一种基于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱加固方法
技术领域
本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种基于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱加固方法。
背景技术
钢管混凝土柱具有强度高、延性好、耐疲劳及耐冲击性好的特点，其外部钢管可对内部核心混凝土产生较强的约束作用，受压时混凝土处于三项受压状态，强度大幅提升。钢管可替代钢筋的作用，混凝土中无需再配筋。施工时，钢管可直接作为混凝土浇筑的模板，大大节约了施工成本和时间。此外，内部填充的核心混凝土可延缓钢管的局部鼓曲。基于以上优点，钢管混凝土柱在土木工程领域得到了广泛应用，如大跨度结构、超高层建筑、地下建筑、地铁车站、单层厂房等。
然而，目前我国大量现役钢管混凝土柱存在结构性能退化的问题，主要原因为化学腐蚀(氯离子锈蚀)、物理损伤(撞击)、水灾、火灾、地震等自然灾害导致，另外一部分构件存在设计或施工错误等不满足规范要求。上述问题均严重影响了结构的安全性和使用性，为此，需对受损的钢管混凝土柱进行加固。
常见的钢管混凝土柱加固方法有FRP加固法、增大截面加固法等。FRP加固法是采用碳纤维布、玻璃纤维布等轻质高强的材料，结合环氧树脂胶粘贴缠绕在柱表面，起到环向约束作用，提高被加固柱的承载力，但是该加固方法受制于环氧树脂胶较差的耐高温、抗火性能，环氧树脂胶的玻璃化转化温度一般在50-80℃，当环境温度超过玻璃化转化温度时，环氧树脂胶失效，FRP失去与钢管混凝土柱共同作用的基础，无法发挥其作用；增大截面加固法为在原柱外部再浇筑一层新的钢筋混凝土加固层，此方法可大幅度提升被加固柱的承载力，且施工简便，但其存在的缺点是扩大的截面面积较大，占用建筑面积。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱加固方法，耐高温，且施工简便，扩大的截面面积较小，不占用建筑面积。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱加固方法，包括：
步骤1、将第一加固件和第二加固件固定在方钢管混凝土柱的4个角上，所述第一加固件和所述第二加固件的长度与所述方钢管混凝土柱的长度一致，所述第一加固件包括一体成型的第一矩形钢板、第二矩形钢板和第一弧形钢板，所述第一矩形钢板和所述第二矩形钢板垂直设置并通过第一弧形钢板连接，第二加固件包括第三矩形钢板、第四矩形钢板和第二弧形钢板，所述第三弧形钢板和所述第四弧形钢板垂直设置并通过第二弧形钢板连接，所述第三弧形钢板的外侧面设有第一凸板，所述第一凸板上间隔一定距离均匀排布有若干个第一安装孔，所述第四弧形钢板的外侧面设有第二凸板，所述第二凸板上间隔一定距离均匀排布有若干个第二安装孔；
步骤2、将若干条钢绞线的一端分别穿入若干个所述第一安装孔且通过扣件固定，固定好后，若干条所述钢绞线环向缠绕在所述方钢管混凝土柱上且内侧与所述第一加固件接触，该若干条所述钢绞线的另一端分别通过卡扣固定在若干个所述第二安装孔上；
步骤3、通过拧紧卡扣的方式对每条所述钢绞线施加预应力；
步骤4、在所述方钢管混凝土柱表面喷射或涂抹高延性水泥基材料层，所述高延性水泥基材料层覆盖所述第一加固件、所述第二加固件及若干条所述钢绞线，填充间隙，完成加固，其中，所述高延性水泥基材料中各组分与水泥按重量比值为：
粉煤灰：0.5～3；
细砂：0.5～1.5；
硅灰：0～0.1；
水：0.5～2；
PVA纤维：0.02～0.1；
减水剂：0.005～0.02；
速凝剂：0.01～0.1。
优选地，所述高延性水泥基材料层的厚度为20～40mm。
优选地，所述第一加固件中，所述第一矩形钢板、第二矩形钢板和第一弧形钢板的厚度均大于3mm。
