后置钢管式钢筋混凝土柱轴压性能的监测与分析

万灵欣 肖亚明 朱华

摘要: 后挂式钢管混凝土柱是在外钢法、套管约束混凝土法和钢管混凝土组合柱的基础上提出的一种新型加固方法。 后装钢管钢筋混凝土柱用于加固现有钢筋混凝土柱。 在原来的钢筋混凝土柱周围切出一部分混凝土，形成空腔，用钢板包裹。 两者之间的空腔灌浆形成钢管混凝土组合结构，且原柱尺寸不变。 在加固施工现场，对后式钢管混凝土加固柱进行现场跟踪监测，监测钢管、纵向应力筋和灌浆材料的应力变化，研究应力传递规律和轴向力分布。 采用ABAQUS有限元分析软件对监测结果进行建模和分析。

关键词：后置式钢管混凝土柱； 承载能力; 轴向力分布； 应力转移； 监测与分析

摘要: 后缠绕钢管加固钢筋混凝土柱（PSTRRC）是在钢包钢法、套管约束混凝土法和钢管混凝土组合柱基础上提出的一种新型加固方法。 采用后缠钢管改造RC柱是为了对现有钢筋混凝土柱进行加固，就是在原钢筋混凝土柱周围切割一部分混凝土，形成空腔，将钢板包裹在里面。 两种形式钢管混凝土组合结构之间的空腔注浆不改变原柱的尺寸。

在施工现场对钢管后缠加固钢筋混凝土柱（PSTRRC）进行现场加固跟踪监测，评估钢管、纵向受力肋和灌浆材料的应力变化，并研究应力传递情况规律和轴向力分布。 采用有限元分析软件ABAQUS对监测结果进行建模和分析。

关键词：后缠钢管加固RC柱； 承载能力; 轴向力分布； 应力转移； 监测与分析

钢管混凝土结构是在刚性混凝土结构、螺旋钢筋混凝土结构和钢管柱的基础上演变发展起来的一种新型组合结构[1]。 在受力过程中，钢管和混凝土这两种材料会相互作用。 混凝土的存在可以有效避免或延缓薄壁钢管过早的局部屈曲，并且钢管对混凝土有一定的约束作用，可以使其处于三轴位置。 应力状态增加了核心混凝土的强度[2]。 这两种材料的结合相辅相成、相互促进，产生“1+1>2”的综合效果。

后挂式钢管混凝土柱是在实际加固工程中提出的一种新型加固方法。 该方法将传统钢管混凝土柱中钢管与混凝土相互作用的原理应用到受压柱的加固中，在不改变截面面积的情况下，可以大大提高柱的承载力和延性。 这种加固方法在抗震性和耐久性方面是有效的。 对性爱也有很好的作用。

1 现场监控

1.1 项目概况

华兴印刷高层厂房为15层框架剪力墙结构，一层为地下室。 首层地下室柱、剪力墙原设计混凝土强度等级为C45。 当施工到地上二层时，检测到施工混凝土强度仅达到C30，混凝土强度未达到设计要求。 为了保证结构的安全，对原有的钢筋混凝土柱和剪力墙进行了加固。 根据业主要求，原有混凝土柱和剪力墙截面无法增加，因此传统的增加截面的加固方法不适合本工程。 《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2013）[3]中相关加固方法不符合要求。 因此，在现有规范的基础上，提出了一种新的后装式钢管钢筋混凝土柱的加固方法。

采用现场跟踪监测采集数据，地下室3根不同截面的柱子，E2（700mm×600mm）（即E轴与②轴相交，其余相同），E4（选择G2（600mm×600mm）和G2（600mm×600mm）作为监测对象。 在后续施工过程中，采集不同工况下纵向应力筋、高强灌浆材料、后部钢管的应力应变数据，并通过数值模拟分析研究该方法对结构加固的效果。和比较。 为今后的加固设计提供新的选择。

