本文是一篇 土木工程论文，本文对一种新型加固方法-全螺栓预应力格构钢加固技术， 通过对5根试件进行偏心受压试验，研究在不同偏心率影响下，试件的破坏现象及模式、承载力变化情况、各部件应力应变分布规律、荷载-位移变化规律等。
1 绪论
1.1 研究背景
地震、火灾等灾害会对建筑物造成不同程度的损伤作用，将既有建筑拆除重建代价过大，所以加固对于恢复受损结构承载功能，保证建筑安全意义重大。在设计基准期内，现有的钢筋混凝土建筑物因结构设计失误、材料性能退化、提升使用年限、变更使用功能和老旧建筑设计规范标准过低等因素会对建筑物安全性和适用性提出新的要求，危旧建筑补强加固和整体性能提升是迫在眉睫的难题。通过对已有建筑物进行维修加固，可提高原结构的刚度、强度、耐久性、安全性、适用性以及稳定性。我国正处于城市建设的新建与加固维修并举时期，并且已经颁布了GB 50367-2013《混凝土结构加固设计规范》，应该根据建筑类别、加固目标和经济效益等指标来选择合理的加固方法。
实际当中，钢筋混凝土框架柱加固性能提升十分常见；从目前的加固方法看，总体上分为干式与湿式两种。干式加固法包括：外包钢管加固法、外包型钢加固法、粘贴复合材料加固法等；湿式加固法包括：增大截面法、置换混凝土法等。干式加固施工效率高，构件尺寸增加少，承载力提高显著，但传统角钢加固等方法需要现场焊接，残余应力、残余变形等影响较大，对施工要求较高，加固质量难以保证，应用范围有限；纤维布等柔性缠绕加固方法，主要起到环向约束作用，对于提高构件刚度等性能指标作用不够明显。湿式加固通过增大截面可显著提升原有结构刚度与承载能力，但现场需要支模、湿作业较多，施工时间长且较为复杂，整体的有效使用面积减少，新旧混凝土界面粘结强度不易保证。外包钢加固法由于需要现场焊接，焊接变形较大，施工速度也有待提高。螺栓连接具有施工速度快，质量易保证等优势；预应力加固可有效提高构件刚度，约束混凝土裂缝开展。因此，将螺栓连接、预应力与传统外包钢加固技术进行有机结合，开展全螺栓预应力格构钢加固技术研究，具有显著的工程意义。
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1.2 国内外研究现状
建筑行业的蓬勃发展关乎整个国民经济的改善和提升，与人民的生活和社会的稳定息息相关。纵观整个国外建筑业发展史，以美国、法国、德国和英国为代表的西方发达国家，都经历了新建、加固和改造三个阶段。随着国际局势的日新月异和经济大环境的整体停滞，西方各国对于建筑行业的投资在国民经济中占比逐年降低，但对旧房屋加固改造所占的比例不断提升，基本达到国家建设总投资的50％以上。
我国对混凝土结构加固的研究历史较短，从80年代开始，但关于结构加固的研究进展速度快，成果显著，目前已有40余本国家、行业和地方标准相继发布，针对加固技术、设计方案和施工工艺等方面进行了系统全面化研究，结合社会发展现状和实际工程问题，推陈出新，不断完善已有加固方法和推出新型加固方法。因此，结构加固工程的升级和完善，在建筑行业的地位越来越重要。
我国现行《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）中常用加固方法包括：增大截面法、外包型钢法、置换混凝土法等；具体可分为强度型加固法、延性型加固法和隔震、减震结构加固法等，针对实际工程问题，选取不同的加固方法以实现加固目的。本文提出的新型加固方法是依据外包钢加固、增大截面和预应力加固进行复合加固，对以上三种加固方法进行国内外文献简单列举。
1.2.1增大截面法研究现状
增大截面加固法顾名思义，通过对增加构件截面面积进行加固，是实际工程中应用最为广泛的加固方法之一。以下对其部分研究现状进行汇总：
2016年Shiping Yin[7]等通过研究TRC (Textile Reinforced Concrete)加固混凝土柱在氯离子侵蚀下的抗震性能，结果表明：TRC对减轻钢筋腐蚀和混凝土裂缝有明显作用。在不同程度的腐蚀环境下，加固试件延性与腐蚀比呈负相关，但TRC的约束效率随之增大。
2017年Shiping Yin[8]等通过进行TRC加固轴心受压混凝土柱在常规和氯盐干湿循环环境下的力学性能试验。研究发现：TRC的约束能力能够改善受压柱的破坏模式。随着纤维布层数的增加，加固试件承载力和延性均有所提高。
2019年Keun-Hyeok Yang[9]提出了一种新的基于预制钢排布方式的截面增大加固技术，将V - ties作为夹套截面中的补充横向钢筋，以增强非抗震或退化柱的结构性能。试验表明预制棒单元箍加固的柱的轴向延性比现有柱提高了1.39倍以上。
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2加固试件设计与试验概况
2.2 试件设计
2.2.1钢筋混凝土柱设计
本试验依据规范《GB50367-2013》设计制作1根未加固柱和4根加固柱。试件通过木模成型，卧式浇筑，在户外进行一般养护。结合实际的加固情况和实验室设备因素，确定试件尺寸。原柱截面尺寸250×250mm，高度1000mm，属于短柱；混凝土采用C50等级，保护层厚度20mm，箍筋采用HPB300级Φ8mm双肢箍，纵筋采用4根HRB400级Φ14mm钢筋，配筋率为0.98%，低于1.5%配筋率设计要求，属于缺陷构件；在RC柱两端添加尺寸为500×500×300mm的端头；具体尺寸及配筋见图2-1。试验共设计制作5根试件，设计参数如表2-1所示。
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2.3 试件制作
2.3.1试件加工
