本發(fā)明公開了一種混凝土圓柱加固方法，特別是指一種雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，屬于混凝土施工方法技術領域。

背景技術：

鋼筋混凝土結構是目前工程實踐中應用最為廣泛的結構形式。由于施工質(zhì)量差、建筑物使用功能改變、結構超載、暴露于惡劣環(huán)境等原因，有許多鋼筋混凝土結構要進行加固補強。鋼筋混凝土柱的加固方法包括：

增大截面加固法：

又稱為外包混凝土加固法,是采用增大構件或建筑物的截面和配筋,以提高其強度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性來滿足構件正常使用要求的一種加固形式。增大截面加固法有四周外包、單面加厚和雙面加厚等加固形式。外包的混凝土常采用支模澆搗,目前也常采用噴射混凝土法。噴射混凝土法工藝簡單,施工方便,特別適用于復雜形狀柱的表面。增大截面法對混凝土柱加固施工時,原柱已存在一定的壓縮變形,而且收縮和徐變已然存在,因此，新加部分的應力應變必然滯后于原柱的應力應變,導致新舊柱不能同時達到應力峰值，若外載應力超過舊有混凝土柱的強度，舊有混凝土就會開裂破壞，新加固的混凝土也會隨之破壞，加固就會失敗。在新舊混凝土的結合面粘結可靠的前提下,新舊混凝土的應變增量會基本一致，但對于軸心受壓柱,新舊混凝土之間存在著明顯的應力重分布，導致新混凝土的受力滯后。

螺旋筋約束柱法：

其做法是用鋼筋連續(xù)纏繞在混凝土柱體上成螺旋狀,然后用高強度等級細石混凝土填塞、灌滿,密實柱與螺旋筋之間的空隙,并將螺旋筋表面抹平,再用一定厚度的水泥砂漿抹光作為保護層。采用螺旋筋約束柱法可以提高混凝土柱的強度等級,從而達到加固柱子的目的。此法與加大截面法無明顯的差異，螺旋筋由于是后加的，其受力存在滯后現(xiàn)象。

外包鋼加固法：

是指在混凝土(方)柱的四角或兩面包型鋼的一種加固方法，分為干式外包鋼與濕式外包鋼兩種形式。干式外包鋼即將型鋼直接外包于原柱上或在柱體與型鋼之間填塞有水泥砂漿但無法保證結合面剪力的有效傳遞。濕式外包鋼則采用在型鋼和原柱間保留一定的縫隙,并在其中澆灌乳膠水泥砂漿或環(huán)氧砂漿使兩者粘結在一起的方法進行加固?，F(xiàn)多采用濕式外包鋼的方式進行鋼筋混凝土柱的加固。使用濕式外包鋼加固混凝土柱,除了其外包鋼與加固的舊混凝土柱能整體受力共同工作提高柱承載力外,外包鋼柱形成整體的緊箍,對原混凝土起到部分約束作用,提高原混凝土抗壓強度,也可以提高柱的承載力。外包鋼加固法可顯著提高加固柱的承載力,但其對混凝土橫向變形約束不夠，導致舊有混凝土的變形過大。

纖維增強聚合物加固法：

用聚合物纖維布對鋼筋混凝土柱進行橫向包裹的一種加固方法。聚合物纖維布對混凝土的約束作用與箍筋的約束作用類似,可使其包裹的混凝土處于三向受壓狀態(tài)下。聚合物纖維布的約束作用是一種被動約束,隨著混凝土軸向力的增長,橫向膨脹使聚合物纖維布產(chǎn)生環(huán)向伸長,從而達到側向約束混凝土的目的。加固柱的內(nèi)核芯混凝土受到箍筋與外包聚合物纖維布的雙重約束作用,在混凝土達到峰值應力時仍有較好的變形性能。橫向包裹聚合物纖維布加固混凝土柱可較大地提高柱的延性,但由于聚合物纖維布是一種各項異性的材料,其纖維方向的強度與彈模遠大于其垂直纖維方向的強度與彈模,故其對加固柱的極限承載力提高幅度不大。

軸向預應力撐桿加固：

預應力撐桿加固法就是在混凝土柱子的一側或兩側用長于柱子的型鋼對柱子施加預頂升力,從而對混凝土柱子進行加固的方法。軸向撐桿的架設分擔了原有混凝土柱子的部分受力，使原有混凝土柱部分卸載，存在的問題是新舊兩部分受力不同步，預應力撐桿過長或受力過大還要對其實施橫向加固，以確保其橫向穩(wěn)定性。

軸向預應力拉桿加固：

預應力拉桿加固方法是主要針對大偏心受壓混凝土柱,在受拉區(qū)設置拉桿,以提高混凝土柱承載能力的一種加固方法。該方法存在的明顯不足是，預應力拉桿加大了混凝土柱受壓部分的壓力，外置拉桿與混凝土柱中原有受拉鋼筋的受力不同步，有可能出現(xiàn)梯次破壞。

橫向預應力加固法：

施加環(huán)向預應力在作者申請的“預壓應力鋼護筒并植筋擴大斷面加固混凝土柱法”專利中已有提及，該發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，其突出優(yōu)點為：不損壞原有混凝土柱的結構，不降低混凝土柱的承載力；對原有混凝土柱施加適當環(huán)向預應力，確保了原有結構和加固結構層受力同步，使原有混凝土的受力由兩向應力狀態(tài)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)；既提高了柱的強度又提高了混凝土柱的剛度，確保了二者的協(xié)同工作。但其缺陷也不少：

①要實施加固的混凝土柱屬于二次受力結構，加固前混凝土已處于受力狀態(tài)，后加部分預應力半圓鋼護筒的預應力只能在某一個受力狀態(tài)下使混凝土柱內(nèi)混凝土處于真的三向等壓狀態(tài)，即：預應力鋼護筒包括原柱內(nèi)的箍筋給混凝土的水平圍壓與原柱內(nèi)混凝土的豎向分力相等，當荷載繼續(xù)增加時這個平衡被打破；

②兩片半圓鋼護筒與被加固柱的長度相等，鋼護筒的制作加工、運輸和現(xiàn)場安裝存在困難；

③兩片半圓鋼護筒通過法蘭施加預應力，對混凝土承載力的提高能力有限，與原柱相比其承載力提高幅度105.6％，加固后混凝土柱承載力是原柱承載力的2.06倍；

④在混凝土柱的上下端部沒有實施加固，其水平向抗剪承載力沒有得到提高，柱及所在的結構體系抗震性能沒有得到顯巨改善；

⑤在混凝土柱的上下端部沒有實施加固，該處的連接剛度將成為柱梁體系的薄弱環(huán)節(jié)；

⑥在混凝土柱的上下端部沒有實施加固，其抗剪承載力沒有得到提高，柱及所在的結構體系的水平剪力分配沒有發(fā)生變化，不利于結構體系整體抗側移能力的提高。

雙向預應力加固法：

現(xiàn)有技術中，雙向預應力加固主要有以下方法：

①采用軸向預應力撐桿對柱子實施軸向預應力加固。該法就是在混凝土柱子的一側或兩側用長于柱子的型鋼對柱子施加預頂升力,從而對混凝土柱子進行加固。軸向撐桿分擔了原有混凝土柱子的部分受力，使原有混凝土柱部分卸載，存在的問題是新舊兩部分受力不同步，預應力撐桿過長或受力過大還要對其實施橫向加固，以確保其橫向穩(wěn)定性。

