钢—混凝土组合结构在结构柱加固中的应用研究

第３７卷第２７期　・４２・　２　０　１　１年９月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．２７　Ｓｅｐ．　２０１１　

文章编号：１００９—６８２５　ｆ　２０１　１）２７．００４２—０３　

钢一混凝土组合结构在结构柱加固中的应用研究　

李京玲宋伟　

摘要：分析了钢一混凝土组合结构在结构柱加固中的优势，给出了常见的柱构件的加固方法，并通过实例说明了结构　

柱加固的计算方法，为实际工程中柱的加固提供了一定指导。　

关键词：组合结构，柱，加固　

中图分类号：ＴＵ３９８　

０　引言　

随着建筑物向大跨度、超高度的发展，混凝土结构已不能完　

全满足需要。而钢结构由于耐腐蚀性差、耐火性差等问题适用性　

也受到一定制约，钢一混凝土组合结构充分发挥两种结构材料的　优点，克服其缺点被广泛应用。此外组合结构在已有建筑物的维　

修、改造和加固等方面也有其独特优势，与其他加固方式比，具有　

节约钢材、增加建筑空间、增强结构刚度和承载力、抗震性能好、改　

善结构疲劳陛能等优点，在工程加固领域中具有广阔的发展前景。　

柱作为重要的承重体系，随时间推移及周围环境影响，其结　

构的安全性、耐久性可能受到威胁，须进行加固才能继续维持结　

构寿命。以下主要介绍柱加固的方法及计算方法。　

１　常见结构柱加固方法　

１）角钢加固法：以型钢（一般为角钢）外包于构件四角（或两　

程中，要格外注意不同参数的具体适用范围，具体的某一项参数　

大多具有较为严格的适用性，砖混结构下准确的参数，很可能不　

适用于框架结构，多层结构下准确的参数，对高层结构的适用性　

也未必能够保证。对相关计算软件的应用也要注意这个问题。　不同的计算理论是具有其特定的假设条件的，软件的编制默认状　

态下均符合这些特定条件，为了避免出现参数不匹配、不适用的　问题，在使用软件前必须了解清楚这款软件的具体技术条件，即　

使是最熟悉的ＰＫＰＭ软件系列也不能忽略这个问题。缺乏对于　

软件技术条件的深刻理解，就无法合理、正确的应用软件进行实　际设计。因过分信任计算机的计算结果，而忽视结构概念导致的　

严重错误，近年来在结构设计领域也屡见不鲜。相关领域工作者　

在必要的情况下要进行手算复核，而不是迷信软件的计算结果，　

这种情况对于带转换的构件设计工作最为重要。　在结构设计的过程中，建筑物计算分析的结果是为了确保在　

静力荷载以及自然灾害造成的动力荷载作用下具有较强的整体　

安全性。然而，仅仅依靠计算分析结果展开的设计，在实际生活　

中是很难避免荷载作用下建筑物局部开裂、破坏等现象的。针对　

不同的自然灾害，要进行专门的防护性设计。以地震为例，可以根　文献标识码：Ａ　

角）、型钢（一般为角钢）之间用缀板相连接的加阎方法，见　１。　

其优点是能大幅度提高承载力，受力较为可靠，施川［简便，现场尤　

湿作业，工作量小，对截面尺寸和外观影响小；缺点是耐火性、耐　

腐蚀性差，需要做专门的防火防腐处理。　

２）钢板加固法：在钢筋混凝土柱外封闭包一层钢板，用螺栓　

将其固定在原混凝土柱上，或采用胶粘剂粘贴在原混凝土柱　，　

见图２。其优点是能满足强度、刚度要求，施丁速度快、现场尤湿　作业或仅有抹灰等少量湿作业，对结构外观和原有净空尢显著影　

响；缺点是加固效果和施工质量及粘胶工艺密切相关，需要专业　

的施工操作，耐火耐腐蚀性较差，需要做专门的防火防腐处理。　

３）增大截面面积加固法：剥去局部纵筋保护层，再焊上按计　

算求得的新增受力筋，最后浇筑混凝土，见图３。其优点足具有成　

熟的设计和施工技术，施工工艺简单、适应性强；缺点是现场施工　

据工程抗震等级的要求指标，按照设计规范中的具体要求，在结　

构设计过程中采用必要的构造措施。特别是针对计算性相对比　