1.2 加固设计

此次加固方案由安徽省建筑研究设计院提出，对地下室、首层不满足混凝土强度的柱子、剪力墙进行加固。 结合规范及以往加固设计经验，首次提出采用后置钢管钢筋混凝土柱的方法对原钢筋混凝土框架柱进行加固。 具体加固流程为：1）与加固柱相连的所有框架梁均应卸荷，采用钢管作为临时支撑，并在每根梁端部附近设置3个，并进行临时支撑计算，以保证施工开始前的安全性和可靠性； 2）将原钢筋混凝土柱无损凿出100mm厚度，露出内部钢筋，并清除原核心混凝土柱表面的浮渣和灰尘； 3）将工厂加工好的四块矩形钢板在现场定位安装，并固定； 4）现场焊接四块矩形钢板，焊缝为一级角焊缝，形成矩形钢管； 5）用高强高性能灌浆材料填充钢管与原混凝土柱之间的间隙，保证钢管与混凝土柱融为一体，共同作用。

后钢管采用Q345B级钢材，灌浆材料为强度等级为50MPa的高强水泥基灌浆材料。 灌浆料中掺水的质量百分比为10%~15%。 水泥基灌浆料用行星式水泥砂浆搅拌机搅拌：搅拌时先加入2/3的水，搅拌3分钟左右，然后加入剩余的水，搅拌均匀。

本工程采取的结构措施之一是在后钢管内壁焊接螺柱，以加强与灌浆材料的粘结。 同时，在原核心混凝土柱中插入传力杆，加强新旧混凝土之间的连接，保证新旧部位变形协调。 螺栓采用80mm长的M12级螺栓，焊接在矩形钢板的内侧； 传力杆采用HRB400级L型钢，直径20mm。 在芯柱上定位钻孔后插入定位杆，然后注入化学胶固定。 具体加固施工细节及现场加固流程分别如图1、图2所示。

图1 钢筋施工图（单位：mm）

图1 加固施工图（单位：mm）

图2 现场加固

图2 场地加固

1.3 监测仪器布置

为了验证新的加固方法是否能够满足设计要求，对后钢管钢筋混凝土柱中高强灌浆材料和后钢管在荷载作用下的应力分布以及轴向应力进行了研究分析。形成的钢-混凝土组合结构中的受力。 分配状态。 需要对加筋后钢管钢筋混凝土柱进行跟踪监测，监测纵向钢筋、灌浆材料、钢管的应变。 钢筋应力仪、混凝土应变仪、钢管纵向应变仪等监测仪器布置如图3所示。

图3 监测仪器布局（单位：mm）

图3 监测仪器布置图（单位：mm）

1.4 监测结果分析

钢管钢筋混凝土柱安装后的监测过程从加固完成开始一直到整栋建筑竣工，共测量了9组数据。 这9组数据是从整个施工过程中不同施工阶段监测仪器的读数获得的。 施工阶段分为：加固完成→第2、4、6、8、10、12、15楼板浇筑完成→整体竣工。 加固竣工是指地下室及地上一层钢管混凝土加固改造的竣工。 整体竣工是指建筑物主体结构的竣工和各层墙体砌筑的竣工（即装修的开始）。 由于整个改造阶段耗时较长，不在监控范围内。

对监测数据进行处理后，可得到后钢管钢筋混凝土柱组合截面各部分在实际荷载作用下的应力增长曲线，分别如图4～图6所示，其中横坐标1～9代表不同施工情况阶段。

图4 灌浆材料垂直平均应力-时间变化曲线

图4 灌浆材料竖向平均应力-时间变化曲线

图5 后钢管竖向平均应力-时间变化曲线

图5 缠绕后钢管竖向平均应力-时间变化曲线

图6 纵向钢筋平均应力-时间变化曲线

图6 纵向钢筋平均应力-时间变化曲线

可以看出，各加固柱内灌浆材料、后部钢管和纵向钢筋的竖向平均应力增长趋势大致相同，并随着上部荷载的增加而逐渐增大，整体呈线性增长。 灌浆料的竖向应力最终达到8.0~9.5MPa，竖向应力达到C50灌浆料设计抗压强度的1/3； 后钢管应力最终达到40~45MPa，竖向应力达到Q345钢的设计抗压强度。 纵向钢筋的竖向应力最终达到50~70MPa，竖向应力达到HRB400钢筋抗压强度设计值的1/7~1/5。 组合截面各部分材料仍处于弹性工作阶段。 后钢管可作为竖向承重构件，承受上部荷载，后钢管与灌浆材料在荷载作用下变形协调。

