第三章混凝土結構加固設計
3.3 混凝土柱加固設計
3.3.1 鋼筋混凝土柱常見問題及原因分
一般來說，柱子的破壞往往是突然的，破壞之前的徵兆不很明顯，屬脆性破壞。因此，我們首先應了解柱子的破壞特徵和破壞原因，以及進行必要的計算分析，隨後對柱子作出是否進行加固的判斷。
1、混凝土柱破壞特徵
鋼筋混凝土柱的兩類破壞形態:
受壓破壞(包括軸壓柱和小偏壓柱)；
受拉破壞(大偏壓柱)。
1）軸壓柱的破壞特徵
2）小偏心受心柱的破壞特徵
3）大偏心受壓柱的壞特徵
1）軸壓柱的破壞特徵
2）小偏心受心柱的破壞特徵
3）大偏心受壓柱的壞特徵
2、混凝土柱承載力不足的原因
1）設計不周或錯誤(如荷載漏算、截面偏小、計算錯誤等)
2）施工質量差
3）施工人員業務水平低下，工作責任心不強
4）施工現場管理不善
5）地基不均勻沉降
6）商品混凝土問題：
罐車內的混凝土已過初凝期
潤管砂漿問題
7）其他原因：火災高溫將混凝土燒酥，並使鋼筋及混凝土強度下降；因遭車輛等突然撞擊，使柱子嚴重撞傷；因加層改造上部結構，或改變使用功能使柱承受荷載增加等。
在了解混凝土柱的破壞特徵、破壞原因，並作出需加固的判斷之後，應根據柱子的外觀、驗算結果以及現場條件等因素選擇合適的加固方法，及時進行加固。
混凝土柱的加固方法有多種，常用的有增大截面法、置換法、外包鋼法、預加應力法。有時還採用卸除外載法和增加支撐法等。下面將分別對常用的加固方法進行闡述。
3.3.2增大截面法加固混凝土柱
1、概述
這種方法不僅可提高原柱的承載力，還可降低柱子的長細比，提高柱子的剛度。特別在抗震設防地區，這可使原來的強梁弱柱結構變為有利於抗震的強柱弱梁結構。
具體加固方法有四周外包、單面加厚和兩面加厚等加固方法。
2、構造及施工要求
在加固柱的設計和施工中，加強新舊柱之間的結合至關重要，要確保它們能整體工作。以較好地發展它們之間的內力重分布，充分發揮新柱的作用。為此，在加固柱的構造設計及施工時，應特別注意如下幾點：
1）當採用四周外包混凝土加固法時，應將原柱表面鑿毛，沖洗乾淨，箍筋應採用封閉箍（如圖3-38a、b所示），間距應符合《混凝土結構設計規範》和《建築抗震設計規範》的規定。
2）當採用單面或雙面增澆混凝土的方法加固時，應將原柱表面鑿毛，凸凹不平度≥6mm，並應採取下述構造措施中的一種。
①當新澆層的混凝土較薄時，用短鋼筋將加固的受力鋼筋焊接在原柱的受力鋼筋上 (如圖3-38c所示)。短鋼筋直徑不應小於20mm，長度不小於5d(d為新增縱筋和原有縱向直徑的較小值)，各短筋的中距≤50omm。
②當新澆層混凝土較厚時，應用u形箍筋固定縱向受力鋼筋，u形箍筋與原柱的連線可用焊接法(如圖3-38d所示)，也可用錨固法(如圖3-38e所示)。
3）新增混凝土的最小厚度≥60mm，用噴射混凝土施工時不應小於50mm。
4）新增縱向受力鋼筋宜用帶肋鋼筋，最小直徑應≥14mm，最大直徑應≤25mm。
5）新增縱向受力鋼筋應錨入基礎，柱頂端應有錨固措施。框架柱加固中，受拉鋼筋不得在樓板處切斷，受壓鋼筋應有50％穿過樓板。新澆混凝土上部與大樑的底面間需確保密實，不得有縫隙。
3、受力特徵
