一种钢筋混凝土柱的加固系统及加固方法与流程

本发明涉及建筑结构和桥梁结构领域，尤其涉及的是一种钢筋混凝土柱的加固系统及加固方法。

背景技术

在钢筋混凝土结构中，混凝土柱作为主要的受力构件，起着承受荷载和传递荷载的重要作用，是影响建筑结构倒塌破坏的重要构件，其安全性直接决定了整个混凝土结构的安全性能。第一方面，由于设计规范等级提高、施工质量差、服役时间增长、结构超载、疲劳荷载作用下、侵蚀环境下钢筋锈蚀引起结构性能退化等人为或自然灾害因素的影响，导致建筑结构在中震和大震中极易发生倒塌破坏造成人民财产安全损失。因此，出于安全考虑，延长钢筋混凝土结构的使用寿命，对有诸多钢筋混凝土柱进行修复加固成为亟待解决的关键问题。

第二方面，地震作为人类长期以来面临的一种危害性极强的自然灾害，具有特发性和不可预测性，地震所造成的大量人员伤亡以及建筑物的破坏，会对社会和经济造成极大的冲击。震后需对桥梁、重要建筑(如医院、政府、学校等)等生命线工程立即修复使用，为人民群众提供抗震救灾平台。对于某些地震中未发生倒塌的建筑结构和桥梁结构，推倒重建严重浪费资源，可对其进行性能评估后实施修复加固，继续投入使用。

钢筋混凝土柱的常见修复加固方法有增大截面面积法、粘贴钢板法、粘贴纤维复合材料法和近表面加固法。其中增大截面法不仅新旧混凝土之间的粘结性能不好，占用建筑空间较多，而且还改变了柱的整体外形，影响美观。粘贴钢板法存在防火性差，钢板裸露在外已锈蚀锈蚀，从而削弱加固效果，引起耐久性差等问题。粘贴纤维复合材料法包括粘贴纤维复合材料(fibrereinforcedpolymers，简称frp)条带和粘贴frp板。采用frp条带对钢筋混凝土柱进行环保加固，此方法仅仅是通过约束提高混凝土强度以达到加固效果，强度提高有限，且frp材料暴露在外部容易遭受磨损、撞击、火灾、高温、高湿、风华、冻融等外部的不利影响，而出现断裂失去加固效果，进而出现突然卸载的情况，造成钢筋混凝土突然破坏，威胁人民的生命财产安全。采用frp板粘贴加固混凝土柱，此方法中加固材料与混凝土柱之间的粘结界面容易出现破坏而造成加固材料不能充分利用，且存在严重的应变滞后效应，浪费材料，影响加固效果。

近表面加固法，是指在待加固柱受力层保护层内开槽，把结构胶或者砂浆等填充材料注入槽内，然后放入加固筋，最后用填充材料将槽洞填满，压实并抹平，此方法能较好的提高混凝土柱的承载力，对加固材料有很好的保护作用。但是该加固方法为了实现耐腐蚀性一般采用frp筋，但是frp筋为脆性材料，会使加固柱最终会发生脆性破坏，形成安全隐患。

上述加固结构和加固系统在受荷(疲劳荷载、地震等)后，钢筋混凝土柱的残余变形大，严重影响建筑结构或桥梁结构的继续使用。

找到一种施工简单方便，耐久性好，且能实现钢筋混凝土柱的半主动控制，成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钢筋混凝土柱的加固系统及加固方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钢筋混凝土柱的加固系统，钢筋混凝土柱下端设置有地基基础，包括铝合金筋和填充材料，钢筋混凝土柱侧壁开设有竖向的加固开槽，加固开槽延伸至地基基础内，铝合金筋置于加固开槽内，铝合金筋与加固开槽之间通过填充材料填充。

进一步的，填充材料为加固用结构胶或纤维增强水泥基复合材料。

进一步的，加固开槽内的铝合金筋位于地基基础内部分长度为l1，加固开槽位于地基基础上端部分长度为l2，l1长度为15～20d，d为铝合金筋直径，l2长度为：

fs为铝合金筋的抗拉强度，as为所有铝合金筋的截面面积，τav为铝合金筋的平均粘结强度；

加固开槽的槽洞之间的净距大于等于4d，槽洞边缘距钢筋混凝土柱边缘大于等于30mm。

进一步的，钢筋混凝土柱的外侧进行环包frp布。

进一步的，加固开槽的两端开设有垂直于加固开槽的锚孔，一个锚孔位于钢筋混凝土柱内，另一个锚孔位于地基基础内，铝合金筋两端设有用于插入锚孔的折弯，铝合金筋与锚孔通过结构胶填充。

