一种建筑钢结构的加固改造结构及方法与流程

本发明涉及钢结构建筑加固改造技术领域，具体涉及一种建筑钢结构的加固改造结构及方法。

背景技术：

20世纪80年代开始，我国兴建了一批钢结构工业建筑、公共建筑及民用建筑。经调查发现，即将进入服役期的既有钢结构建筑大都出现了不同程度的损坏，严重影响了既有钢结构建筑的安全性和正常使用性，同时由于升级改造方法不当，出现了倒塌等重大安全事故。因此，研究如何对既有钢结构建筑进行加固改造，是亟待解决的技术难题。

由于钢结构具有焊接方便的特点，目前常常采用增大截面法进行焊接加固。公开号为cn109779277a的中国发明专利公开了一种钢结构厂房增大截面法焊接加固施工方法，先根据钢结构厂房上被加固构件的分布分段预制t型钢，然后将t型钢吊运至对应的被加固构件的翼缘外侧并在t型钢沿线设置u型卡，u型卡一端贴在被加固构件的翼缘内侧、另一端与t型钢的翼缘外侧存在间隙，然后在间隙内放入楔体并锤击楔体，使得u型卡将被加固构件的翼缘外侧与t型钢的腹板端面贴紧，最后将t型钢的腹板端部两侧与被加固构件的翼缘外侧焊接固定。该方法采用高空原位加固，通过u型卡和楔体实现了加固件和被加固构件的顶紧。但是这种焊接加固的方法存在很多缺陷：

其一、采用焊接加固对原钢结构损伤大，焊接时将大幅提升原有钢结构构件的局部温度，降低钢构件承载力，进而引起结构整体承载力破坏或构件失稳破坏，安全性较低；

其二、钢结构焊接的工作量大、操作面小、加固周期长；

其三、该加固方法仅适用于宽翼缘型钢的加固，不适于窄翼缘型钢、圆管及箱形等构件的加固；

其四、加固现场需要使用大型的吊车设备，增加加固改造的成本；

其五、该加固方法现场拼装难度大，安装精度、焊接质量等问题难以保证。

现有技术中还有利用外包钢筋混凝土对钢结构进行加固的方法，例如公告号为cn208415984u的中国专利公开了一种钢柱外包钢筋混凝土加固结构，包括既有钢柱、箍筋、纵筋、混凝土柱。所述既有钢柱为钢结构的矩形柱。所述纵筋为矗立在既有钢柱四角的钢结构钢筋。所述箍筋为通过铁丝连接在纵筋表面的钢结构钢筋，与纵筋形成一个长方体结构的钢筋网框架。所述混凝土柱为水泥砂浆灌注在箍筋和纵筋通过铁丝连接所组成的钢筋网框架上而成。这种钢柱外包混凝土加固结构，能在不破坏原结构的情况下，提高钢柱外包钢筋混凝土结构建筑抗压承载力。

但是，在混凝土浇筑时，需支拆模板，所需加固周期长；而且采用封闭式箍筋，受到钢柱外伸牛腿的限制，增加了箍筋穿入原钢柱的施工难度。因此，需要设计一种对原钢结构扰动小、加固方法采用支承装置少、施工难度低、可实施性强的建筑钢结构的加固改造结构及方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种建筑钢结构的加固改造结构及方法，以解决现有钢结构加固方法存在的对原钢结构扰动大或采用支承装置多，施工难度大，可实施性差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提出了一种建筑钢结构的加固改造结构，包括：

钢柱，为原钢结构的既有钢柱；

u型加固部件，包括具有侧边敞口的u型钢筋笼和连接在所述u型钢筋笼外侧的外定型模板；所述外定型模板的侧边敞口与所述u型钢筋笼的侧边敞口对应设置；所述钢柱可自所述u型钢筋笼的侧边敞口伸进所述u型钢筋笼的内部空腔中；

补装钢筋网架，包括连接于所述u型钢筋笼的侧边敞口处、并与所述u型钢筋笼配合形成闭合的柱形钢筋笼的后补钢筋网架，以及连接于所述外定型模板的侧边敞口处、并与所述外定型模板形成封闭浇筑模板的封板；

混凝土柱，浇筑成型于所述钢柱、所述柱形钢筋笼和所述浇筑模板之间的柱形空间中。

进一步地，所述后补钢筋网架包括矗立在所述u型钢筋笼设有侧边敞口的一侧边上的多根后补纵向钢筋、以及用于连接多根后补纵向钢筋的后补箍筋；所述后补箍筋的两端焊接固定于所述u型钢筋笼。

