变截面柱节点加固设计方法及施工工艺

燕志刚，黄佳林

（1、广东精特建设工程有限公司 广州510660；2、广东省建筑设计研究院有限公司 广州510010）

0 引言

随着社会的发展和新工艺的出现，结构现有的功能逐渐不能满足要求。所以既有建筑结构的改造在日常生活中越来越常见，改造过程中旧结构经常无法满足原设计荷载或新增荷载的要求。混凝土结构的加固技术及加固后构件的承载能力，已成为当前业界的重点关注对象［1-3］。常见的柱加固方法有增大截面加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法、预应力加固法和外包钢加固法［4］。柱包角钢的加固方式为常用的方法，施工时需要一条柱上下多层贯通包角钢。在现在的高层建筑中随着楼层的升高，柱子的截面会变化，如果在变截面的节点处理不好，会严重影响加固的整体受力效果，使建筑物结构加固后达到应有的抗震效果。本文主要介绍柱包钢结构加固遇到柱截面变化，节点处理的一种加固方式。此方法可以使柱子加固结构的完整性，达到应有抗震效果。

1 设计方法

1.1 设计思路

由于使用年限过长或设计不合理等原因，结构柱会出现承载力不足的情况。正常的加固做法有增大柱截面加固、碳纤维加固、外包钢加固等［4］。

外包钢加固是比较方便、经济的加固方法。此方法是在柱子的4个角分别包竖向角钢，并在水平方向用缀板连接角钢。使得柱与角钢、缀板形成一个整体，起到加固作用［1］。不过当外包钢加固法遇到变截面柱时，由于柱子截面的不连续，角钢也不能连续，角钢的荷载不能很好地传递。

由此本文提出一种变截面柱节点加固的设计方法。此方法是在变截面柱节点的柱交接处，设置一厚钢板，此钢板承担上层柱角钢的荷载，并把荷载传递至下层柱角钢。

1.2 设计方法

本文的加固方法，就是在柱四边加角钢，并在角钢中间用缀板连接，形成的整体受力加固柱子。在变截面柱的节点处，下层柱的顶面处加一顶板，顶板处布置一圈化学锚栓，连接上层的加固柱及下层的加固柱。加固大样如图1～图2所示。

图1 柱加固立面及剖面Fig.1 Elevation and Section of Column Reinforcement

图2 柱加固平面Fig.2 Plan of Column Reinforcement

柱子变截面处，上、下层加固角钢与加固顶板均为开坡口焊接，加固顶板上焊接20 mm厚加劲板。变截面处的加固做法如图3所示。

图3 柱变截面处加固做法Fig.3 Reinforcement Method at Variable Cross-section of Column（mm）

1.3 构造措施

在柱变截面处加固的设计中，锚栓的锚固长度为35d［4］；柱顶钢板的厚度应不小于加固角钢最大厚度的1.5倍。

2 施工工艺

2.1 混凝土表面处理

⑴根据施工图纸对施工现场进行柱位进行复核，柱加固节点进行复核，拆除柱装饰、批荡层，为使柱上下贯通将柱变截面处柱角楼板进行凿除并切断钢筋，然后弯起，以便恢复楼板使用，将洞口沿柱角方向进行，在主梁节点停止，宽度10 cm，大小柱变截面节点处以大柱边为基准线进行凿除楼板，凿毛并使凿除面平整。

⑵打磨。用角磨机金刚磨片清除混凝土表面的碳化层1～2 mm，使混凝土表面平整、均匀，使用角磨机呈45°角在混凝土横向表面磕槽，槽深1～2 mm，用高压水枪冲洗混凝土表面的灰尘，混凝土表面凹凸不平，凸的要把凿平，凹的用修补胶修补好。

2.2 钢板制作及钻孔

⑴钢板加工应按照设计图纸要求进行，钢板长度尽量不要焊接，要焊接最好在端部焊接。

⑵钢板在加工场裁剪成型后，用板车运进施工地。

⑶由于设计锚栓孔可能与原梁钢筋相冲突，按设计在梁板上放线钻孔，遇到钢筋时钢板钻孔要适当调整孔位，待梁孔钻完后，用纸临摹下来，根据临摹板在钢板上钻孔，钻孔方式采用磁力钻钻孔，禁止采用热开孔。

2.3 钢板的表面处理

⑴ 用角磨机砂轮片打磨钢板，至钢板去碳化层，使钢板有光泽。

⑵再用角磨机横向磕纹，用钢刷刷除钢板上的浮锈。

2.4 钢板安装

钢板采用二次安装，第一次安装主要是确定好钢钻孔位与混凝土构件的孔位，并钻好构件孔位。

⑴用顶托加钢管把钢板支撑固定好。

⑵加压顶托螺栓，使钢板粘紧混凝土构件。

⑶用冲击钻对准钢板孔进行钻孔，用膨胀螺栓固定或者植筋、植化学锚栓固定（用膨胀螺栓固定时不需清孔，用植筋、植化学锚栓固定时必须清孔）。

⑷安装平爆加长螺栓（螺栓长150 mm），要按钢管长度均开安装几条便可。

⑸松开顶托螺栓，使其预挂在平爆螺栓上。

⑹再次用角磨机加吹风机清除钢板上的灰尘。

⑺再用顶托顶紧钢板，安装螺栓。待螺栓安装好，调整好钢板间距，钢板与混凝土之间缝隙不要大于2 mm。

2.5 封边、埋设灌浆嘴

用封边胶沿钢板边进行封堵缝隙，压实不准有毛边，封堵时埋设灌浆嘴，灌浆嘴埋设间距不大于500 mm，宜采用对角边埋设间距，否则灌浆时会爆边，封螺栓丝头要注意胶压紧，不准有毛边，待胶固化后进行灌浆封边时要专人来封边。