一种钢筋混凝土柱的加固方法，包括以下步骤：

步骤1)、在需要加强的钢筋混凝土柱上进行竖向加开加固开槽；

步骤2)、在加固开槽内涂抹填充材料；

步骤3)、在涂抹填充材料后的加固开槽内放入铝合金筋，再通过填充材料进行填平压实，即可完成钢筋混凝土柱的加固。

进一步的，将钢筋混凝土柱表面进行打磨，将打磨过的钢筋混凝土柱表面凹凸不平处填补平整，在钢筋混凝土柱表面涂抹结构胶，然后放置frp布，用滚筒沿纤维方向多次滚压，挤出气泡，使结构胶充分浸透frp布，在环包过程中搭接长度至少为200mm；或者将钢筋混凝土柱表面进行打磨，将打磨过的钢筋混凝土柱表面凹凸不平处填补平整，在钢筋混凝土柱表面涂抹结构胶，将frp布围绕钢筋混凝土柱表面旋转缠绕，缠绕方式成螺旋式上升，各圈之间紧密相连，一直缠绕至柱顶为一层结束，再刷上树脂，使用罗拉均匀滚动挤压，一层完成以后再进行下一层的循环。

进一步的，步骤2)中涂抹填充材料前对加固开槽内壁进行凿毛处理。

进一步的，铝合金筋为7075铝合金。

进一步的，将铝合金筋表面进行粗糙处理：将磨料高速喷射到铝合金筋表面，使其表面粗糙度达到25～420μm，或者将铝合金筋表面进行刻痕处理，或者将铝合金筋加工制作成带螺纹筋或用套丝机将成型将铝合金筋进行套丝处理后进行氧化处理。

进一步的，填充材料填充过程中，先用填充材料将清理干净的加固开槽填充至一半，放入铝合金筋，将加固开槽压入填充材料内，再通过填充材料填满加固开槽，进行压实并抹平。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种钢筋混凝土柱的加固系统，通过在钢筋混凝土柱的侧壁保护层上开设加固开槽，然后利用填充材料将铝合金筋固定在加固开槽内，使钢筋混凝土柱与铝合金筋形成一体，铝合金筋强度可达600mpa以上，变形性能优异，极限变形为8％～10％，是一种高强延性金属材料，可在根本上解决近表面加固柱脆性破坏的问题，能够显著提高加固柱的耗能能力，减小混凝土柱受力后的残余变形，提高构件的损伤自修复能力，做到了地震后结构功能的快速恢复，实现了钢筋混凝土柱的半主动控制。

进一步的，采用纤维增强水泥基复合材料作为填充材料，具有速凝、强度高等优点，还可延长加固寿命，提高耐久性，最为重要的一点为可代替结构胶使用，大大降低造价。

进一步的，加固开槽的两端开设有垂直于加固开槽的锚孔，一个锚孔位于钢筋混凝土柱内，另一个锚孔位于地基基础内，铝合金筋两端设有用于插入锚孔的折弯，铝合金筋与锚孔通过结构胶填充，增加了铝合金筋与钢筋混凝土柱的连接稳定，采用端部自锚的锚固形式，可充分利用铝合金高延性的材料特性，一方面可避免加固结构发生剥离破坏，改变混凝土柱的破坏模式，改善加固柱的延性；另一方面可以很大程度地减小frp布环包所需的大量表面处理工作。

一种钢筋混凝土柱的加固方法，在需要加强的钢筋混凝土柱侧壁的保护层上进行竖向加开加固开槽，并且在加固开槽内涂抹填充材料，先用填充材料将清理干净的加固开槽填充至一半，放入铝合金筋，将加固开槽压入填充材料内，再通过填充材料填满加固开槽，进行压实并抹平，使钢筋混凝土柱与铝合金筋形成一体，利用铝合金筋自身的超弹性、高阻尼、大应变、抗疲劳性能和抗腐蚀的能力，能够显著提高加固柱的耗能能力，减小混凝土柱受力后的残余变形，提高构件的损伤自修复能力。

进一步的，对铝合金筋材表面进行粗糙度处理，能大幅度增加铝合金筋与加固材料之间的粘结力，使得铝合金筋能与混凝土柱共同工作得以实现，提高加固材料的利用率，增强加固效果。

进一步的，填充材料填充过程中，先用填充材料将清理干净的加固开槽填充至一半，放入铝合金筋，将加固开槽压入填充材料内，再通过填充材料填满加固开槽，进行压实并抹平，采用近表面加固的方法，使得加固筋与混凝土粘结面积增大，减小了粘结剥离破坏的可能性，改善了加固筋和混凝土的粘结性能，充分发挥铝合金筋的材料性能，达到良好的加固效果。