优选地，所述第二加固件中，所述第三矩形钢板、第四矩形钢板和第二弧形钢板的厚度均大于3mm。
优选地，所述卡扣包括圆孔螺栓和扣件，所述扣件安装在所述钢绞线的另一端，所述圆孔螺栓安装在所述第二安装孔上，所述圆孔螺栓与所述扣件扣合。
优选地，所述钢绞线的直径为4～18mm。
优选地，所述钢绞线的抗拉强度大于1200Mpa，极限拉应变为1.5％～3.5％。
优选地，相邻所述第一安装孔的间距为20～100mm，相应的，相邻所述第二安装孔的间距为20～100mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明所述的一种基于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱加固方法，采用第一加固件和第二加固件固定在方钢管混凝土柱的4个角上，第一加固件和第二加固件既大幅提升了结构的承载力，又可直接作为钢绞线的张拉锚固装置，其中，第一加固件包括一体成型的第一矩形钢板、第二矩形钢板和第一弧形钢板，第二加固件包括第三矩形钢板、第四矩形钢板和第二弧形钢板，第一弧形钢板和第二弧形钢板有利于钢绞线的约束，防止过于尖锐对钢绞线进行摩擦。
2.本发明所述的一种基于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱加固方法，对钢绞线施加环向预应力，能够显著约束结构的横向变形，抑制方钢管鼓曲，此外，其对第一加固件和第二加固件的约束作用，使第一加固件和第二加固件牢牢固定在柱上，起到自锁的功能，即第一加固件和第二加固件在安装时不需要额外的锚固措施。
3.本发明所述的一种基于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱加固方法，采用高延性水泥基材料层覆盖第一加固件和第二加固件及钢绞线网，填充间隙，完成加固，高延性水泥基材料延性高于钢绞线，与钢绞线结合具备良好的适配性，其具有明显的有抗裂效果，防渗水性以及抗氯离子渗透性能好，可防止钢管锈蚀；耐高温性好，可提升结构整体的耐火耐高温性能。
附图说明
图1为本发明方钢管混凝土柱加固后的结构示意图。
图2为本发明第一加固件的截面图。
图3为本发明第二加固件的截面图。
图4为本发明实施方法的流程图。
其中：1、方钢管混凝土柱；2、第一加固件；21、第一矩形钢板；22、第二矩形钢板；23、第一弧形钢板；3、第二加固件；31、第三矩形钢板；32、第四矩形钢板；33、第二弧形钢板；34、第一凸板；35、第二凸板；4、钢绞线；5、高延性水泥基材料层；6、扣件；7、卡扣；71、圆孔螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本申请实施例通过提供一种于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱1加固方法，解决了现有技术中对方钢管混凝土柱1采用FRP加固法或增大截面加固法进行加固，不耐高温，扩大的截面面积较大，占用建筑面积。
本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：
参照图1-图4所示，一种基于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱加固方法，包括：
步骤1、将第一加固件2和第二加固件3固定在方钢管混凝土柱1的4个角上，第一加固件2和第二加固件3的长度与方钢管混凝土柱1的长度一致，第一加固件2包括一体成型的第一矩形钢板21、第二矩形钢板22和第一弧形钢板23，第一矩形钢板21和第二矩形钢板22垂直设置并通过第一弧形钢板23连接，使得第一加固件2呈L形，第二加固件3包括第三矩形钢板31、第四矩形钢板32和第二弧形钢板33，第三矩形钢板31和第四矩形钢板32垂直设置并通过第二弧形钢板33连接，使得第二加固件3呈L形，第三矩形钢板31的外侧面设有第一凸板34，第一凸板34上间隔一定距离均匀排布有若干个第一安装孔，第四矩形钢板32的外侧面设有第二凸板35，第二凸板35上间隔一定距离均匀排布有若干个第二安装孔；