2.6 配制胶

结构胶使用灌注粘钢胶，配胶时按结构胶按产品说明书规定的配合比配制胶，配制胶须专人配制，不得随意更改配合比。配制胶时需用专用工具配制，使胶和固化剂搅拌均匀。

2.7 灌胶

（1）用高压灌浆机进行灌胶，灌胶时不得猛压，用力要均匀。使胶能够均匀进入。

（2）灌胶时要用小锤轻轻敲打钢板，使结构胶能完全填充空隙，灌胶到所有排气管均有胶液流出。最后当排气孔出现浆液后停止加压，以钢板封边胶堵孔，再以较底压力持续10 min以上。

（3）每移动前进1个灌浆嘴，必须把灌浆嘴封堵好，不得有滴胶现象。

（4）灌完胶后，钢板不能出现空鼓现象。

（5）灌好构件静态72 h养护，不得有震动或者外力影响。

2.8 养护

灌注粘钢件表面应进行防腐防火处理。首先对钢件表面进行打磨，除去钢件表面的锈蚀、污物等，使钢件表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈等附着物，然后在表面刷涂防锈漆及防火涂料。

3 工程应用

3.1 工程概况

某项目位于广州市，共有7层，楼龄22年。本工程为框架结构，其中一变截面结构柱上下层均已出现破损。该变截面下层柱截面为600 mm×600 mm，上层柱截面为400 mm×400 mm。通过第三方检测，该变截面柱子混凝土的强度只达到C20，钢筋强度为HRB400。

3.2 模型概况

建立了2个柱子模型进行对比模拟分析［5-6］。以分析加固前后混凝土及加固钢板的应力变化。变截面柱上层截面为400 mm×400 mm，下层截面为600 mm×600 mm，箍筋直径为8 mm，纵筋直径为25 mm。加固角钢截面为等肢角钢100 mm×6 mm，缀条厚度为6 mm。柱顶钢板厚度为8 mm。

利用有限元软件ABAQUS进行建模［7］，柱子混凝土部分、加固角钢、缀条均采用实体单元进行模拟，单元类型为C3D8R；箍筋和纵筋均采用杆单元模拟。

3.3 本构模型

本文混凝土受力性能分析利用混凝土的弹塑性损伤模型。该模型用材料的弹塑性受力性能来模拟混凝土受压力学性能，分析中假定混凝土主要呈现拉伸开裂和压缩破碎导致最终极限破坏。

本文建立了C20混凝土本构［8］，Q235钢材本构［9］，HRB400钢筋本构［8］。钢筋为Truss单元。钢筋用软件中镶嵌方法嵌入混凝土网格单元中。钢筋本构应用双直线分析模型，斜率为钢筋的弹性模量即Es=210 GPa。

3.4 模型模拟

模型1模拟正常轴压下［10］，变截面柱受压破坏的模型。该模型在下层柱底施加完全固定的边界条件，上下层柱之间绑定连接。并在上层柱顶及下层柱顶分别施加一轴向荷载，该荷载使模型1的上下柱均破坏。

模型2的混凝土柱截面、荷载、边界条件均与模型1一致。在模型2上施加加固角钢及缀板。混凝土与角钢、缀板之间绑定连接［7］。

模型1、模型2的模拟模型如图4所示。

图4 模型1、模型2Fig.4 Model 1 and Model 2

3.5 分析结果

本文利用大型有限元软件ABAQUS软件对有无加固2种情况下的柱子应力进行模拟分析。模拟分析结果如图5～图6所示。

图5 混凝土应力Fig.5 Concrete Stress（N/mm2）

图6 模型2钢板应力Fig.6 Model 2 Steel Stress（N/mm2）

3.6 小结

通过模型1混凝土应力可以看出，在模型一轴压荷载的作用下，上下层柱的受压应力均超过了柱子的设计轴心抗压强度9.2 kPa。

模型2经过本文所述方式的加固后，上下层柱的受压应力均有大幅度降低，降到了C20混凝土的受压强度设计值之下。且钢板的应力也不超过Q235钢材的强度设计值。

4 总结

本文以广州市某项目为依托，提出一种针对变截面柱节点包钢加固的施工方法。针对原始配筋相同的2根柱进行数字模拟对比分析。在加固后，变截面柱节点的承载能力有显著的提高。

在现场施工方面，该加固方法施工速度快，不需要模板，能显著提高施工速度，缩减工期。