混凝土柱在加固施工時，由於荷載未卸除，原柱存在一定的壓縮變形，另外原柱混凝土已完成收縮和徐變，導致新加部分的應力、應變滯後於原柱的應力、應變。因此，新舊柱不能同時達到應力峰值，從而降低了新加部分的作用(圖4.39a)。
試驗表明，只要新舊柱結合面粘結可靠，在後加荷載作用下，新舊混凝土的應變增量基本一致，整個截面的變形符合平截面假定。
對於大偏心受壓柱，新加部分承載力的降低不很顯著：新加部分位於構件的邊緣，在後加荷載作用下，其應變發展較原柱快。此外，由於新加部分對原柱的約束作用和新舊柱之間的應力重分布。
對於軸心受壓柱，新舊混凝土間存在著明顯的應力重分布。
4、截面承載力計算方法
採用加大截面法加固鋼筋混凝土柱時，其承載力計算應按《混凝土結構設計規範》的基本規定，並考慮新混凝土與原柱的共同工作。
1）軸心受壓柱
採用加大截面法加固的軸心受壓柱，其正截面承載力可按下式計算。
式中——加固部分混凝土與原柱協同工作時，新增加的混凝土和縱向鋼筋的強度折減係數，。
2）大偏心受壓柱
加固後新舊混凝土能夠共同變形的偏心受壓柱，可按整截面計算。圖3-39所示為雙面加固柱在極限狀態下的截面計算圖形。根據加固規範，計算中應對受壓區及受拉區新增混凝土和縱向鋼筋的強度設計值乘以0.
9的折減係數。從而，可得如下正截面承載力的計算公式：
（3.56）
（3.57）
式中——軸向力作用點至受拉鋼筋合力點的距離，即
(3.60)
當僅對原柱的單面增澆混凝土加固時，其截面承載力計算公式可參考式（3.56）、式（3.57）得出。
當採用四周外包混凝土加固時，正截面承載力的計算公式比較複雜。為了簡化計算，建議，加固用混凝土的抗壓強度設計值取用原柱混凝土的抗彎強度設計值 。即用替代式（3.
56）、式（3.57）中。這一建議是基於，構造要求加固用混凝土的強度等級應較原柱混凝土強度等級高一級。
經比較，略大於，因此這一簡化是偏於安全的。
綜上所述，四周外包混凝土加固柱的正截面承載力計算公式為：
(3.58)
(3.59)
當採用i、ii級鋼筋並對稱配筋時，式（3-58）可進一步簡化為 ：
(3.60)
3）小偏心受壓柱
在小偏心受壓柱中，離軸向力較遠的鋼筋達不到屈服強度，因此對於兩面加厚混凝土的加固柱有以下關係：
(3.61)
(3.62)
式中——原柱中受拉鋼筋及加固用鋼筋的應力。計算時可近似取相同值，並按下式計算
(3.63)
——受壓區高度係數， ；
——界限破壞時相對受壓區高度係數。對i級鋼，取0.61，ii級鋼，取0.55。
對於單面加固的柱、四周外包混凝土加固的柱，以及加固後為對稱配筋的柱，其截面承載力的計算公式可採用與大偏心受壓情況同樣的方法處理，這裡不再詳述。
例3-6：某辦公樓為九層雙跨鋼筋混凝土框剪結構，現需對該樓增加二層，經複核發現個別柱子須進行加固。下面給出某中柱的加固計算。
1）原柱資料該中柱截面尺寸為400mm×500mm。c20級混凝土，配8ф18縱向鋼筋，層高=6.5m。加層後該柱為軸心受壓構件，承受設計軸向力3600。
2）加固方法軸心受壓柱採用四周外包混凝土法加固較為有效。方法為先將原柱四周面層混凝土鑿毛，然後配置箍筋及縱筋，並噴射50mm厚c25級細石混凝土。
3）補配縱筋計算
柱計算長度
查表由式（3-55）可得加固鋼筋面積為