步骤2、将若干条钢绞线4的一端分别穿入若干个第一安装孔且通过扣件6固定，固定好后，若干条钢绞线4环向缠绕在方钢管混凝土柱1上且内侧与第一加固件2接触，该若干条钢绞线4的另一端分别通过卡扣7固定在若干个第二安装孔上，形成钢绞线网；
步骤3、对每条钢绞线4施加预应力；
步骤4、在方钢管混凝土柱1表面喷射或涂抹高延性水泥基材料层5，高延性水泥基材料层5覆盖第一加固件2、第二加固件3及若干条钢绞线4，填充间隙，完成加固，其中，高延性水泥基材料中各组分与水泥按重量比值为：
粉煤灰：0.5～3；
细砂：0.5～1.5；
硅灰：0～0.1；
水：0.5～2；
PVA纤维：0.02～0.1；
减水剂：0.005～0.02；
速凝剂：0.01～0.1。
在本基于高延性水泥基材料的方钢管混凝土柱加固方法中，将第一加固件2和第二加固件3固定在方钢管混凝土柱1的四个角上，然后沿方钢管混凝土柱1环向缠绕钢绞线4，钢绞线4搭在第一加固件2上，与方钢管混凝土柱1表面有一定间隙，钢绞线4两端固定在第二加固件3上，用于张拉锚固，所有钢绞线4自上而下按一定间距均匀排布缠绕并固定形成钢绞线网后，对其施加预应力，最后在方钢管混凝土柱1表面喷射或涂抹高延性水泥基材料，覆盖第一加固件2和第二加固件3及钢绞线网，填充间隙，完成加固。
该方法中，第一加固件2和第二加固件3既大幅提升了结构的承载力，又可直接作为钢绞线4的张拉锚固装置，第一弧形钢板23和第二弧形钢板33有利于钢绞线4的约束，防止过于尖锐对钢绞线4进行摩擦；钢绞线网具有轻质高强的特点，在施加预应力后，可对方钢管混凝土柱1产生较大的约束作用，抑制方钢管的鼓曲，提升方钢管混凝土柱1的承载力，此外，钢绞线网对第一加固件2和第二加固件3的约束作用，使第一加固件2和第二加固件3牢牢固定在柱上，起到自锁的功能，即第一加固件2和第二加固件3在安装时不需要额外的锚固措施。高延性水泥基材料采用水泥、粉煤灰、细砂、硅灰、水、PVA纤维、减水剂、速凝剂等搅拌而成，其掺入的纤维体积含量不超过2％，极限拉应变能力达到3％以上，极限裂缝宽度控制在100μm以内，具备良好的抗裂抗渗、抗火、抗冻性能。高延性水泥基材料由于具备延性好的特点，其延伸率大于钢绞线4的延伸率，可与钢绞线网、方钢管混凝土柱1共同受力，不会提前开裂，不会产生剥离破坏。此外，该加固层可有效防止水和氯离子的侵入，有效抑制了钢管的锈蚀，同时也提升了加固柱的抗火性能。
在上述步骤1中，第一加固件2中，第一矩形钢板21、第二矩形钢板22和第一弧形钢板23的厚度均大于3mm。第二加固件3中，第三矩形钢板31、第四矩形钢板32和第二弧形钢板33的厚度均大于3mm。可以根据实际需要增大第一加固件2和第二加固件3的厚度，以提升第一加固件2和第二加固件3的承载能力。
在上述步骤1中，相邻第一安装孔的间距为20～100mm，相应的，相邻第二安装孔的间距为20～100mm。进而使得步骤2中，钢绞线网中，相邻钢绞线4的间距为20～100mm，防止间距过小导致施工困难，高延性水泥基材料层5喷射时容易被钢绞线网堵塞，造成加固层不密实；防止间距过大无法充分发挥钢绞线4的约束效果。
在上述步骤1中，钢绞线对于第一加固件2和第二加固件3具有自锁功能：对钢绞线施加预应力后，钢绞线可将第一加固件2和第二加固件3约束在方钢管混凝土柱1的柱角，例如，因此，第一加固件2和第二加固件3在安装时只需简单地固定在方钢管混凝土柱1上，不需考虑锚固措施，第一加固件2和第二加固件3通过焊接或螺栓连接的方式固定在方钢管混凝土柱1上。