②采用軸向預應力拉桿加固。該法是主要針對大偏心受壓混凝土柱,在受拉區(qū)設置拉桿,以提高混凝土柱承載能力的一種加固方法。該方法存在的明顯不足是，預應力拉桿加大了混凝土柱受壓部分的壓力，外置拉桿與混凝土柱中原有受拉鋼筋的受力不同步，有可能出現(xiàn)梯次破壞。

③采用低預應力鋼帶箍或鋼絞線加固鋼筋混凝土柱抗震等性能研究,低預應力鋼帶箍或鋼絞線加固鋼筋混凝土柱屬橫向預應力加固技術，鋼板箍能有效的約束混凝土的變形，約束裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，柱的抗壓性能和抗震性顯著提高，但結合面處傳力性能不佳會導致加固試件整體受力情況不良。矩形鋼箍板在張拉過程中，角部存在一定的約束及摩擦力，張拉力在角部傳遞過程中，預應力損失在10％以上。

總之，低預應力鋼帶箍加固能有效提高較高軸壓比下高配箍率混凝土柱的抗震性能，可使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，抑制斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，增強混凝土柱的抗變形能力。該加固法基本不會增大混凝土柱的初始剛度和截面尺寸，鋼帶箍能與箍筋共同工作，鋼帶箍應變高于箍筋應變，其發(fā)揮的約束作用更加直接有效。

④為提高對柱的加固效果，有人開展了“雙向預應力法加固高軸壓比混凝土柱研究”。該研究將預應力撐桿法和預應力鋼板箍結合起來加固“高軸壓比柱”，結果表明：雙向預應力法加固軸心受力構件，對構件起到明顯的卸載加固作用，其承載力的提高效果明顯；加固后滯回環(huán)飽滿度較加固前好，加固后構件的塑性變形能力和滯回耗能性能有所改善，對構件的延性起到一定改善作用，提高了構件抗震性能。

從上述的關于混凝土柱的加固方法看，或著眼于柱的橫向加固，提高了混凝土柱的軸向承載能力同時也加大了混凝土的截面面積，或著眼于混凝土柱的軸向加固同樣也加大了混凝土柱的橫向尺度。無論采用哪種加固方法，都必須遵循以下原則：①不能破壞原有混凝土柱，否則會降低原有混凝土柱的強度，增加原有混凝土柱在施工期間的不安全性；②盡力確保原有結構和加固結構層受力同步。被加固的原有混凝土柱已處于受力狀態(tài)，若在外粘貼加固材料或鉆孔植筋增加結構層，新老混凝土結構層的受力不同步，新結構層受力就意味著原有結構層的屈服或破壞，這就意味著必須對原有混凝土柱施加預應力；③確保工程安全，責任明確。若加固混凝土柱在加固施工完成并投入使用后又再一次發(fā)生破壞，難以劃分原有結構施工單位和加固施工單位責任。所以，混凝土柱的加固設計和施工，在承載方面既要分工明晰又要繼承提高；④強度和剛度協(xié)同提高。前述的前四種加固方法都可降低柱的長細比,提高柱子的剛度，而軸向預應力撐桿加固、軸向預應力拉桿加固有可能帶來混凝土柱側向剛度降低。⑤軸向撐桿分擔了原有混凝土柱子的部分受力，使原有混凝土柱部分卸載，存在的問題是新舊兩部分受力不同步，預應力撐桿過長或受力過大還要對其實施橫向加固，以確保其橫向穩(wěn)定性；其次是軸向預應力拉桿加固。該法是主要針對大偏心受壓混凝土柱,在受拉區(qū)設置拉桿,以提高混凝土柱承載能力的一種加固方法。該方法存在的明顯不足是，預應力拉桿加大了混凝土柱受壓部分的壓力，外置拉桿與混凝土柱中原有受拉鋼筋的受力不同步，有可能出現(xiàn)梯次破壞。⑥低預應力鋼帶箍或鋼絞線加固鋼筋混凝土柱屬橫向預應力加固技術，鋼板箍能有效的約束混凝土的變形，約束裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，柱的抗壓性能和抗震性顯著提高，但結合面處傳力性能不佳會導致加固試件整體受力情況不良。⑦矩形鋼箍板在張拉過程中，角部存在一定的約束及摩擦力，張拉力在角部傳遞過程中，產(chǎn)生一定量預應力損失(10％以上)；⑧兩種方法結合并沒有克服上述軸向預應力和橫向預應力加固的缺點。

為此，申請人提出了雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對已有技術存在的問題，提供一種雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，能夠有效地提高鋼筋混凝土柱的抗壓承載力。

為達到上述目的，本發(fā)明的構思是：針對鋼筋混凝土柱，在不破壞原有混凝土柱結構的前提下，對原有混凝土柱適當施加軸向預應力和環(huán)向預應力，以部分釋放原混凝土柱的受力，確保原有結構和加固結構層同步受力，在承載方面既要受力明晰又要新舊配合，加固后柱的強度和剛度協(xié)同提高。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，是將鋼筋混凝土柱的被加固段從上至下依次分為上加固段、軸向預應力頂升段、下加固段，在上加固段、下加固段分別安裝環(huán)向預應力加固結構，對鋼筋混凝土柱的被加固段實施環(huán)向預應力加固；

在軸向預應力頂升段，通過軸向預應力頂升裝置對安裝在上加固段、下加固段的環(huán)向預應力加固結構施加軸向預應力。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，所述環(huán)向預應力加固結構由至少兩瓣半圓形鋼板構成，在所述半圓形鋼板的四邊均設置有法蘭，平行于半圓形鋼板軸向的法蘭叫軸向法蘭，垂直于半圓形鋼板軸向的法蘭叫環(huán)向法蘭(見附圖1、2、3)，通過半圓形鋼板上的軸向法蘭牽引、緊固半圓形鋼板構成鋼圓筒，對上加固段、下加固段實施環(huán)向預應力加固；構成環(huán)向預應力加固結構的半圓形鋼板的數(shù)量為不包含1的奇數(shù)或偶數(shù)，取值范圍為2-7瓣，優(yōu)選2-4瓣。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，軸向預應力頂升裝置由一組螺桿、旋裝在每個螺桿上的兩個螺母與設置在半圓形鋼板環(huán)向法蘭上的與每個螺桿對應的通孔構成。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，螺桿插裝在上加固段、下加固段的半圓形鋼板相鄰的環(huán)向發(fā)蘭的通孔中，螺桿上旋裝有兩個螺母，兩個螺母處于軸向預應力頂升段，按相反的方向旋轉兩個螺母，使一個螺母與上加固段的半圓形鋼板的環(huán)向法蘭接觸，另一個螺母與下加固段的半圓形鋼板的環(huán)向發(fā)蘭接觸，對半圓形鋼板組成的上、下兩個鋼圓筒施加軸向預應力。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，在施加好軸向預應力和環(huán)向預應力的上、下兩個鋼圓筒外表面澆筑鋼筋混凝土保護層，鋼筋混凝土保護層中，設有鋼筋骨架，所述鋼筋骨架由輻射鋼筋與環(huán)形箍筋構成，輻射鋼筋沿半圓形鋼板徑向設置，一端焊接在半圓形鋼板表面，另一端焊接有環(huán)形箍筋。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損混凝土圓柱加固法，包括下述步驟：