2 数值分析模型

2.1 ABAQUS模型及参数设置

本文利用ABAQUS有限元软件建立数值分析模型。 核心混凝土、高强灌浆材料、后部钢管均采用8节点降积分格式的三维实体单元C3D8R。 柱内钢管上的纵向钢筋、箍筋、螺栓均采用。 连接灌浆材料和核心柱的定位杆使用空间桁架单元进行建模。 矩形钢管不采用壳单元模拟，是因为当径厚比较大时，采用壳单元可以减少模型的计算时间，但不能反映矩形钢管竖向应力应变的实际变化。

剪力螺栓使用拉杆绑定连接钢板的端部节点和内表面节点。 首先通过实体加法的布尔运算将纵向钢筋和箍筋组合成钢骨架，然后通过嵌入区域约束对灌浆材料和钢骨架进行模拟。 ABAQUS软件可以自动确定钢保持架在整个模型中的位置。 螺栓、定位杆和灌浆材料也通过嵌入区域约束进行模拟。

在模拟施工阶段的加载过程中，为便于计算，可将楼板简化为基于无限刚度假设的底端固定模型，并将柱上端设置为自由端，不加任何力。限制。 在自由端施加负载。 为了避免柱顶应力集中导致模型不收敛，在试件端部设置刚性加载板。 端部承载板与加固柱截面的相互作用采用约束约束。 具体方法是在试件加载端的顶部设置一个参考点，将加载板上的所有自由度耦合到该参考点。 最后在参考点的某一点施加荷载，使柱顶能够承受均匀的荷载。

为了考虑方钢管与灌浆材料之间的摩擦滑移，本文将钢-混凝土接触面定义为“面与面接触”，法向行为为“硬接触”，切向行为为“惩罚”; 同一灌浆材料与芯柱的接触面为“面与面接触”，正常行为为“硬接触”，切向行为为“罚点”。 根据 DAI 等人的研究。 [3]，并结合本工程抗剪件的螺柱、传力杆的安装，钢管与灌浆材料之间的摩擦系数应设置为0.6，C50灌浆材料与C30混凝土之间的摩擦系数应将其设置为 0.8。 有限元模型的网格划分如图7所示。

图7 有限元模型

图7 有限元模型

2.2 物质本构关系模型

本文的钢管本构关系采用王等人试验中的五段模型。 [5]。 钢筋本构关系采用理想弹塑性模型。

现有文献中尚无约束灌浆材料的本构关系模型。 本文参考了吴渊等人的灌浆材料应力应变曲线。 [6-7]，其表达式为：

本文在建立核心区混凝土本构模型时，充分考虑钢管对核心区混凝土的约束作用，采用韩林海提出的约束混凝土模型[8]。 该模型充分考虑了钢管产生的环向效应，可在ABAQUS有限元分析软件中应用，且具有良好的收敛性。

2.3 数值模拟加载分析

利用PKPM软件建立不同施工阶段的建筑模型，计算出3根监测柱在不同工况下的设计内力值。 将计算出的各柱在不同施工阶段的轴力值加载到有限元模型上。 计算结果与监测结果的对比分析可以验证有限元模型建立是否合理。 组合断面后部钢管、灌浆材料和纵向钢筋的应力增长曲线对比如图8所示。

图8 监测结果与计算结果对比

图8 监测与计算结果对比

可以看出，各部位应力增长的监测与计算曲线基本一致，说明有限元模型中相关参数设置合理，与实际工程中的加固柱一致。 本文提出的后置钢管混凝土柱加固方法可以达到理想的效果。

2.4 极限承载力分析

从上述数值分析模型计算结果与跟踪监测计算结果的相互验证可以看出，有限元模型与实际钢筋柱的受力机制较为接近。 利用有限元软件可以确定后钢管钢筋混凝土柱的极限承载力。 力分析。