上述計算說明，僅在柱四周噴射混凝土即能滿足柱子加固要求，故只需配置構造箍筋，即選用4ф14即可。
3.3.3 外包鋼加固混凝土柱
1、概述
所謂外包鋼加固，就是在混凝土柱的四角或兩麵包以型鋼的一種加固方法。它的優點是：構件的截面尺寸增加不多，但混凝土柱的承載力可有較大幅度提高。
對於方形或矩形柱，大多在四角包角鋼，並在橫向用綴板連成整體，對於圓柱、煙囪等圓形構件，多用扁鋼加套箍的辦法(如圖3-41所示)。
在型鋼與原柱間留有一定間隔，並在其間填塞乳膠水泥漿或環氧砂漿或澆灌細石混凝土，將兩者粘結成一體的加固方法稱為濕式外包鋼加固法(圖3-41)。
經外包鋼加固後，混凝土柱不僅提高了承載力，又由於柱的核芯混凝土受到型鋼套箍和綴板的約束，柱子的延性也得到了較大的提高。
2、濕式外包鋼加固設計
採用濕式外包鋼加固法時，型鋼粘結於原柱，使原柱的橫向變形受到型鋼骨架的約束。同時，混凝土的橫向變形又對型鋼產生側向擠壓，使外包型鋼處於壓彎狀態，導致型鋼抗壓承載力的降低。此外，如同上節中的外包混凝土加固一樣，後加的型鋼亦存在應力滯後現象，影響型鋼作用的充分發揮。
因此，在濕式外包鋼加固設計時，型鋼的設計強度應予折減。
濕式外包鋼加固柱的正截面承載力可以按整截面計算，但對外包型鋼的強度設計值應乘以折減係數。混凝土結構加固規範規定，受壓邊角鋼的折減係數為0.9。
濕式外包鋼加固柱的截面剛度和承載力的計算方法。
1）截面剛度
濕式外包鋼加固柱的截面剛度近似地按下式計算：
2）軸心受壓柱的承載力
對於濕式外包鋼加固後為軸心受壓的柱，截面承載力可按下式計算：
(3.65)
由於柱內受拉肢型鋼存在應力滯後現象，因此其設計強度應予以折減。同時，為了計算方便，建議對拉、壓肢型鋼取用相同的強度折減係數0.9。
在外包鋼加固中，外包型鋼一般都採用對稱布置，由圖3-42 可得濕式外包型鋼加固柱正截面承載力計算公式。
3）大偏心受壓柱的承載力
(3.66)
(3.67)
當原柱為對稱配筋時，式（3-66）可進一步簡化為：
4）小偏心受壓柱的承載力計算
正截面承載力可按下式計算：
(3.68)
(3.69)
式中——分別為受拉鋼筋或受壓較小邊的鋼筋及型鋼的應力，可近似取相同值，按式（3.63）計算。
3、構造要求
混凝土柱採用外包鋼加固時，應符合下列構造要求：
1）外包角鋼的邊長不宜小於25mm；綴板截面不宜小於 25×3mm，間距不宜大於20r（r為單根角鋼截面的最小迴轉半徑），同時不宜大於500mm。
2）外包角鋼需通長、連續，在穿過各層樓板時不得截斷；角鋼下端應伸到基礎頂面，用環氧砂漿或環氧膠泥加以粘錨（如圖3-42所示）；角鋼上端應有足夠的錨固長度，可能時上端設定與角鋼焊接的柱帽。
3）當採用環氧樹脂化學灌漿外包鋼加固時，綴板應緊貼混凝土表面，並與角鋼平焊連線。焊好後，用環氧將型鋼周圍封閉，並留出氣孔，再進行灌漿。
4）當採用乳膠水泥砂漿貼上外包鋼時，綴板可焊於角鋼外面。乳膠含量應不少於5％。
5）型鋼表面宜抹不小於25mm厚的1:3水泥砂漿保護層，亦可採用防腐材料加以保護。
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