第一步：對被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱表面進行打磨清理；不影響結構柱的在線使用，不需在混凝土柱上開孔植筋對混凝土柱產(chǎn)生破損；

第二步：將鋼筋混凝土柱的被加固段從上至下依次分為上加固段、軸向預應力頂升段、下加固段；在上加固段、下加固段分別通過半圓形鋼板上的軸向蘭牽引、緊固半圓形鋼板，構成鋼圓筒，包裹混凝土圓柱，實現(xiàn)對被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱施加環(huán)向應力；上加固段、下加固段的半圓形鋼板上相鄰的環(huán)向法蘭，分別處于軸向預應力頂升段的兩端；

第三步：將螺桿插裝在上加固段、下加固段的半圓形鋼板相鄰的環(huán)向發(fā)蘭的通孔中，螺桿上旋裝兩個螺母，兩個螺母處于軸向預應力頂升段，按相反的方向旋轉兩個螺母，使一個螺母與上加固段的半圓形鋼板的環(huán)向發(fā)蘭接觸，另一個螺母與下加固段的半圓形鋼板的環(huán)向發(fā)蘭接觸，對由半圓形鋼板組成的上、下兩個鋼圓筒施加軸向預應力，使被加固柱軸向部分卸載，對混凝土柱實施卸載加固；

第四步：在半圓形鋼板外表面澆筑有鋼筋混凝土保護層；鋼筋混凝土保護層中，設有鋼筋骨架，所述鋼筋骨架由輻射鋼筋與環(huán)形箍筋構成，輻射鋼筋沿半圓形鋼板徑向設置，一端焊接在半圓形鋼板表面，另一端焊接有環(huán)形箍筋。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損混凝土圓柱加固法，半圓形鋼板的圓心角為170-180度，通過設于其上的軸向法蘭牽引、緊固定位，構成鋼圓筒包裹混凝土圓柱。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損混凝土圓柱加固法，施加的環(huán)向預應力大小按下式確定：

σ_r1＝σ_r2

式中：σ_r1為半圓鋼板施加給被加固柱的徑向的作用力(圖8b)；

σ_r2為被加固原柱箍筋對原柱核心混凝土產(chǎn)生的約束應力(圖8e)。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，軸向預應力的大小，按以下原則確定：

①軸向預應力大于半圓形鋼板內(nèi)表面與原混凝土柱的摩擦力；

②軸向預應力小于等于以下三者中的最小值：

即原混凝土柱的設計承載力、半圓形鋼板形成的鋼圓筒柱的臨界軸壓力、按鋼板軸向抗壓屈服強度計算得到的鋼圓筒柱軸向承載力。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，施加的軸向預應力σ_sz與施加的環(huán)向預應力σ_sh之比

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，軸向預應力頂升段的(指上加固段的下法蘭和下加固段的上法蘭之間的間隙)長度小于等于兩個螺母厚度之和的1.5倍。

本發(fā)明雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，上加固段的上法蘭和下加固段的下法蘭不設置螺栓孔，設置法蘭板的目的是向樓板和梁傳遞軸向預應力。

本發(fā)明采用帶法蘭的半圓形鋼板(見附圖1)對鋼筋混凝土圓截面柱施加環(huán)向預應力和軸向預應力，實施對圓截面混凝土柱的在線無破損雙向預應力加固；在半圓形鋼板外表面沿半圓形鋼板徑向焊接輻射鋼筋，在輻射鋼筋自由端焊接環(huán)形箍筋，最后在環(huán)向箍筋外立模板并澆筑混凝土，形成加固柱。

將兩塊圓心角略小于180度的半圓形鋼板緊扣在加固區(qū)域的混凝土圓柱的下加固段(見附圖2)，通過設于半圓形鋼板側端部的軸向連接法蘭牽引兩個半圓形鋼板，通過建立扭矩扳手扭矩和半圓鋼板應變的關系，對半圓鋼板預應力的精確控制，實現(xiàn)對被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱下加固段施加環(huán)向應力；

將兩塊圓心角略小于180度的半圓形鋼板輕扣在加固區(qū)域的混凝土圓柱的上加固段，通過設于半圓形鋼板側端部的連接法蘭牽引兩個半圓形鋼板，實現(xiàn)對被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱上加固段施加初步環(huán)向應力；

在下加固段半圓形鋼板的上端法蘭(環(huán)向法蘭)和上加固段半圓形鋼板的下端法蘭中，沿圓周法蘭上設置的孔安裝頂升螺栓，將螺栓上位于上下法蘭之間的兩個螺母向上下擰動，上螺母向上擰，下螺母向下擰，實施對混凝土柱的軸向施加預頂升力，使被加固柱部分卸載(見附圖3)，實施對混凝土柱的卸載加固；

通過扭矩扳手反復調(diào)節(jié)上加固段半圓形鋼板的環(huán)向預應力和頂升螺栓的頂升力，使上段的環(huán)向預應力和頂升螺栓的頂升力達到加固要求。

要使環(huán)向預應力和頂升螺栓的頂升力達到加固要求，按被加固柱的承載力設計要求，分別計算半圓鋼板形成的鋼管承載力、柱箍筋外混凝土承載力、箍筋內(nèi)核心混凝土承載力及箍筋內(nèi)縱向主筋的承載力的基礎上，反求環(huán)向預應力的大小和頂升力的大小。當環(huán)向預應力的大小使箍筋內(nèi)混凝土的受力σ_r2與箍筋外混凝土保護層因環(huán)向預應力的施加產(chǎn)生的應力σ_r1相等時，即σ_r1＝σ_r2時，原結構柱和加固層結構受力就同步，就不會出現(xiàn)梯次破壞。當半圓鋼板達到其屈服強度時環(huán)向預應力達到最大值。頂升力的大小除滿足設計要求外，其最大值不能超過原柱的設計承載力(否則，原柱會受拉)、半圓鋼板形成的鋼圓筒柱達柱的臨界軸壓力和鋼板達軸向抗壓屈服強度算得的軸向承載力三者的最小值。

在半圓形鋼板外表面焊接輻射鋼筋，輻射鋼筋沿半圓形鋼板徑向發(fā)散，沿輻射鋼筋自由端焊接環(huán)形箍筋(見附圖4)；

在環(huán)形箍筋外立模板，澆筑新混凝土(見附圖5)。

對混凝土柱表面打磨清理，是對混凝土柱表面凸出部分進行打磨、蜂窩麻面處進行修補，使被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱表面圓弧度與半圓形鋼板內(nèi)表面圓弧度基本一致，滿足被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱表面與半圓形鋼板內(nèi)表面的接觸面積大于等于半圓形鋼板內(nèi)表面面積的95％。