另一方面，本发明提出了一种建筑钢结构的加固改造方法，包括以下步骤：

1)预制u型加固部件：采用多根纵向钢筋和u型箍筋制作具有侧边敞口的u型钢筋笼，在u型钢筋笼的外侧连接整体呈u型的外定型模板，所述外定型模板的侧边敞口与所述u型钢筋笼的侧边敞口对应设置；

2)安装u型加固部件：推动u型加固部件，使钢结构的钢柱自所述u型加固部件的侧边敞口进入所述u型钢筋笼的内部空腔中；

3)补装纵向钢筋和箍筋：在u型钢筋笼具有侧边敞口的一侧补装纵向钢筋和箍筋，并将箍筋固定在u型箍筋上，补装的纵向钢筋和箍筋封堵所述u型加固部件的侧边敞口；

4)安装封板：在补装的纵向钢筋和箍筋的外侧安装封板，使封板与呈u型的外定型模板形成整体的浇筑模板；

5)浇筑混凝土：向浇筑模板内浇筑混凝土，对混凝土进行养护使浇筑的混凝土硬化。

进一步地，在所述预制u型加固部件的步骤中，所述u型加固部件在工厂预制成型，然后运输至施工现场。

进一步地，在所述预制u型加固部件的步骤中，所述纵向钢筋和所述u型箍筋通过钢丝连接，所述u型钢筋笼通过角部的连接钢板或角钢连接所述外定型模板。

进一步地，在所述安装u型加固部件的步骤之后，还包括：对u型加固部件进行定位和临时支撑。

进一步地，在所述补装纵向钢筋和箍筋的步骤中，补装箍筋的两端分别通过焊接与u型箍筋固定连接。

进一步地，在所述安装封板的步骤中，所述封板和所述外定型模板的连接部位通过纵向间隔设置的自攻螺钉固定连接，以形成稳固的浇筑模板。

进一步地，所述浇筑模板上设有浇筑口，混凝土经过所述浇筑口进入所述浇筑模板的内部。

进一步地，所述外定型模板和所述封板均采用镀锌钢板。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的建筑钢结构的加固改造结构，采用外包钢筋混凝土对原钢结构的钢柱进行加固的结构形式，可以很好提高钢柱的抗压承载力；整个加固过程无需在原钢结构的钢柱上进行焊接操作，也无需在原钢结构的钢柱上打孔，加固过程中对原钢结构造成的扰动小，避免了现有建筑钢结构改造时因受到扰动而发生失稳的问题；另一方面，由于加固结构的钢筋网架结构由具有侧边敞口的u型钢筋笼和后补钢筋网架组成，可以不受钢柱外伸牛腿的限制，大大降低了将柱形钢筋笼安装在钢柱上的施工难度，可实施性强。

2.本发明提供的建筑钢结构的加固改造结构，由后补纵向钢筋和后补箍筋组成的后补钢筋网架，可以根据钢柱长度以及钢柱上是否有外伸牛腿及外伸牛腿在钢柱上的位置及大小，选择后补纵向钢筋的长度，两端后补纵向钢筋之间可以形成供钢柱上外伸牛腿向外伸出的空间，从而可以不受钢柱外伸牛腿的限制；而且推动u型加固部件，钢结构的钢柱可以自u型加固部件的侧边敞口进入u型钢筋笼的内部空腔中，然后补装后补钢筋网架，即可形成闭合的柱形钢筋笼围绕在钢柱的外周，加固过程无需使用大型吊装设备，降低了在钢柱上加装柱形钢筋笼的施工难度，减少了加固改造成本和改造周期。

3.本发明提供的建筑钢结构的加固改造方法，采用外包钢筋混凝土的方式对原钢结构的钢柱进行加固，整个加固过程无需在原钢结构的钢柱上进行焊接操作，也无需在原钢结构的钢柱上打孔，加固过程中对原钢结构造成的扰动小，避免了现有建筑钢结构改造时因受到扰动而发生失稳的问题；另一方面，加固过程中需要采取的现场支承措施少，加固改造施工难度低，可实施性强，改造过程中无需使用大型吊装设备，改造成本低，改造周期短。