进一步的，采用frp布环包近表面加固后的混凝土柱，彻底解决加固柱中加固筋发生剥离破坏的可能性，使得加固材料得以充分发挥，同时提高对混凝土的约束能力，提高混凝土柱的承载力。

进一步的，加固开槽的槽洞之间的净距大于等于4d，槽洞边缘距钢筋混凝土柱边缘大于等于30mm，减小钢筋混凝土柱的应力剪切。

附图说明

图1是7075铝合金筋应力应变曲线；

图2是未环包碳布加固结构示意图；

图3是环包碳布加固结构示意图；

图4是未环包碳布加固结构断面图；

图5是环包碳布加固结构断面图。

图6是端部自锚加固结构断面图。

图中，1、钢筋混凝土柱；2、铝合金筋；3、填充材料；4、加固开槽；5、frp布；6、地基基础；7、锚孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图6所示，一种钢筋混凝土柱的加固系统，钢筋混凝土柱下端设置有地基基础，包括铝合金筋2和填充材料3，钢筋混凝土柱1侧壁的保护层内开设有竖向的加固开槽4，加固开槽4不伤及钢筋混凝土柱1内的钢筋结构，铝合金筋2置于加固开槽4内，铝合金筋2与加固开槽4之间通过填充材料3填充，加固开槽4位于地基基础6内部分长度为l1，加固开槽4位于地基基础6上端部分长度为l2，l1长度为15～20d，d为铝合金筋直径，l2长度为：

fs为铝合金筋的抗拉强度，as为所有铝合金筋2的截面面积，τav为铝合金筋的平均粘结强度。

铝合金筋2表面处理。如图1所示，铝合金筋2强度可达600mpa以上，变形性能优异，极限变形为8％～10％，是一种高强延性金属材料；铝合金材质的选取可选择强度高耐腐蚀性好的7系列铝合金中的7075，但由于市面上铝合金筋均为光圆筋，为增大铝合金筋与填充材料二者之间的粘结力，对铝合金筋进行表面粗糙度处理，第一种选用喷砂处理：在铝合金筋表面氧化处理之前，通过喷砂处理，将磨料(金刚砂等)高速喷射到铝合金表面，使其表面粗糙度达到25～420μm；来增大铝合金筋与混凝土的摩擦力，同时不影响铝合金筋的材料性能；第二种为刻痕处理。可以先将铝合金筋表面用机器进行刻痕处理，使其表面变的凹凸不平，然后再进行表面氧化处理，以此来增大机械咬合力。第三种为套丝处理。将铝合金加工制作成带螺纹筋或用套丝机将成型铝合金筋进行套丝处理，完成后需将带肋筋进行氧化处理，以增加其氧化膜厚度。具体氧化方式，需要采用阳极氧化或化学氧化的方法对高强铝合金进行表面氧化处理，在其表面生成一层氧化膜，得到本发明所需的铝合金筋2，以达到防护的目的。

对于外观良好但因改变使用功能或设计、施工质量等有问题而需提高其承载力的钢筋混凝土柱，可采用端部自锚的方式。如图6所示，需对铝合金筋进行异性处理，以达到自锚效果。对铝合金筋进行表面处理后；然后利用钢筋弯箍机按照设计尺寸进行铝合金筋2两端弯钩处理，两个直角弯钩分别朝向两个方向；在加固开槽4两端分别开设有一个垂直于加固开槽4的锚孔7，一个锚孔7位于钢筋混凝土柱内，另一个锚孔7位于地基基础内，锚孔7直径为1.5d，锚孔7深度为10d或梁高的1/2(取两者的较小值)；在基础内的开槽，需从基础表面通深打至设计深度l1，对于有端部自锚的加固柱可将设计深度l1减小至未锚固加固柱深度的一半，水平长度为15d-1/2槽深；柱内弯钩长度取10d和h/2两者中的较小值，d为铝合金筋直径，h为梁高，地基基础内弯钩长度取15d；然后对弯钩处理后的铝合金筋进行氧化处理，保护直角弯钩处的铝合金；将铝合金筋2放入加固开槽4内，然后通过结构胶将铝合金筋2固定在加固开槽4内，锚孔内通过结构胶固定。