较弱的结构类型时，多数的设计都要求通过构造措施保证建筑的　

安全性。　

４结语　

通过文章中的分析，概念设计在建筑结构设计的过程中扮演　

了很重要的角色。除此之外，针对软件计算参数、计算结果的荷　

载分析、数学建模工作的有效进行，都是提高建筑结构没计质量　

的好办法。　

参考文献：　［１］　马玉刚．浅谈如何提高建筑结构设计质量［Ｊ］．工程技术，　

２０１０（７）：５．　［２］　张丽莉．浅谈提高建筑设计质量的措施［Ｊ］．建筑工程，２０１０　

（４）：７．　『３］　乔可义．重视概念设计，提高建筑结构设计的质量［Ｊ］．黑龙　

江科技信息，２００９（２１）：１１．　［４］　范志毅．建筑结构可靠性理论应用与发展［Ｊ］．山西建筑，　

２０１０，３６（３３）：７５－７６．　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｑｕａｌｉｔｙ　

ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ－ｔｏｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ｅｍｐｈａｓｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｍｅａｎｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏｎｃｅｐｔ　

ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ａｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ａｃｔｕａｌ　ｗｏｒｋ，ｉｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　

ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｍｅａｎｉｎｇ　ｆｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ｑｕａｌｉｔｙ，ｍｅａｓｕｒｅｓ　

收稿日期：２０１１—０５—１４　

作者简介：李京玲（１９５７一），女，教授，天津城市建设学院土木工程系，天津３００３８４　

宋伟（１９８６一），女，天津城市建设学院土木工程系硕士研究生，天津

３００３８４　爹　７ｌ　年２９７背　李京玲等：钢一混凝土组合结构在结构柱加固中的应用研究　・４３・　

的湿作业时间长，对结构自重影响大，加固后对建筑物净空有一　

定的影响。　

钢板　

图１角钢加固法　图２钢板加固法　

新浇混凝土　

图３增大截面积加固法　４）碳纤维布加固法：柱外包碳纤维布形成环向封闭箍，以提　

高柱的抗剪能力及延性。其优点是施工周期短，施工简单、迅速、　

方便，在几乎不增加结构重量的前提下达到高效加固的目的；缺　

点是需要专门的施工单位施工，造价相对较高。　

本文主要讨论钢一混凝土组合结构加固混凝土柱中的角钢　

及钢板加固法。　

２结构柱加固基本计算方法　

某部队办公楼，４层框架结构，交付使用后经检测⑤轴框架柱　

原混凝土设计强度为Ｃ３０，由于施工养护不当，而实际检测强度仅　

为Ｃ２０。该柱计算高度为４　５００　Ｉｎｍ，截面为４５０　ｍｍ×５００　ｍｍ，对　

称配筋，每边为２ｄＭ８＋２６１６。　

１）原柱安全性验算：Ｃ２０混凝土　。＝９．６　Ｎ／ｍｍ　，二级钢筋　

＝３００　Ｎ／ｍｍ　，ｌｏ＝４　５００　ｍｍ，ｌｏ／ｂ＝４　５００／４５０＝１０，　＝０．９８，　Ａ　。＝４５０×５００：２２５　０００　ｍｍ２，Ａ　＝１　８２２　ｍｒｌｌ　。　轴向力设计值：Ⅳ＝１．２Ｇ　＋１．４Ｑ　＝１．２×８５０＋１．４×２　２５０＝　