設于半圓形鋼板側端部、上加固段半圓形鋼板下端部和下加固段半圓形鋼板上端部的連接結構為法蘭螺栓螺母連接結構。

位于上下加固段之間的混凝土柱的軸向預應力頂升段的長度越短越好，以方便兩個螺母上下擰動為基準。

施加預壓應力的大小以原有混凝土柱承受的環(huán)向壓應力為基準，采用彈性力學方法計算確定；當環(huán)向預應力的大小使箍筋內(nèi)混凝土的受力σ_r2與箍筋外混凝土保護層因環(huán)向預應力的施加產(chǎn)生的應力σ_r1相等時，即σ_r1＝σ_r2時，原結構柱和加固層結構受力就同步，就不會出現(xiàn)梯次破壞。

對鋼筋混凝土柱上、下加固段施加初步環(huán)向預應力大小，原則是不影響軸向頂升力的施加；原柱的環(huán)向表面均有砂漿飾面層，其與圓鋼筒內(nèi)表面的摩擦系數(shù)可取0.45，軸向頂升力的大小要克服圓鋼筒內(nèi)表面與原混凝土柱的摩擦力，才不影響軸向頂升力的施加。

實施對混凝土柱的軸向施加預頂升力，使被加固柱部分卸載，頂升力的大小按設計要求采用彈性力學方法計算確定；頂升力的大小確定除滿足設計要求外，一是要克服圓鋼筒內(nèi)表面與原混凝土柱的摩擦力，二是其最大值不能超過原柱的設計承載力(否則，原柱會受拉)、半圓鋼板形成的鋼圓筒柱達柱的臨界軸壓力和鋼板達軸向抗壓屈服強度算得的軸向承載力三者的最小值。

焊接在半圓形鋼板外表面的輻射鋼筋其投影呈梅花形；若第一層輻射鋼筋在半圓形鋼板表面沿同一水平周線上均勻焊接布設，則在離第一水平周線一定距離上下布置第二層、第三層輻射鋼筋，在豎向上鋼筋的布置與第一層錯開布置。將每層輻射鋼筋的自由端用環(huán)形箍筋通過焊接的方式相連接；輻射鋼筋長度和數(shù)量按構造要求選??；輻射鋼筋及縱筋均采用HRB335變形鋼筋，環(huán)形箍筋采用HPB235圓鋼。

當被加固混凝土柱的高度大于等于4米時，在環(huán)形箍筋外的模板外表面設置澆筑窗口，相鄰澆筑窗口的橫向水平間距為2米；模板的內(nèi)徑根據(jù)設計的混凝土保護層厚度確定。

本發(fā)明的鋼筋混凝土柱加固方法，若建筑上有要求不能改變原有截面大小時，可以將加固區(qū)的混凝土保護層切除，并將內(nèi)表面打磨清理平整，直接用四塊半圓形鋼板對混凝土柱施加環(huán)向預壓應力和軸向預應力，半圓形鋼板與原有混凝土間的縫隙用水泥漿充填，半圓形鋼板外表面用砂漿護面。

本發(fā)明的鋼筋混凝土柱加固方法，同樣適應于可以開挖的混凝土樁的加固，用于混凝土樁的加固時，要確保樁的穩(wěn)定性和防止地下水的影響。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有以下優(yōu)點：

雙向預應力加固結構屬于二次受力結構，加固前試件已處于受力狀態(tài)，后加部分只有在繼續(xù)增加荷載后才逐漸受力，應力水平滯后于原有部分，且后加部分的應力水平取決于二次荷載的大小。因此，減少后加部分應力滯后，使后加部分和原結構有效協(xié)同工作是加固工作中需解決的重要問題。本發(fā)明采用上述技術手段，解決了應力水平滯后于原有部分的缺陷，使后加部分和原結構有效實現(xiàn)協(xié)同工作；相比現(xiàn)有技術，具有以下優(yōu)點：

⑴雙向預應力半圓鋼板在線無破損加固混凝土圓柱法，既對既有混凝土柱直接施加環(huán)向預應力又施加軸向預應力，且預應力大小可調(diào)；不需在混凝土柱上開孔植筋對混凝土柱產(chǎn)生破損，不影響結構柱的在線使用。

⑵因為有預應力的存在且預應力大小可調(diào)，確保了原結構和加固結構受力同步，不會出現(xiàn)梯次破壞，加固結構層受力的滯后得以明顯改善；當環(huán)向預應力的大小使原柱箍筋內(nèi)混凝土的受力σ_r2與箍筋外混凝土保護層因環(huán)向預應力的施加產(chǎn)生的應力σ_r1相等時，即σ_r1＝σ_r2時，原結構柱和加固層結構受力就同步，就不會出現(xiàn)梯次破壞。

⑶相比于在混凝土柱表面鑿孔植筋，本發(fā)明不損壞原有混凝土柱的結構和降低混凝土柱的承載力。通過半圓形鋼板對原有混凝土柱施加適當環(huán)向預應力和軸向預應力，既對原柱的軸向壓力進行了部分卸載，又使原有混凝土的受力由兩向應力狀態(tài)變?yōu)橹鲃尤蚴芰顟B(tài)，且環(huán)向預應力最大可達鋼板抗拉屈服強度值?；炷恋目箟簭姸鹊玫教岣哌M而提高被加固柱的結構承載力；半圓鋼板護筒內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止半圓鋼板發(fā)生局部屈曲。

研究表明，鋼管混凝土柱的承載力高于相應的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。雙向預應力的施加帶來的技術效果并非兩者的簡單疊加，其效果超乎預期。經(jīng)計算，柱外套半圓鋼板形成圓鋼筒對柱進行加固補強,其承載力是加固前的1.75-4.30倍,承載力得到了很大的提高，并且加固方法簡單易行,便于操作。

(4)采用雙向預應力對既有混凝土柱進行加固時，環(huán)向預應力與軸向預應力合理匹配，可使混凝土柱加固后的承載力達到最優(yōu)值(不一定是最大值)。

①環(huán)向預應力的加載在環(huán)向不超過半圓鋼板的抗拉強度設計值，以確保設計的環(huán)向預應力圓鋼筒和原混凝土柱有相同的可靠度；

②原混凝土柱的總承載力達到其極限值?；炷林枰庸潭铱梢栽诰€無破損加固，說明其承受的荷載最多也就是使其達到屈服極限承載力，進一步的加固其承載力至少也要達到其屈服極限承載力；

③對混凝土柱實施初步加固后，通過雙向法蘭反復調(diào)整軸向預應力和環(huán)向預應力的大小，半圓鋼筒在豎向的受力與原混凝土柱的受力協(xié)調(diào)，半圓鋼筒的豎向應變與原混凝土柱的豎向應變相等：(z表示軸向，c表示混凝土，s表示鋼板材)，可計算出半圓鋼筒在豎向應力大小。通過反復試算，可得(σ_sz和σ_sh分別為半圓鋼筒的軸向和環(huán)向預應力)的比值在0.5-2.0之間均能滿足加固要求，以為最優(yōu)。

