结果表明，该房屋的侧向位移未超出GB 50292—2015《民用建筑可行靠性鉴定标准》的限值。其结构侧向位移等级评定为Au级。

3）该房屋结构布置合理，形成完整系统且结构选型及传力路线设计正确。其结构整体性等级评定为Au级。

房屋结构安全性鉴定结论：该房屋大部分框架柱轴压比满足规范要求；房屋二层及三层有部分框架柱纵筋配筋不满足承载力要求；房屋首层至三层大部分框架柱箍筋配筋不满足规范要求；房屋三层及屋面层部分梁底配筋不满足承载力要求；房屋二层至屋面层大部分框架梁箍筋配筋不满足规范要求。

2.2 加固

本工程框架柱均采用增大截面法进行加固。增大截面法是在原构件增设一层钢筋混凝土，增大构件截面以提升构件的承载能力[3]，见图1。

图1 柱增大截面法加固

该方法适用于梁、板、柱、墙等构件，优点是施工工艺简单、效果明显、新旧面连接紧密和可满足施工条件企业多[4]；不足是工期较长、施工湿作业时间长、加固后减少建筑物横向空间。

3 有限元分析

3.1 材料性能参数

由于混凝土和钢筋材料属性不同，两者之间属于黏接作用，为了方便仿真计算，数值模拟时假定钢筋与混凝土是不分离的，认为钢筋与混凝土之间是不产生滑移的，建模完成之后，使用Embedded嵌入来设定混凝土和钢筋之间互相作用。在ABAQUS 有限元分析软件中使用Coupling 耦合功能来模拟混凝土柱的偏心受压工况，在柱子属于偏心受压情况时候，混凝土柱构件受到轴向力和剪力。研究对象主要由混凝土和钢筋两种材料构成，参数按照试验实测数据输入，试验未测参数按相关规范要求取值［5］。

3.2 材料本构关系

由于成分较复杂，因此混凝土的本构材料关系比较复杂，本构关系的选择将极大影响模拟结果的精度。钢筋本构关系较为简单，目前进行有限元分析常采用理想弹塑性本构模型，本文也采用了理想弹塑性本构模型。见图2。

图2 应力-应变关系曲线

3.3 增大截面法有限元分析

原钢筋混凝土建筑柱的尺寸为500 mm×500 mm，长2 810 mm；箍筋为φ8 mm、间距50 mm；混凝土强度为C25。见图3。

图3 原构件柱模型

通过有限元软件ABAQUS建立模型，对原混凝土柱偏心受压模拟分析，在柱一端施加弯矩，当达到极限破坏时，其极限承载力和弯矩承载极限为2 400 kN和153 kN/m。

分别对50、75、100、125 mm4 组加固厚度进行承载力极限和弯矩承载极限数值模拟，结果见图4。

图4 模拟结果

由图4可知，随着加固厚度的增加，柱的极限承载力和弯矩承载极限均呈线性增长。加固截面厚度每增加25 mm，极限承载力增加量平均为400 kN；弯矩承载极限增加量为26、21、94、94、92 kN/m。

由此可见，当柱轴心受压不满足承载力要求时，经过计算可直接选择合适的加固厚度。当柱偏心受压不满足承载力要求时，加固到一定厚度之前，仅提供少量承载弯矩；加固截面达到一定厚度之后，再增加截面厚度可提供更高的有效承载弯矩。因此在加固前根据计算出屋面的固定荷载与活荷载，可选择合适的加固厚度。

本文对4个加固分别施加10个受力工况，分别计算混凝土柱应力以及弯矩承载极限值计算。见图5。

图5 加固后的弯矩-正应力关系

由图5可知，对任意加固厚度的混凝土柱施加弯矩，其轴向正应力随之增加，呈线性增长。对不同加固厚度的混凝土柱施加同等的弯矩时，加固厚度大的混凝土柱受到的轴向正应力比加固厚度小的混凝土柱小。

4 结论

1）随着加固截面厚度增加，混凝土柱的极限承载力和极限弯矩均随之增加，呈线性增长。

2）柱的极限承载力与加固厚度成正比，每增加25 mm 加固厚度，柱承载力提升400 kN；但弯矩承载极限在到达一定加固厚度之前，增加效果不明显，加固达一定厚度之后，每增加25 mm，弯矩承载极限提升约94 kN/m。

3）相同弯矩施加于混凝土柱一端时，加固厚度大的混凝土柱所受轴向正应力小于加固厚度小的混凝土柱，加固厚度能有效提升柱抗偏心受压能力。□■