加固开槽4位置及尺寸确定：采用铝合金作为加固筋，进行加固配筋计算；然后在钢筋混凝土柱侧壁均匀开设多个加固开槽4，加固开槽为方形槽，边长为1.5d(加固筋为光圆筋)或2.0d(加固筋为变形筋)，其中d为铝合金筋的直径，如图5、图6所示，在加固开槽4对称的两侧均匀开设共四个加固开槽4；加固开槽4的槽洞之间的净距大于等于4d，槽洞边缘距梁体边缘大于等于30mm；确定开槽长度，开槽长度即铝合金筋的加固长度分两部分，一部分为位于地基基础中铝合金筋埋置深度l1，l1为15～20d；另一部分为柱中加固长度(位于地基基础上端部分长度)l2：

fs为铝合金筋的抗拉强度，as为所有铝合金筋2的截面面积，τav为铝合金筋的平均粘结强度。

对于一端固结一段自由的悬臂柱，如桥梁柱墩，加固长度l2需大于1/2柱高；对于两段固结的钢筋混凝土柱，如框架结构柱，加固长度l2需大于反弯点高度。

钢筋混凝土柱表面处理。如图2和图4所示，根据加固设计图纸相关尺寸，在柱上进行位置标定，然后用混凝土切割机进行切槽，边切边往槽内洒水降低温度。需注意的是在切割过程中一定要缓缓进行，防止切到待加固柱内的原始配筋。按照设计要求开槽后，需要对加固开槽做如下处理：①利用榔头和凿子将加固开槽4内壁凿毛，以增加混凝土与结构胶的粘结性能；②将槽内的混凝土碎块儿用毛刷等工具清除，然后用高压喷气设备吹出加固开槽4内的混凝土残渣等细小颗粒，必要时用清水冲洗，尽可能地把槽内的灰尘除去；③用烘干机等设备吹干加固开槽4，务必确保加固开槽4干燥、干净，等待下一步使用。需注意，地基基础中的加固开槽4采用电镐钻取圆槽，圆槽直径为1.5～2.0d。

对于某些保护层混凝土因锈蚀而导致性能劣化严重或地震后裂缝较多损害严重的钢筋混凝土柱，应选择在近表面加固后，用frp布对其进行缠绕环包。选用frp布环包的钢筋混凝土柱还需做如下表面处理：①钢筋混凝土柱表面处理；将待加固柱表面疏松的混凝土铲除，然后使用角磨机对frp布环包粘贴部位进行打磨平整，直至完全露出结构新面。②钢筋混凝土柱角部处理，为了防止frp布在受荷过程中被割断，造成端部frp布提前失效，需将混凝土柱角部打磨加工，由直角变成圆角，使角部光滑过渡，圆弧半径大于等于30mm。打磨完成后，清除浮渣、灰尘，使用钢丝刷将混凝土表面清理干净，继而用清水冲洗干净，之后保持干净干燥，等待加固使用。

填充材料3的制取。填充材料选取加固用结构胶，选用流动性小且无流挂的填充材料，推荐选用西卡公司生产的sikadur30cn，按厂商提供的拌和比，做好填充材料3的拌合准备；将按配合比准备好的填充材料组分混合后用搅拌机充分搅拌，完成填充材料3的制取。对于环包frp布的加固柱，填充材料3可选用纤维增强水泥基复合材料，对于frp材料来说，普通的纤维增强水泥基复合材料可以使用，但是对于铝合金(aa)来说，需要使用特殊配置的纤维增强水泥基复合材料，需要配出的纤维增强水泥基复合材料ph偏中性或弱碱性，同样这些材料也可以作为frp筋3的填充材料；

纤维增强水泥基复合材料包括胶凝材料、粗骨料、减水剂、聚乙烯醇纤维和水，其中，胶凝材料是由水泥和粉煤灰按质量比为555：680组成的；水与胶凝材料的质量比为0.24，粗骨料和胶凝材料的质量比为0.36，减水剂的体积是胶凝材料的体积的1.8％，聚乙烯醇纤维的体积是胶凝材料的体积的2％。具体如下表1所示：

表1.填充材料配合比

配合比是以胶凝材料的总质量为基准；水胶比为水与胶凝材料的质量比；砂胶比为石英砂与胶凝材料的质量比；减水剂和聚乙烯醇纤维为体积掺入量。

其中水泥选用ph值偏中性的磷酸镁(mpc)水泥等其他水泥，粗骨料选用石英砂，最大粒径不超过250μm，外加剂主要添加减水剂，可选用大连sika3301高效减水剂，pva纤维采用日本kuraray公司生产的k-ii型可乐纶。配置出的填充材料需要对其相关力学性能进行测试，通过抗压试验、单轴拉伸试验、劈裂抗拉试验和四点弯曲试验得出其抗压强度、受拉强度、受拉弹性模量、劈裂抗拉强度和抗弯强度。