(5)混凝土柱加固好后，新舊材料在承載方面既要受力明晰又要新舊配合；若加固混凝土柱在加固施工完成并投入使用后又再一次發(fā)生破壞，原有結構施工單位和加固施工單位責任劃分方便；

(6)本發(fā)明加固方法既提高了柱的強度又提高了混凝土柱的剛度，全面提高鋼筋混凝土柱(樁)的抗壓性能，確保了二者的協(xié)同工作；

(7)加固施工不必要對原有混凝土柱進行卸載，不影響結構的使用；

(8)加固施工可在線實施，加固后結構能立即承載；

(9)不降低原有結構的承載力，確保原有結構在施工期間的安全性；

(10)可對高速(30年)、高鐵(15年)線上大型橋梁橋墩柱實施在線加固，其經(jīng)濟效益、社會效益將是顯著的。

(11)半圓形鋼板上焊接的輻射鋼筋呈梅花形布置，有利于減少被加固柱的配筋率，有利于半圓形鋼板外應力的二次分布；在輻射鋼筋的外端焊接環(huán)形箍筋，起到了普通混凝土柱中箍筋的作用。

(12)被加固的柱加固完后具有鋼管混凝土的相應優(yōu)勢。混凝土的抗壓強度高，但抗彎能力很弱，而鋼材特別是型鋼的抗彎能力強，具有良好的彈塑性，但在受壓時容易失穩(wěn)而喪失軸向抗壓能力。而半圓鋼板護筒混凝土在結構上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點結合在一起，可使混凝土處于側向受壓狀態(tài)，其抗壓強度可成倍提高，同時由于混凝土的存在，提高了半圓鋼板護筒的剛度，兩者共同發(fā)揮作用，從而大大地提高了加固柱的承載能力。

(13)半圓鋼板護筒混凝土的塑性和韌性好?；炷翆儆诖嘈圆牧希貏e是高強度混凝土脆性性能更加明顯。而半圓鋼板護筒具有較好的塑性和韌性，內(nèi)部的核心混凝土受到外部鋼護筒的有效約束，使得內(nèi)部核心混凝土在軸向壓力和外部半圓鋼板護筒約束應力的共同作用下處于三向受壓的應力狀態(tài)，這種應力狀態(tài)可以使內(nèi)部核心混凝土充分地發(fā)揮抗壓強度和塑性變形能力，有效的降低了核心混凝土的脆性性能，提高了混凝土的塑性變形能力。

(14)半圓鋼板護筒和混凝土之間的相互作用使半圓鋼板護筒內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐?，構件的延性性能明顯改善，耗能能力大大提高，使結構具有優(yōu)越的抗震性能。

附圖說明

附圖1為待加固的圓截面混凝土柱及帶法蘭的半圓鋼板模型照片。

附圖2為用帶法蘭的半圓形鋼板對鋼筋混凝土柱施加環(huán)向預應力示意圖。

附圖3為對混凝土柱的軸向施加預頂升力示意圖。

附圖4為在半圓形鋼板外加焊扇形輻射鋼筋、環(huán)形箍筋示意圖。

附圖5為在焊接的環(huán)向箍筋外立模板示意圖。

附圖6為用普通植筋擴大斷面法加固混凝土柱(對比案例)斷面示意圖。

附圖7為本發(fā)明的加固方法加固原柱斷面示意圖。

附圖8為半圓鋼板及混凝土柱受力分析圖。

附圖4中，1—混凝土柱；2—半圓形鋼板；3—螺栓；4—扇形輻射鋼筋；5環(huán)向箍筋；6—縱筋。

附圖5中，1—混凝土柱；2—半圓形鋼板；3—螺栓；4—輻射鋼筋；5環(huán)向箍筋；6—縱筋；7—模板。

附圖6中，4—輻射鋼筋；5—環(huán)向箍筋；6—(加固用)縱筋；8—原柱縱筋；9—原柱箍筋。

附圖7中，2—半圓鋼板；4—輻射筋；5—箍筋；6—(加固用)縱筋。

具體實施方式

實施案例與分析對比

為更清楚的理解本發(fā)明，采用以下對比例、實施例對其進行詳細計算說明。

一)待加固柱的基礎數(shù)據(jù)及其極限承載力

某多層框架結構(不考慮側移)，底層門廳柱為圓形截面，直徑d＝500mm，按軸心受壓短柱設計。軸力設計值N＝3900kN，柱的計算長度為l₀＝6m，柱的長細比l₀/d＝6m/0.5m＝12，符合構造要求；混凝土強度等級為C30，其強度設計值f_c＝14.3N/mm²，混凝土單軸抗壓強度f_cy＝20.1N/mm²；縱筋采用HRB400級，其強度設計值f_y′＝360N/mm²，其屈服強度標準值f_ys＝400N/mm²；箍筋采用HRB335級，其強度設計值f_yv＝300N/mm²，f._y.t＝335N/mm²，；經(jīng)計算選焊接箍筋得焊接箍筋單根筋的截面面積A_s2＝113.1mm²，圓柱配受壓縱筋得A_s3＝1884mm²，柱核心截面直徑d_cor＝440mm，核心截面面積按公式：

N_uo≤0.9(f_cy·A_cor+f_ys·A_s3+2α₀f_ytA_sso) (1)

式中，f_cy—圓柱混凝土的抗壓強度標準值，20.1N/mm²；

A_cor—混凝土核心截面的面積，

d_cor—混凝土柱核心截面的直徑，d_cor＝440mm；

f_ys—縱筋的屈服強度標準值，f_ys＝400N/mm²；

A_s3—全部縱筋受壓鋼筋截面面積，A_s3＝1884mm²；

α₀—系數(shù)，可取α₀＝1；

f_yt—焊接箍筋的屈服強度標準值，f_yt＝335N/mm²；

A_sso—焊接環(huán)式箍筋的換算截面面積，

A_s2——單根箍筋的截面積，A_s2＝113.1mm²；

s—箍筋的縱向間距，由柱的設計承載力可算為s＝60mm。

將具體數(shù)據(jù)代入式(1)，可得圓柱的屈服承載力N_uo＝4999.281kN。

二)用普通植筋擴大斷面法加固混凝土柱(對比案例1)

參見附圖6，把柱的外形直徑加固到d＝700mm，在原柱上開孔，植入輻射鋼筋的鋼筋12根，在輻射鋼筋端部焊接環(huán)形箍筋，箍筋間距可擴大到s₁＝200mm，加固用的縱筋用12根后加混凝土也采用C30，此時新柱參數(shù)如下(附圖6)：

新柱的參數(shù)為：f_c＝14.3N/mm²，f_cy＝20.1N/mm²；f_yv＝300N/mm²；f_ys＝400N/mm²；A_s3—原柱全部縱筋受壓鋼筋截面面積，A_s3＝1884mm²；f_yt—焊接箍筋的屈服強度標準值，f_yt＝335N/mm²。d′_cor＝700-2×30＝640mm，單根箍筋的截面積，A′_s2＝A_s2＝113.1mm²，箍筋的縱向間距s＝200mm，加固用焊接環(huán)式箍筋的換算截面面積；