采用ABAQUS有限元软件建立无筋E2柱模型，即原C30钢筋混凝土柱。 钢筋为HRB400级，尺寸为700mm×600mm×4300mm。 使用三维实体单元 C3D8R 对混凝土进行建模。 钢笼使用空间桁架单元建模。 。 构件之间的相互作用与后置钢管钢筋混凝土柱模型一致。 C30混凝土柱模型的下固定端是固定的，上固定端需要受到三个方向的旋转约束。 使用ABAQUS耦合命令将设定的参考点RP-2连接到垫块上，并在参考点上施加20mm的位移载荷。

同样，相同的约束和位移载荷也应用于后置钢管钢筋混凝土柱模型。 分别经过数值分析计算，可以得到加固前后柱的N-μ曲线，如图9所示。图中，N为轴力，μ为位移。

图9 N-μ曲线

图9 N-μ曲线

可以看出，原钢筋混凝土柱的轴压承载力为15651kN，而采用后式钢管混凝土加固的柱轴压承载力显着提高至28637kN，是承载力的1.8倍。原钢管混凝土柱的承载力。 。 表明采用这种加固方法可以大大提高原钢筋混凝土柱的承载力。

3 结论

(1)本文基于现场跟踪监测，对实际工程中后置钢管钢筋混凝土柱进行分析。 可见，该组合柱中的灌浆材料、纵向钢筋和后置钢管能够共同作用，协调变形。

(2)利用有限元软件建立相应的数值模型。 监测结果与计算结果对比表明，有限元模型相关参数设置合理，与实际工程中的加固柱相符。

(3)利用有限元软件对加固柱的极限承载力进行分析，可以看出，后置钢管钢筋混凝土柱的承载力明显高于加固前。

（4）研究结果表明，后装式钢管钢筋混凝土柱的极限强度和构件延性得到显着提高，可形成真正的强柱弱梁，可在实际工程中应用。 为国内钢筋混凝土结构加固提供了一种新方法，可供实际工程设计参考。

(5)这种新型加固方法适用于新旧建筑的加固，不改变原柱的截面，也不影响其性能。 它使用螺柱和定位杆连接器来解决使用结构粘合剂时的寿命问题。 ，使其具有与结构相同的使用寿命，大大提高了经济效益和显着的社会效益。

参考：

[1] 彭才杰. 圆形空心夹芯混凝土钢管柱力学性能研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2013.

[2] 陈孝祥. 背覆钢管混凝土柱轴力特性研究[D]. 上海：同济大学，2007。陈孝祥。 背覆钢管混凝土柱轴力特性研究[D]. 上海:同济大学,2007.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部。 混凝土结构加固设计规范：GB 50367-2013[S]。 北京：中国建筑工业出版社，2013。中华人民共和国住房和城乡建设部.加强混凝土结构设计规范：GB 50367—2013[S]。北京：中国建筑工业出版社，2013。 （用中文（表达）

[4]戴.jcsr.2010.02.003。

[5]王建峰,沉庆华.轴压薄壁RECFST短柱数值分析与设计[J].薄壁结构,2018,129:166-182.DOI:10.1016/j.tws.2018.03 .024.

[6] 吴媛，王凯，杨晓静，等。 水泥基灌浆材料基本力学性能试验研究[J]. 建筑结构, 2014, 44(19): 6, 95-98. DOI：10.19701/j.jzjg。 2014.19.019.吴媛,王凯,杨晓静,等.水泥基灌浆料基本力学性能试验研究[J].建筑结构,2014,44(19):6,95-98.DOI:10.19701/j .jzjg.2014.19.019.（中文）

[7] 吴媛，杨晓静，王凯，等。 灌浆材料单轴压应力-应变曲线试验研究[J]. 工业建筑，2014，44（增刊）：903、909-913。 DOI: 10.13204/j.gyjz2014 .s1.151.吴源,杨晓静,王凯,等.单轴压缩水泥浆应力-应变曲线试验研究[J].工业建设,2014,44(补充) ):903,909-913.DOI :10.13204/j.gyjz2014.s1.151.(中文)

[8]韩林海. 钢管混凝土结构——理论与实践[M]． 北京：科学出版社，2007：105。韩林海。 钢管混凝土结构——理论与实践[M]． 北京：科学出版社，2007：105.