纤维增强水泥基复合材料制备过程如下所示：先将水和减水剂充分融合，将称量好的石英砂、胶凝材料(水泥和粉煤灰)倒入水泥胶砂搅拌机搅拌锅内，混合低速干拌2～3min；然后加入融合后的减水剂和水，低速搅拌2min，待搅拌均匀后将pva纤维沿着搅拌桶旋转的方向渐渐加入，纤维全部加入后先低速搅拌5min，再高速搅拌5min，直至纤维均匀分布。

在加固前拌制好，等待使用。

对于frp布环包用结构胶，不同的frp材料选用不同的结构胶，一般采用环氧树脂型的结构胶，cfrp布建议用sikadur330cn，按提供结构胶的厂商的拌和比，做好结构胶的拌合准备，将按配合比准备好的结构胶组分混合后用搅拌机充分搅拌，完成结构胶的制取。

加固。先用填充材料3将清理干净的加固开槽4填充至一半，放入铝合金筋2，将铝合金筋2压入结构胶内，然后用结构胶填满加固开槽4，用刮刀压实并抹平。

如图3和图5所示，对于需环包frp布的加固柱，按照上一步骤加固后，在打磨过的粘贴部位涂刷底胶-结构胶，将打磨过的梁体表面凹凸不平处填补平整，以提高混凝土表面强度，增强frp条带和混凝土表面的粘贴效果；frp布的环包方式有两种，一种为单圈环包，即每圈之间不连续，按设计要求将结构胶均匀涂抹在粘贴部位，放上裁剪好的frp布，用滚筒沿纤维方向多次滚压，挤出气泡，使结构胶充分浸透frp布，使布与混凝土表面粘贴紧密，滚压时不得损伤纤维布。在环包过程中搭接长度至少为200mm。；另一种为螺旋环包，围绕柱身旋转缠绕，缠绕方式成螺旋式上升，各圈之间紧密相连，一直缠绕至柱顶为一层结束，随后，再刷上树脂，使用罗拉均匀滚动挤压，保证纤维丝束的树脂浸渍饱满，一层完成以后再进行下一层的循环，依次进行。粘贴多层时，应等纤维表面稍干，才可继续粘贴。在结构胶固化过程中，应检查frp布有无浮起、鼓胀，如有，则应重新粘贴。

钢筋混凝土柱表面处理。加固完成后，对需要美观外部的加固梁，可进行涂抹水泥砂浆等相关表面处理。

本发明的具体优点是：

(1)本发明提出一种新型的加固用填充材料，本材料呈中性或弱碱性，可专门用于铝合金筋2的加固中。采用纤维增强水泥基复合材料作为填充材料，具有速凝、强度高等优点，还可延长加固寿命，提高耐久性，最为重要的一点为可代替结构胶使用，大大降低造价。

(2)本发明采用高强铝合金7075，强度可达600mpa以上，变形性能优异，极限变形为8％～10％，是一种高强延性金属材料，可在根本上解决近表面加固柱脆性破坏的问题。

(3)本发明选用特定的表面处理方式，对铝合金筋材表面进行粗糙度处理，能大幅度增加铝合金筋与加固材料之间的粘结力，使得铝合金筋能与混凝土柱共同工作得以实现，提高加固材料的利用率，增强加固效果。

(4)本发明中采用的高耐腐性加固材料(aa)和近表面加固法，可在室外环境、海洋环境等恶劣环境中很好的发挥其材料性能，加固筋亦可避免受到外界磨损、撞击和高温、火灾等意外作用，提升加固效果的耐久性；采用开槽加固，将加固筋埋于混凝土柱内，加固筋与混凝土粘结面积增大，减小了粘结剥离破坏的可能性，改善了加固筋和混凝土的粘结性能，尽量发挥加固筋的材料性能，达到良好的加固效果。

(5)本发明采用frp布环包近表面加固后的混凝土柱，彻底解决加固柱中加固筋发生剥离破坏的可能性，使得加固材料得以充分发挥，同时提高对混凝土的约束能力，提高混凝土柱的承载力。

(6)本发明提出将铝合金作为加固材料用于钢筋混凝土柱中，能显著提高加固柱的耗能能力和位移延性，能适应地震中混凝土柱的大变形要求，实现混凝土柱的位移控制；且改变了加固柱的破坏模式，达到保护人民财产安全的目标。

(7)本发明采用端部自锚的锚固形式，可充分利用铝合金高延性的材料特性。一方面可避免加固结构发生剥离破坏，改变混凝土柱的破坏模式，改善加固柱的延性；另一方面可以很大程度地减小frp布环包所需的大量表面处理工作。