在上述步骤2中，卡扣7包括圆孔螺栓71和扣件6，扣件6安装在钢绞线4的另一端，圆孔螺栓71安装在第二安装孔上，圆孔螺栓71与扣件6扣合。通过圆孔螺栓71，可以调整钢绞线4的位置，使钢绞线4对方钢管混凝土柱1产生较大的约束能力。
在上述步骤2中，钢绞线4的直径为4～18mm。钢绞线4采用高强钢绞线4，钢绞线4的抗拉强度大于1200Mpa，极限拉应变为1.5％～3.5％。由于高强钢绞线4一般强度较高，在强度越高的情况下可减小钢绞线4直径，减轻重量，方便运输和施工，因此，本发明实施例中，可采用高强钢绞线4代替普通钢绞线4，实现钢绞线网对方钢管混凝土柱1的约束。
在上述步骤4中，使本高延性水泥基材料层5的厚度为20～40mm，防止高延性水泥基材料层5小于此厚度时，无法完全覆盖钢绞线网，且对内部结构防腐蚀效果减弱；防止高延性水泥基材料层5大于此厚度会增加建筑面积，降低经济效益。
下面通过3个实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1：
第一加固件2和第二加固件3的厚度为4mm，其中，第一矩形钢板21、第二矩形钢板22、第三矩形钢板31和第四矩形钢板32的边长为30mm。钢绞线4采用高强钢绞线4，钢绞线4的直径为6mm，抗拉强度为1860MPa，极限拉应变为2％，钢绞线网中相邻钢绞线4的间距为30mm，钢绞线4预应力水平为30％，通过拧紧端部圆孔螺栓71的方式施加预应力。高延性水泥基材料由水泥、粉煤灰、细砂、硅灰、水、PVA纤维、减水剂、速凝剂等拌和而成，相应比重为水泥：粉煤灰：细砂：硅灰：水：PVA纤维：减水剂：速凝剂＝1：2：1.2：0.05：0.9：0.05：0.01：0.01。高延性水泥基复合材料层的厚度为25mm，其抗拉强度为5MPa，抗压强度为40MPa，极限拉应变为3.5％。
实施例2：
第一加固件2和第二加固件3的厚度为5mm，其中，第一矩形钢板21、第二矩形钢板22、第三矩形钢板31和第四矩形钢板32的边长为36mm。钢绞线4采用高强钢绞线4，钢绞线4的直径为8mm，抗拉强度为1770MPa，极限拉应变为2.5％，钢绞线网中相邻钢绞线4的间距为50mm，钢绞线4预应力水平为30％，通过拧紧端部圆孔螺栓71的方式施加预应力。高延性水泥基材料由水泥、粉煤灰、细砂、硅灰、水、PVA纤维、减水剂、速凝剂等拌和而成，相应比重为水泥：粉煤灰：细砂：硅灰：水：PVA纤维：减水剂：速凝剂＝1：0.8：1.2：0.02：0.5：0.04：0.008：0.01。高延性水泥基复合材料层的厚度为35mm，其抗拉强度为5MPa，抗压强度为60MPa，极限拉应变为3％。
实施例3：
第一加固件2和第二加固件3的厚度为5mm，其中，第一矩形钢板21、第二矩形钢板22、第三矩形钢板31和第四矩形钢板32的边长为50mm。钢绞线4采用高强钢绞线4，钢绞线4的直径为15.2mm，抗拉强度为2100MPa，极限拉应变为3％，钢绞线网中钢绞线4的间距为50mm，钢绞线4预应力水平为30％，通过拧紧端部圆孔螺栓71的方式施加预应力。高延性水泥基复合由水泥、粉煤灰、细砂、硅灰、水、PVA纤维、减水剂、速凝剂等拌和而成，相应比重为水泥：粉煤灰：细砂：硅灰：水：PVA纤维：减水剂：速凝剂＝1：3：1.4：0.02：1.1：0.08：0.015：0.01。高延性水泥基复合材料层的厚度为40mm，其抗拉强度为5MPa，抗压强度为50MPa，极限拉应变为4％。
在上述实施例中，将3个第一加固件2和1个第二加固件3固定在方钢管混凝土柱1的4个角上，可以根据实际需要选择相应数量的第一加固件2和第二加固件3固定在方钢管混凝土柱1的4个角上，但第二加固件3的数量至少有一个，通过第二加固件3锚固钢绞线4。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