考虑试件偏心率的影响，最终确定加固柱的参数，具体见表2-1。首先绑扎钢筋笼，按照试验计划应变片分布图进行应变片粘贴工作，支模并浇筑混凝土。对混凝土试件进行室外一级养护，七天后，进行拆模工作， 28天后，完成养护工作。钢筋混凝土柱浇筑流程见图2-4。
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2.3.2试件加固
在RC柱四角分别布置1组格构钢，通过缀板两两连接。全螺栓格构钢加固步骤见图2-5：首先，在钢筋混凝土柱角部固定格构钢，并在截面1、3、6处，通过拧紧高强螺栓对试件施加横向预应力，按照扭矩大小进行控制；四周施加预紧力后，在截面2、4、5处连接缀板，见图2-6；固定牢固后，将1、3、6处施加件更换为缀板；预应力施加完成。至此，完成加固，见图2-7。
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3 加固柱偏压试验现象及破坏模式 ...................... 17
3.1 偏压试验现象 ..................................... 17
3.1.1 试件Z1 试验现象 ............................. 17
3.1.2 试件Z2 试验现象 ................................. 19
4 试验数据分析 ................................... 29
4.1 偏压试验荷载-位移与应变分析 ...................... 29
4.1.1 试件荷载-位移曲线 ......................... 29
4.1.2 延性分析 ................................................. 29
5 预应力格构钢加固RC短柱有限元分析 ......................................... 43
5.1 概述 ......................................... 43
5.2 本构关系 ......................................... 43
6 承载力计算方法
6.2 轴心受压承载力计算公式
6.2.1全螺栓预应力格构钢加固机理
根据全螺栓预应力格构钢加固机理与混凝土约束区受力模型，进行加固件极限承载计算研究，如图6-1所示。
基于叠加原理，分为预应力作用(图6-1a)和格构钢约束(图6-1b)两部分。四个角部的格构钢，通过螺栓拉力作用，沿肢长对其接触的混凝土形成挤压作用。其中，角部受到双向预应力挤压，当构件受到竖向荷载作用时，其处于三向受压状态，定义其为强约束区。对于加固件边缘格构钢肢长宽度范围，受到单向挤压作用，轴心荷载作用下，处于双向挤压状态，定义其为弱约束区。对于传统钢筋混凝土构件轴心荷载作用下，角部易发生混凝土开裂情况，预应力可对角部薄弱区进行加强，可有效缓解混凝土角部破坏问题。同时，弱约束区形成的环向挤压带，可形成一定的套箍作用，以对内部混凝土形成约束效果。
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格构钢约束作用与角钢类似，当作用有竖向荷载时，格构钢对混凝土接触面边缘起角45°向中心形成挤压作用，交叉十字形区域内混凝土处于三向受压状态，定义为有效约束区；截面其他区域受到轴压作用时，处于弱约束作用，定义为非有效约束区。预应力格构钢约束模式为两者进行叠加，如图(图6-1c)所示；针对预应力格构钢加固机理进行分析，与传统角钢相比，预应力格构钢的约束范围提高，基本形成全截面约束；不同区域的约束程度不相同，角部受到的约束最大。增加预应力后，格构钢局部稳定性提高；当混凝土发生横向变形，格构钢约束作用提高更加显著，两者协同工作能力提高。
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7 结论与展望
7.1 结论
本文对一种新型加固方法-全螺栓预应力格构钢加固技术， 通过对5根试件进行偏心受压试验，研究在不同偏心率影响下，试件的破坏现象及模式、承载力变化情况、各部件应力应变分布规律、荷载-位移变化规律等。基于试验结果基础，建立有限元模型进行验证，并进行拓参分析，研究该加固方法的加固机理和破坏模式，并推导其偏压短柱承载力计算公式。本文主要结论如下：
（1）在偏心荷载作用下，未加固柱发生脆性破坏。通过对比未加固柱与预应力格构钢加固柱，研究发现：加固柱的承载能力与延性显著高于未加固柱；破坏模式发生改变，由脆性破坏变化为有塑性发展过程的延性破坏，出现较平稳的下降段；格构钢与混凝土受力均匀，芯柱混凝土处于三向受压应力的状态，整体性得到明显改善，该加固方法在整体性提升方面具有显著效果。
（2）在不同偏心率影响下，对全螺栓预应力格构钢加固柱进行偏心受压试验，对试验结果和破坏现象进行进一步研究，分析发现：偏心率对该新型加固方法有较大影响；随着偏心率的增加，试件极限承载力明显下降，试件延性明显提升，破坏区域从柱中下部向上部移动，即沿着力的作用方向发生移动，破坏模式发生改变；当偏心率较大时，发生斜向45°压剪破坏；
（3）同一偏心率作用下，加固试件相较于非加固试件极限承载力提高1071kN，增幅约为49%。极限承载力与偏心率呈负相关，芯柱混凝土受力模式发生改变，当偏心率为0.3、0.4、0.5和0.6时，相对应的极限承载力分别为3659 kN、3246 kN、2905 kN和2598 kN，呈较明显的规律递减，当偏心率每增加0.1，承载力降低约10%。偏心率对承载力、延性、侧向挠度、钢筋应变、格构钢应变和混凝土应变影响较大，对刚度和截面应变分布影响较小。
参考文献（略）