(此處因為是加固部分，不作A′_sso>25％×A_s′的要求)。

A″_s3＝A_s3+A′_s3＝1884mm²+1356.48mm²＝3240.48mm²，

A″_sso＝A_sso+A′_sso＝2604.32mm²+1136.43mm²＝3740.75mm²。

有以上數(shù)據(jù)后，加固柱的屈服承載力有兩種算法：

第一，內(nèi)層原混凝土柱還按照式(1)算得，外層后加固的鋼筋和混凝土按配有普通箍筋混凝土短柱計算，即有：

式中，—穩(wěn)定系數(shù)，A—d＝700mm的柱子截面積，A＝384650mm²(此處縱筋的配筋率為A″_s3/A為0.0084，不大于0.03)。代入具體數(shù)據(jù)得：

N_u′＝0.9*0.92[20.1*(384650-152053)+400*1356.48]

＝4320.332(kN)。

加固后柱的承載力應為兩者之和：

N_u1＝N_uo+N_u′＝4999.281kN+4320.332kN＝9319.613kN。

加固后柱的承載力比原來的柱的承載能力提高了86.42％。

第二，不計二次受力，后加混凝土也按配有螺旋箍筋考慮，所以新柱的承載力為：

N_u1≤0.9(f_cy·A′_cor+f_ys·A″_s3+2α₀f_ytA″_sso)

＝0.9[20.1*321536+400*3240.48+2*1*335*3740.75]

＝10265.368(kN)。

加固后柱的承載力比原來的柱的承載能力提高了105.34％。

第一種算法較第二種算法合理。

三)采用本發(fā)明的加固方法加固原柱的設計計算

雙向預應力半圓鋼板并植筋加固圓柱截面示意如附圖7所示，輻射筋還是箍筋也是加固縱筋為半圓鋼板外的植筋數(shù)量不做要求只做構造用，不計其承載力。半圓鋼板選厚t＝10mmQ235鋼板，其屈服強度f_y＝235N/mm²。

1.強度理論基礎

1991年俞茂宏在雙剪強度理論基礎上以雙剪單元體為力學模型，建立了一種考慮中間主應力σ₂影響的適用于不同材料的統(tǒng)一強度理論，其數(shù)學表達式為：

式中：F，F(xiàn)′為主應力強度理論函數(shù)；σ₁，σ₂，σ₃分別為第一、第二和第三主應力，取拉應力為正，壓應力為負；α為材料的拉壓比；σ_ts，σ_cs，τ_s分別為材料的拉伸屈服極限強度、壓縮屈服極限強度和剪切屈服極限強度；b為加權參數(shù)，它反應了中間切應力及相應作用面上正應力對材料屈服或破壞的影響，0≤b≤1；B為切應力系數(shù)。

2.半圓鋼板配筋混凝土短柱軸壓承載力分析

2.1受力機理

當半圓鋼板或預應力半圓鋼板加固混凝土柱后，加固柱就類似于配筋鋼管混凝土柱。它是帶預應力圍壓的配筋鋼管混凝土柱，它與鋼管混凝土柱的區(qū)別在于：①兩片半圓的鋼板施加有預應力，其預應力大小可以根據(jù)需要調(diào)整；②兩片半圓鋼板加壓形成的鋼套管，在柱的軸向可以主動加預應力；③兩片半圓鋼板的法蘭連接處會有縫隙；④原混凝土柱按原承載要求有配筋，加固后的混凝土柱相當于配筋鋼管混凝土柱。

在軸壓作用下預應力半圓鋼板混凝土短柱的受力機理為：核心混凝土處于三向應力狀態(tài)，同時受到半圓鋼板和箍筋的約束作用，半圓鋼板與箍筋之間的外層混凝土受到半圓鋼板的約束作用，同樣處于三向應力狀態(tài)，預應力半圓鋼板是后加的，軸向壓力幾乎為零、環(huán)向受拉和徑向受壓(預應力)的三向應力狀態(tài)，縱向鋼筋受軸壓作用。

混凝土柱被加固后的受力如附圖8所示。

2.2半圓鋼板的受力

如附圖8所示，半圓鋼板的厚度為t，半圓鋼板對混凝土柱的圍壓為σ_r1，半圓鋼板的受力如附圖8b、附圖8c所示，由于半圓鋼板在柱的兩端沒法頂?shù)锰o，可暫假設半圓鋼板軸向壓應力為σ_z＝0，徑向壓應力為σ_r1，環(huán)拉應力為σ_θ，則

式中：N₁為半圓鋼板混凝土柱中半圓鋼板所承受的軸向壓力，可以近似為零；A_s1為半圓鋼板的截面面積，近似為dπt；σ_r為半圓鋼板對混凝土產(chǎn)生的側向約束應力；d為半圓鋼板的內(nèi)直徑；t為半圓鋼板壁厚。工程和試驗中的半圓鋼板混凝土柱采用的半圓鋼板管壁一般很薄，均滿足d/t≥20，可看作薄壁鋼管，對于薄壁鋼管，有即|σ_r|<<σ_θ；據(jù)半圓鋼板的工作原理，隨著半圓鋼板混凝土應變不斷的發(fā)展，半圓鋼板環(huán)向拉應力σ_θ不斷增大，軸向壓應力σ_z逐漸減小，半圓鋼板從主要承受軸向壓應力轉變?yōu)橹饕惺墉h(huán)向拉應力，且σ_θ＞σ_z，則薄壁鋼管的主應力分別為：

σ₁＝σ_θσ₂＝σ_r1σ₃＝σ_z……………………………….(5)

代入統(tǒng)一強度理論的判別式中得：

取統(tǒng)一強度理論的式(1)計算，結合公式(2)代入3個主應力，化簡得：

N₁＝σ_zA_s1…………………………………(8)

不加軸向預應力的情況下，σ_z＝0，所以，N₁＝0。

2.3箍筋應力

混凝土柱內(nèi)的箍筋及核心混凝土的受力如附圖8f所示，受壓柱內(nèi)配置的連續(xù)螺旋箍筋或單獨的八角形箍筋在沿柱軸的間距較小時，對其包圍的核心混凝土會產(chǎn)生有效約束，由于半圓鋼板通過保護層混凝土給柱內(nèi)箍筋的作用力為σ_r1，由附圖8f利用力的平衡，約束應力還可以表示為：

式中：σ_r2為箍筋對核心混凝土產(chǎn)生的約束應力；f._y.t為表示箍筋屈服強度；d_cor(箍筋內(nèi)邊緣)為核心混凝土直徑；A_cor為核心混凝土(箍筋內(nèi)邊緣)面積；A_S2單根箍筋的截面積；s為箍筋的縱向間距。