4.本发明提供的建筑钢结构的加固改造方法，u型加固部件采用工厂预制成型，然后运输至施工现场的方式，可以克服加固改造施工现场场地小，材料堆积的难题。

5.本发明提供的建筑钢结构的加固改造方法，适用面广，可适应于窄翼缘型钢柱、宽翼缘型钢柱、箱型柱等多种形式钢柱的加固改造场景中，可以用于各种工业建筑、民用建筑的改造升级，助力城市更新和旧工业区的升级改造。

6.本发明提供的建筑钢结构的加固改造方法，由外定型模板和封板通过自攻螺钉固定而成的浇筑模板体系，结构稳定性高；且外定型模板和封板均由镀锌钢板制成，可以作为建筑钢柱的永久装饰面，加固改造后无需对加固结构进行额外的装饰施工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的建筑原钢结构的钢柱进行加固改造后的截面图；

图2为本发明实施例中预制得到的u型加固部件的截面图；

图3为图2中u型加固部件安装在钢柱外并补装纵向钢筋和箍筋后的截面图；

图4为图3中u型加固部件补装纵向钢筋和箍筋、并安装好封板形成浇筑模板后的截面图；

图5为图4中建筑原钢结构的钢柱外周形成浇筑模板进行混凝土浇筑后截面图；

图6为本发明实施例提供的建筑原钢结构完成加固并进行功能改造后的整体结构示意图。

附图标记说明：1、原钢结构；2、钢柱；3、新增钢梁；4、新增钢柱；5、纵向钢筋；6、u型箍筋；7、连接钢板；8、外定型模板；9、后补纵向钢筋；10、后补箍筋；11、封板；12、自攻螺钉；13、混凝土柱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1－5所示的一种建筑钢结构的加固改造结构，包括钢柱2、u型加固部件、补装钢筋网架和混凝土柱13。其中，钢柱2为原钢结构1的既有钢柱2。u型加固部件包括具有侧边敞口的u型钢筋笼和连接在u型钢筋笼外侧的外定型模板8；外定型模板8的侧边敞口与u型钢筋笼的侧边敞口对应设置；钢柱2可自u型钢筋笼的侧边敞口伸进u型钢筋笼的内部空腔中。补装钢筋网架包括连接于u型钢筋笼的侧边敞口处、并与u型钢筋笼配合形成闭合的柱形钢筋笼的后补钢筋网架，以及连接于外定型模板8的侧边敞口处、并与外定型模板8形成封闭浇筑模板的封板11。混凝土柱13浇筑成型于钢柱2、柱形钢筋笼和浇筑模板之间的柱形空间中。

这种由柱形钢筋笼、浇筑模板和混凝土柱13组成的外包钢筋混凝土加固结构，可以提高钢柱2的抗压承载力，而且加固过程中无需在钢柱2上进行焊接或打孔操作，对原钢结构1造成的扰动小，避免了现有建筑钢结构改造时因受到扰动而发生失稳的问题；而且柱形钢筋笼由具有侧边敞口的u型钢筋笼和后补钢筋网架组成，可以不受钢柱2外伸牛腿的限制，降低了加固结构的施工难度，可实施性强，适用面广。

在本实施例中，u型钢筋笼包括多根矗立在钢柱2外周的纵向钢筋5和通过铁丝连接在多根纵向钢筋5外周的u型箍筋6；u型箍筋6对应u型钢筋笼的侧边敞口的两个端部绕纵向钢筋5弯向u型钢筋笼的内部空腔中。这种u型钢筋笼结构简单，制作方便，可以在工厂预制成型，然后运输至现场进行安装，在u型钢筋笼浇筑混凝土后可以很好的增大钢柱2的抗承载能力。

在本实施例的一种具体实施方式中，钢柱2为工字型钢柱，u型钢筋笼相对设有侧边敞口的一条侧边的宽度小于u型钢筋笼另外两相对侧边的长度，且u型钢筋笼的长侧边上相邻两根纵向钢筋5之间的间隔大于其短侧边上相邻两根纵向钢筋5之间的间隔。这种结构的u型钢筋笼可以确保其整体的结构强度满足工字型钢柱2的加固要求；在其它实施方式中，u型钢筋笼侧边上相邻两根纵向钢筋5之间的间隙的大小关系可以根据被加固钢柱2的型号类型进行适应性调整。