４　１７０　ｋＮ。　承载力设计值：Ｎ　：０．９　（　。Ａ　。＋　Ａ　。　）＝０．９×０．９８×　

（９．６　ｘ２２５　０００＋３００×１　８２２）＝２　３８７．２２１　２　ｋＮ。　

承载力不满足，其可靠度承载力鉴定系数　＝等＝０．５７２，必　

须进行加固。　

２）角钢加固法：Ⅳ≤Ｏ．９　（　。Ａ　。＋　Ａ　。　＋　Ａ　）。　

＝（Ｎ／Ｏ．９　一ＬｏＡ　Ｌｏ　Ａｓｏ＇　＝（　＿９＿６×　

２２５　０００—３００×１　８２２）／０．９×２１０＝１０　６９５　ｍｍ　。　

选用Ｑ２３５　ｌＯＯ×１４型号的角钢，每米重量为２０．６　ｋｇ，所以　

每根柱需用角钢：　

２０．６×４×４．５＝３７０．６　ｋｇ。　３）钢板加固法：计算方法同角钢加固法得Ａ　＝１０　９６５　ｉｌｌｍ　，　

选用７　ｍｍ厚Ｑ２３５钢板。一根柱钢板用量为（５００＋４５０）×２×　

７　ｘ４　５００×１０一ｘ７．８×１０　＝４６６．８３　ｋｇ。　

４）增大截面加固法：假定截面各边增大１００　ｍｍ，加固后截面　

为５５０×６００。　

Ⅳ≤０．９妒［　４　＋　Ａ　。　＋Ｏｌ　（Ｊ　Ａ　＋ｆｙ＇Ａｓ　）］。　

Ａｓｔ＝［（　～　Ａ　一厶　Ａ　）／ａ　一ＬＡ　］　＝　［（　一９．６×２２５　０００—３００　ｘ　１　８２２）／　

０．８—１４．３×１０５　０００］／３００＝１　７０９　ｍｍ。。　

每面选用２ｑ５２５＋２ｑｂ２２的钢筋。　５）粘贴纤维复合材加固法：Ⅳ≤０。９［（　＋４ｏ－　）　，＋　。　］。　

Ａｓ＝　００８　ｌ。ｐｓ　‘　。　

Ａ　＝ｂｈ～（４一耵）／２＝４５０　ｘ５００一（４—１Ｔ）ｘ２５　

＝２２４　４６３．５　ｍｍ。。　

卜　若　＝　

１一　３　２２４　４　６３　５　１　０　００８　１．ｏ＿４６６。　‘　×　．　×（　～．　）　

盯　＝［（　一　『Ａ｜０，）／Ａ一－ｙ￣／４　

［（　一３００×１　８２２）／２２４　４６３．５—１４．３］／４＝０．９７７　Ｎ／，ｒ￣。　

一————　—＿—一：６．０×１０－－。　０．５×１．０×０．４６６×２．０×１０　×０．００３　５　

，　。＝２—　ｂ　ｈｒ－　＝鱼．一　２　（二４　５　ｏ　５００）＝０．７０８。一　（　＋　）一　×　＋　一…ｕｕ。　

所以所选碳纤维复合材层数为１，所选厚度为４。　

３各种加固方式特点的比较　

经计算可得以上四种加固方法的单根柱加固经济技术指标，　

曰．嘉】　

表１　柱加固经济技术指标　

增加重量　用钢量　混凝土　碳纤维　造价　加固后承　加固方法　ｋｇ　ｌ【ｇ　ｍｊ　复合材／ｋｇ　兀　载力／ｋＮ　角钢加固法　３９９　３９９　ｌ　５４３　４　１４ｌ　钢板加固法　４６７　４６７　１　９６１　４　６０４　增大截面　１　４Ｏ７　２７３　０．４７３　８９４　４　ｌ８４　加固法　

粘贴纤维复　６２　６２　９　６５７　６　８９４　合材加固法　

由表１可知四种加固方法均可以满足承载力要求。方法三　

造价最少，但是自重较其他方法大很多，现场湿作业量大，养护时　

间长，需要较大增加截面面积，对建筑物净空影响较大。方法四　增加自重最小，简单、迅速、方便、施工周期短，但造价明显高于其　

他方法，且施工难度较大。采用方法一、方法二现场工作量小、施　工周期短、对结构空间影响小、方便快捷，虽然造价较方法三高一　

些，但是自重较方法三小很多。　

综上，方法一、方法二即钢～混凝土组合结构加固法，在技　

术、施工、综合效益方面有明显的优势。　

４加固结论　

本工程的改造实践证明，采用钢一混凝土组合结构可以达到　

大幅度提高结构承载力的要求，技术、经济效益明显优于其他方　

法。需要加固的柱如外观要求较高，采用方法二加固较优；外观　

要求不高的柱，方法一更加经济，且自重小，更加适用。该法可以　

推广到使用功能改变荷载需要大幅度提高或使用年限过高承载　

力下降的建筑加固，对建筑加固技术的发展具有重要的参考借鉴