2.4混凝土承載力

(1)混凝土柱沒有加固時

此時，箍筋外的混凝土保護層是自由的，只是起保護層的作用。箍筋內(nèi)的核心混凝土處于三向應力狀態(tài)，核心混凝土的抗壓強度可按三向受壓時的強度考慮，可取f_c′＝f_c+4σ_r2，σ_r2為箍筋對核心混凝土產(chǎn)生的被動側向壓應力即徑向壓應力，當箍筋應力達抗拉屈服強度時，可導出：

A_sso為箍筋的換算面積

(2)預應力半圓鋼板加固混凝土柱后

箍筋外半圓鋼板內(nèi)的保護層混凝土受到半圓鋼板約束的外部向內(nèi)的作用力σ_r1，同時受到箍筋向外膨脹給保護層混凝土的作用力，可以假定這個力的大小也為σ_r1，如附圖8e所示。保護層混凝土相當于一個受力圓筒，內(nèi)半徑為d_cor/2外半徑為d/2受內(nèi)壓力σ_r1和外壓力σ_r1，其應力分布應當是軸對稱的，其表達式為：

σ_r＝σ_θ＝σ_r1………………………………………………….(11)得處于三向應力狀態(tài)下的外層混凝土的抗壓強度f′_c1為

f′_c1＝f_cy+kσ_r1………………………………………………….(12)

則外層混凝土的軸壓承載力N₂為：

N₂＝(f_cy+kσ_r1)A_c1＝(f_cy+kσ_r1)π[(d/2)²-(d/2)²]…………………(13)

式中：A_c1為外層混凝土截面面積，A_c1＝π[(d/2)²-(d_cor/2)²]。

核心混凝土受到半圓鋼板和箍筋的雙重約束作用，處于三向應力狀態(tài)，采用從統(tǒng)一強度理論推得的混凝土在三向應力狀態(tài)下的軸向抗壓強度計算公式

f_c′＝f_cy+kσ_r2………………………………………………..(14)

式中：f_c′為三向應力狀態(tài)下混凝土抗壓強度；為混凝土的內(nèi)摩擦角，k的取值在1.0-7.0之間，具體值由試驗確定，當k取4.0時，為36.87°；σ_r2為核心混凝土所受到的側向約束應力；f_cy為混凝土單軸抗壓強度，對于圓形截面柱，取圓柱體單軸抗壓強度。

核心混凝土承載力

式中：s為箍筋間距，A_cor為核心混凝土的截面面積，A_cor＝π(d_cor/2)²。

2.5縱向鋼筋承載力

配筋圓鋼管混凝土短柱在達到軸壓承載力極限時縱向鋼筋屈服，故其軸壓承載力N₄為:

N₄＝f_ysA_s3…………………………………………(16)

式中：f_ys為縱向鋼筋的屈服強度；A_s3為縱向鋼筋的截面面積。

2.6軸壓承載力統(tǒng)一解

配筋圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力N由鋼管、外層混凝土、核心混凝土和縱向鋼筋4個部分提供的承載力共同組成，即:

N＝N₁+N₂+N₃+N₄…………………………………………(17)

將式(8)、(9)、(13)、(15)和(16)代入式(17)，整理可得配筋圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力統(tǒng)一解為:

當N₁＝0時，上式變?yōu)椋?/p>

承載力是側向約束應力σ_r1的函數(shù)，因為當薄壁半圓鋼板的環(huán)向拉應力達到極值時σ_ts＝f_y，其側向約束力即達到極值，由式(4)得:

式中：f_y為半圓鋼板的屈服強度。將式(20)代入式(18)，可得軸壓承載力極限值N_u為：

當A_s2＝0，A_s3＝0時，式(21)退化為普通圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力計算公式，即

式中：A_c為普通圓鋼管混凝土短柱的核心混凝土截面面積，

A_c＝A_c1+A_cor。

3.實施案例及方案

具體實施過程為：對被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱表面進行打磨清理；將鋼筋混凝土柱的被加固段從上至下依次分為上加固段、軸向預應力頂升段、下加固段；在上加固段、下加固段分別通過半圓形鋼板上的軸向法蘭牽引、緊固半圓形鋼板構成圓鋼筒，包裹混凝土圓柱，實現(xiàn)對被加固區(qū)域鋼筋混凝土柱施加環(huán)向應力；上加固段、下加固段的圓鋼筒分別由兩個半圓形鋼板構成；上加固段、下加固段的半圓形鋼板上相鄰的環(huán)向法蘭，分別處于軸向預應力頂升段的兩端；將螺桿插裝在上加固段、下加固段的半圓形鋼板相鄰的環(huán)向發(fā)蘭的通孔中，螺桿上旋裝兩個螺母，兩個螺母處于軸向預應力頂升段，按相反的方向旋轉兩個螺母，使一個螺母與上加固段的半圓形鋼板的環(huán)向蘭接觸，另一個螺母與下加固段的半圓形鋼板的環(huán)向發(fā)蘭接觸，對兩個半圓形鋼板施加軸向預應力，使被加固柱軸向部分卸載，對混凝土柱實施卸載加固；然后，在半圓形鋼板外表面澆筑有鋼筋混凝土保護層；鋼筋混凝土保護層中，設有鋼筋骨架，所述鋼筋骨架由輻射鋼筋與環(huán)形箍筋構成，輻射鋼筋沿半圓形鋼板徑向設置，一端焊接在半圓形鋼板表面，另一端焊接有環(huán)形箍筋；半圓形鋼板的圓心角為176度左右，通過設于其上的軸向法蘭牽引、緊固定位，包裹混凝土圓柱。

3.1實施例方案1(只加環(huán)向預應力，對比案例2)

半圓鋼板在混凝土柱軸向不加預應力，環(huán)向施加預應力使原柱內(nèi)的箍筋不受力。

此時，有N₁＝0，且σ_r2＝σ_r1，k＝4,將具體數(shù)據(jù)代入式(18-1)：

只加環(huán)向預應力加固后柱的承載力比原來的柱的承載能力提高了74.26％。半圓鋼板的應用提供的預應力抵消了原有柱中箍筋的受力，在加固柱再次受力后，原有柱中的箍筋還會進一步承受拉力，相當于又在原柱中增加了一層與原柱相等的箍筋。

3.2實施例方案2(只加環(huán)向預應力，環(huán)向力大于方案1，對比案例3)

半圓鋼板在混凝土柱軸向不加預應力，環(huán)向施加預應力使半圓鋼板達屈服強度。

半圓鋼板的屈服強度f_y＝235N/mm²，由式(4)可知由式(20)由式(18-1)代入具體數(shù)據(jù)：

只加環(huán)向預應力加固后柱的承載力比原來的柱的承載能力提高了256.55％。與方案1相比，方案2柱加固后承載力之所以提高到原柱的3.57倍，完全是由于將環(huán)向預應力提高了的緣故。

3.3實施例方案3(既加環(huán)向預應力又加軸向預應力，環(huán)向力同方案2)