在本实施例中，后补钢筋网架包括矗立在u型钢筋笼设有侧边敞口的一侧边上的多根后补纵向钢筋9、以及用于连接多根后补纵向钢筋9的后补箍筋10；后补箍筋10的两端焊接固定于u型箍筋6。由后补纵向钢筋9和后补箍筋10组成的后补钢筋网架，可以根据钢柱2长度以及钢柱2上是否有外伸牛腿及外伸牛腿在钢柱2上的位置及大小，选择后补纵向钢筋9的长度，两端后补纵向钢筋9之间可以形成供钢柱2上外伸牛腿向外伸出的空间，从而可以不受钢柱2外伸牛腿的限制；而且推动u型加固部件，原钢结构1的钢柱2可以自u型加固部件的侧边敞口进入u型钢筋笼的内部空腔中，然后补装后补钢筋网架，即可形成闭合的柱形钢筋笼围绕在钢柱2的外周，加固过程无需使用大型吊装设备，降低了在钢柱2上加装柱形钢筋笼的施工难度，减少了加固改造成本和改造周期。

在本实施例中，外定型模板8的四角分别通过连接钢板7或角钢连接于u型钢筋笼的四角。外定型模板8和封板11均为镀锌钢板。封板11和外定型模板8的连接部位通过纵向间隔设置的自攻螺钉12固定连接。当加固后钢柱截面长边尺寸大于600mm时，外定型模板和封板形成的浇筑模板外周套设有纵向间隔布设的若干套箍。具体的，若干套箍沿高度方向每隔500mm设置一个，用于防止混凝土浇筑时浇筑模板发生胀裂。

本发明实施例还提供了一种建筑钢结构的加固改造方法，包括以下步骤：

步骤1)预制u型加固部件：采用多根纵向钢筋5和u型箍筋6制作具有侧边敞口的u型钢筋笼，在u型钢筋笼的外侧连接整体呈u型的外定型模板8，外定型模板8的侧边敞口与u型钢筋笼的侧边敞口对应设置；

步骤2)安装u型加固部件：推动u型加固部件，使钢结构的钢柱2自u型加固部件的侧边敞口进入u型钢筋笼的内部空腔中；

步骤3)补装纵向钢筋和箍筋：在u型钢筋笼具有侧边敞口的一侧补装后补纵向钢筋9和后补箍筋10，并将后补箍筋10固定在u型箍筋6上，后补纵向钢筋9和后补箍筋10封堵u型加固部件的侧边敞口；

步骤4)安装封板：在后补纵向钢筋9和后补箍筋10的外侧安装封板11，使封板11与呈u型的外定型模板8形成整体的浇筑模板；

步骤5)浇筑混凝土：向浇筑模板内浇筑混凝土，对混凝土进行养护使浇筑的混凝土硬化。

这种建筑钢结构的加固改造方法，先预制由u型钢筋笼和外定型模板8组成的u型加固部件，且u型钢筋笼和外定型模板8的同一侧均开设有侧边敞口，然后推动u型加固部件，使原钢结构1的钢柱2自u型加固部件的侧边敞口进入u型钢筋笼的内部空腔中；接着在u型钢筋笼具有侧边敞口的一侧安装后补纵向钢筋9和后补箍筋10，使u型钢筋笼形成一个四周完全闭合的钢筋笼结构，再接着在外定型模板8具有侧边敞口的一侧安装封板11，使封板11和外定型模板8形成四周完成闭合的浇筑模板体系；最后向浇筑模板内浇筑混凝土，对混凝土进行养护使浇筑的混凝土硬化，采用外包钢筋混凝土的方式实现对钢柱2的加固，整个加固过程无需在原钢结构1的钢柱2上进行焊接，也无需在原钢结构1的钢柱2上打孔，加固过程中对原钢结构1造成的扰动小，避免了现有建筑钢结构改造时因受到扰动而发生失稳的问题；而且，加固过程中需要采取的支承措施少，加固改造施工难度低，可实施性强，改造过程中无需使用大型吊装设备，改造成本低，改造周期短。另外，这种加固改造方法，适用面广，可适应于窄翼缘型钢柱、宽翼缘型钢柱、箱型柱等多种形式钢柱的加固改造场景中。

具体的，在预制u型加固部件的步骤中，u型加固部件在工厂预制成型，然后运输至施工现场；这种工厂预制的方式，可以克服加固改造施工现场场地小，材料堆积的难题。

具体的，在预制u型加固部件的步骤中，纵向钢筋5和u型箍筋6通过钢丝连接，多根纵向钢筋5均连接在u型箍筋6的内侧。u型钢筋笼通过角部的连接钢板7或角钢实现与外定型模板8的连接。

在本实施例的一种具体实施方式中，当原钢结构1中钢柱2为工字型钢时，u型钢筋笼的截面为与工字型钢外形相配的长方形，u型钢筋笼相对设有侧边敞口的一侧边的宽度小于u型钢筋笼另外两相对侧边的长度，且u型钢筋笼相对设有侧边敞口的一侧边上相邻两根纵向钢筋5的间隔小于u型钢筋笼另外两相对侧边上相邻两个纵向钢筋5的间隙，同一侧边上的多根纵向钢筋5均匀间隔布置。这种结构的u型钢筋笼可以确保其整体的结构强度满足加固要求。

具体的，在安装u型加固部件的步骤之后，还包括对u型加固部件进行定位和临时支撑。为确保u型加固部件可以安装在原钢结构1的钢柱2外周的精确位置上，并减少u型加固部件的晃动，在u型加固部件的长度偏长时，或者说，u型加固部件的长度和其截面宽度的比值比较大时，u型加固部件安装在钢柱2外并立在地面后难以保持稳定，这种情况下，可以采用辅助定位和支承装置对u型加固部件进行支撑，以确保u型加固部件后续补装呈浇筑模板后进行混凝土浇筑时的稳定性，同时也有利于确保钢柱2各个侧边被加固钢筋混凝土结构厚度的一致性。

具体的，在补装纵向钢筋和箍筋的步骤中，后补箍筋10的两端分别通过焊接与u型箍筋6固定连接。u型钢筋笼在安装后补纵向钢筋9和后补箍筋10后形成钢筋笼结构中，纵向钢筋采用统一的大小型号的纵向钢筋，方形钢筋笼结构中相对两侧上相邻两根纵向钢筋之间的间隙相同，以确保钢筋笼结构各处承载能力的一致性和加固质量。

具体的，封板11两端具有向外定型模板8外侧延伸的延伸边，在安装封板11的步骤中，封板11两端的延伸边挡在外定型模板8相对两侧边的外侧壁上，延伸边和外定型模板8的重叠部位通过纵向间隔设置的自攻螺钉12固定连接，可以形成稳固的浇筑模板。优选的，自攻螺钉12每间隔200mm喷射一根。

具体的，由封板11和外定型模板8组成的浇筑模板上设有浇筑口，混凝土可以经过浇筑口进入浇筑模板的内部，混凝土硬化后形成混凝土柱13将钢柱2、方形钢筋笼和浇筑模板形成稳定的钢筋混凝土加固结构。外定型模板8和封板11均采用外表面具有良好光泽的镀锌钢板，镀锌钢板可以作为钢柱2的永久装饰面，加固改造后无需对加固结构进行额外的装饰施工。

如图6所示，在本实施例的一些实施方式中，当建筑原钢结构1相对两侧的钢柱2都完成加固后，还需要对建筑原钢结构1的功能进行改造时，在浇筑混凝土的步骤之后，还包括：

步骤6)建筑结构改造：在原钢结构1相对设置的两条钢柱2外周的浇筑模板上之间安装新增钢梁3，在新增钢梁3和地面之间安装新增钢柱42。新增钢梁3具体可以为钢梁或钢筋桁架梁。新增钢梁3和新增钢柱42可以对原钢结构1的内部空间进行改造，扩展原钢结构建筑的用途。

综上所述，本发明实施例提供的建筑钢结构的加固改造方法及结构，采用外包钢筋混凝土的方式实现对钢柱2的加固，整个加固过程无需在原钢结构1的钢柱2上进行焊接，也无需在原钢结构1的钢柱2上打孔，加固过程中对原钢结构1造成的扰动小，避免了现有建筑钢结构改造时因受到扰动而发生失稳的问题；而且，加固过程中需要采取的支承措施少，加固改造施工难度低，可实施性强，改造过程中无需使用大型吊装设备，改造成本低，改造周期短。另外，这种加固改造方法，适用面广，可适应于窄翼缘型钢柱、宽翼缘型钢柱、箱型柱等多种工业建筑和民用建筑的加固改造场景中。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。