半圓鋼板在混凝土柱軸向加預應力到半圓鋼板形成的鋼圓筒柱達柱的臨界軸壓力或鋼板屈服強度，環(huán)向施加預應力使半圓鋼板達屈服強度。

預應力半圓鋼板合攏后對混凝土柱進行加固，半圓鋼板形成的鋼圓筒有可能失穩(wěn)。鋼板厚10mm,鋼圓筒的內(nèi)徑d＝500mm,外徑D＝520mm，其的截面面積A_s1＝πdt＝3.14×500×10＝15700mm²,截面慣性矩Ⅰ＝520855350mm²,其壓桿橫截面對混凝土柱軸向的慣性半徑r＝182.14mm，可得其柔度λ＝32.94，而由Q235鋼制成的壓桿，其柔度的限界值：

式中，E—鋼材的彈性模量，E＝2.06×10⁵MPa,σ_P—鋼材的比例極限，σ_P＝200MPa；代入具體數(shù)據(jù)可得：λ_p＝100，所以，λ<λ_p，鋼制成的壓桿不存在臨界失穩(wěn)?？梢钥紤]鋼圓筒在混凝土柱的軸向也達到其屈服強度f_y＝235N/mm²，有N₁＝A_s1×f_y＝15700×235＝3689.5kN。軸向預頂升力的大小除滿足設計要求外，其最大值不能超過原柱的設計承載力(否則，原柱會受拉)、半圓鋼板形成的鋼圓筒柱達柱的臨界軸壓力和鋼板達軸向抗壓屈服強度算得的軸向承載力三者的最小值。由于鋼圓筒制成的壓桿不存在臨界失穩(wěn)，鋼圓筒的軸向頂升預應力的最大值不大于N₁和原柱的設計承載力的最小值。在式(1)中，混凝土、縱筋和箍筋的強度指標取設計值可算得原柱的設計承載力N₁₀＝3973.669kN。于是有：

N_u1＝N₁+N (23)

式中，N₁—鋼圓筒在混凝土柱的軸向達到其屈服強度時的承載力；N—雙向預應力半圓鋼板在混凝土柱軸向不加預應力，環(huán)向施加預應力使半圓鋼板達屈服強度得到的加固柱的承載力，由前節(jié)可知，N＝17824.826kN，所以，N_u1＝21514.326kN。

加固后柱的承載力比原柱的承載能力提高了330.35％。在使用雙向預應力加固后，加固后柱的承載力提高到原柱的4.3倍。

即同樣的柱斷面積，用本發(fā)明方法加固的混凝土柱(實施例方案2、方案3)較普通法加固的混凝土柱(對比案例1)的承載力有所提高，也就是說，在同樣的承載力要求下，用本發(fā)明方法加固的混凝土柱其斷面積要小于用普通方法加固的混凝土柱的斷面。用實施例的方案1、2、3加固后柱的承載力比原柱(沒有加固的柱)的承載力依據(jù)不同的加固力方案分別提高了74.26％、256.55％和330.35％，承載力分別是原柱承載力的1.75倍、3.57倍和4.30倍。

3.4實施例的方案優(yōu)化

采用雙向預應力對既有混凝土柱進行加固時，環(huán)向預應力與軸向預應力存在一定的匹配關系，以使混凝土柱加固后的承載力達到最優(yōu)值(不一定是最大值)。按以下原則考慮：

①環(huán)向預應力的加載在環(huán)向不超過鋼板的抗拉設計強度值[f]，具體數(shù)據(jù)f＝215N/mm²，以確保設計的環(huán)向預應力圓鋼筒和原混凝土柱有相同的可靠度；

②原混凝土柱的總承載力達到其極限值N_uo＝4999.281kN?；炷林枰庸潭铱梢栽诰€無破損加固，說明其承受的荷載最多也就是使其達到屈服極限承載力，進一步的加固其承載力至少也要達到其屈服極限承載力；

③對混凝土柱實施初步加固后，通過雙向法蘭反復調(diào)整軸向預應力和環(huán)向預應力的大小，半圓鋼筒在豎向的受力與原混凝土柱的受力協(xié)調(diào)，半圓鋼筒的豎向應變與原混凝土柱的豎向應變相等：(z表示軸向)，可計算出半圓鋼筒在豎向應力大小。由①可知：

半圓鋼板的抗拉設計強度f＝215N/mm²，由式(4)可知由式(20)代入式(18-1)，得：N＝16708.570kN>N_uo＝4999.281kN，就是說，僅僅將鋼圓筒的環(huán)向預應力的加載到鋼板的抗拉設計強度值，加固后柱的承載力就超過了原柱的極限承載力。為確定鋼圓筒的環(huán)向預應力和軸向預應力的比例關系，可以假設環(huán)向預應力為σ_sh(h表示環(huán)向)，則由條件②、③及式(18)或式(18-1)和N₁＝A_s1σ_sz，取σ_ts＝σ_cz，用σ_cz替換f_cy，σ_sz替換f_ys，有：

σ_cz(A_c1+A_cor)+kσ_r1A_cor+σ_szA_s3+k(A_c1+A_cor)σ_r1+A_s1·σ_sz＝N_uo (25)

以上三式，通過反復試算，可得的比值在0.5-2.0之間均能滿足加固要求，以為最優(yōu)。

4.結論

由上述對比和計算可知,原鋼筋混凝土柱設計承載力為4999.281kN，經(jīng)過對比案例普通植筋擴大斷面法加固混凝土原柱、柱外套半圓鋼板形成預應力圓鋼筒柱進行加固補強和雙向預應力加固，我們有以下結論：

1)與混凝土原柱相比，采用普通植筋擴大斷面法加固的混凝土原柱，其承載力提高了86.42％；

2)與混凝土原柱相比，只加環(huán)向預應力(實施例方案1，對比例2)加固后柱的承載力比原來的柱的承載能力提高了74.26％；

3)當預應力半圓鋼板的預應力不大時(實施例方案1，對比例2)，其加固效果與采用普通植筋擴大斷面法加固混凝土柱的加固效果相當，但加固的混凝土柱的斷面積要小于用普通方法加固的混凝土柱的斷面；

4)與混凝土原柱相比，僅僅施加環(huán)向預應力的條件下(實施例方案1、方案2)，混凝土柱的承載力是加固前的1.75和3.6倍；

5)與混凝土原柱相比，在施加雙向預應力的條件下(實施例方案3)，其承載力得到極大的提高，是加固前的4.30倍,并且加固方法簡單易行,便于操作；

6)與只加環(huán)向預應力的柱(對比例2、3)相比，采用雙向預應力加固的混凝土柱(實施例方案3)的承載力較對比例2提高了146.95％，較對比例3提高了20.70％；

7)采用雙向預應力對既有混凝土柱進行加固時，環(huán)向預應力與軸向預應力存在一定的匹配關系，以使混凝土柱加固后的承載力達到最優(yōu)值，可得的比值在0.5-2.0之間均能滿足加固要求，以為最優(yōu)。

8)由于加大了原柱的混凝土截面面積和配鋼量,因此這種方法不僅可以提高原柱的承載力,還可降低柱的長細比,提高柱子的剛度,對于抗震設防地區(qū),還可以使柱變成有利于抗震的強柱弱梁結構,并且,施工方便,操作性強，在提高同等承載力的基礎上,比其他方法少占用空間。