现浇钢筋混凝土结构的混凝土质量有时会出现严重偏离设计要求的情况,对框架柱而言,可能会发生混凝土强度沿柱子高度分布严重不均匀。比如,某住宅小区中心花园下为单层车库,采用钢筋混凝土框架结构,其中某根柱子下部范围混凝土强度严重不满足设计要求,屋盖覆土后发生柱子局部高度范围混凝土压溃现象(图1);某高层框架-剪力墙结构的底层框架柱,现场检测发现部分柱子混凝土强度在层高范围内分布不均匀,其中某根柱子局部高度范围混凝土强度实测值仅为30MPa,达不到设计等级C60的要求(图2),而此时上部结构已施工若干层,缺陷柱子已承担很大的竖向荷载。

　　 混凝土质量缺陷可以归纳为局部高度范围内框架柱的承载力缺陷,工程上解决办法一般可以在以下3种方案中选择。

　　 对图1所示的情况,上部覆土卸载后柱子承担的荷载较小,在引入支撑措施的前提下可以对不满足设计要求的混凝土进行置换处理。对图2所示的情况,缺陷混凝土虽然不满足设计要求,但自身强度较高,加上柱子钢筋密集,采用置换法处理存在困难;此外,柱子承担的荷载很大,如果一次性置换缺陷混凝土,需要很强的支撑措施,不仅造价高,施工安全风险也很大;即使分步置换,工期相应会延长。

　　 增大截面加固法简单易行,容易满足承载力要求,但也存在相应的缺点:柱子截面相应增大,通常还需要有搭接层。由于这些缺点,一些情况下开发商及业主不会接受增大截面加固法。

　　 钢管自密实混凝土能有效提高柱子的受压能力,但同样会增大柱子截面,在不允许增大截面的情况下其应用会受到限制。

　　 分析可见,对施工中框架柱局部高度范围内混凝土强度低于设计要求的质量缺陷,置换法、增大截面加固法和钢管自密实混凝土加固法有时不能满足加固要求,需要谋求新的加固方法。

　　 鉴于钢管混凝土以及钢管约束混凝土能有效提高混凝土轴向受压承载力,对缺陷区混凝土具有较高强度值得利用的情况,可以考虑在缺陷高度范围内引入约束钢管,利用钢管的约束效应提高缺陷区柱子的受压承载力,并使其达到设计要求的承载力水平,从而形成本文所述的基于钢管约束混凝土概念的方形截面框架柱局部高度范围受压承载力的加固方法。采用这一方法时,只针对柱子缺陷区段加固,并要求加固后柱子截面与原设计截面相同,这样既可以取得较好的经济性、缩短施工工期,也不改变原来的建筑效果。

　　 方形截面钢管混凝土能显著提高柱子的受压能力和延性,相关的研究成果已经在《钢管混凝土结构技术规程》(GB 50936—2014) ^[1](简称钢管混凝土规程)中得到反映,并在混凝土结构工程中获得广泛应用。传统钢管混凝土结构技术中,钢管与混凝土均会承担竖向荷载,并可能使钢管发生屈曲 ^[2,3]。在方钢管内引入加劲措施,能推迟甚至避免管壁屈曲 ^[4,5]。Masahide Tomii等 ^[6]提出在方形截面框架柱塑性铰区外套矩形钢板围套,极大地改善了柱子的耗能能力,开创了钢管约束混凝土的应用。周绪红等 ^[7]对方钢管约束混凝土轴压短柱受压性能进行了试验研究,结果表明随着钢管壁厚和混凝土强度增加,抗压强度增加的同时延性相应降低。

　　 钢管约束混凝土的概念已成功引入钢筋混凝土结构加固领域。Halil Sezen等 ^[8]完成了包括使用玻璃纤维、碳纤维、钢筋混凝土围套、钢管、镂空钢管等约束方式在内的共计15个轴心受压钢筋混凝土加固试件的试验研究,指出在上述各种约束加固方式中,钢管约束混凝土加固在承载力和延性方面提高最为显著。卢亦焱等 ^[9]对采用方钢管自密实混凝土加固方形截面钢筋混凝土受压短柱的轴压性能进行了试验研究,并与增大截面加固法进行了比对,研究表明,采用钢管自密实混凝土加固法能显著提高柱子的承载力和延性,并明显优于增大截面加固法。李杉等 ^[10]对采用圆钢管混凝土加固钢筋混凝土方形截面偏心受压短柱的受力性能进行了试验研究和有限元分析,表明受压承载力和变形能力得到了显著提高。

　　 采用钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱能有效提高其承载力,但同时会明显增大柱子截面,并且必须对柱子全高进行加固。本文利用基于钢管约束混凝土概念的方形截面框架柱局部高度范围受压承载力,对以下问题进行研究:1)提出切实可行的构造和施工方案,并在试验中验证;2)作为初步试验研究,采用轴心受压的方式研究加固后柱的轴向受压性能。

　　 由于只针对柱子有承载力缺陷的局部高度范围进行加固,需要保证加固完成后钢板与相邻无缺陷区段柱子表面齐平,因此加固钢板应嵌入柱子混凝土保护层以内,钢板与混凝土之间的间隙则采用压力灌注水泥浆的方法进行填充,为此采用如下构造和工艺设计:

　　 (1)依据检测鉴定结论,在柱子上划线确定约束钢管的包覆范围,该范围在高度方向应超出实际缺陷区最外边缘至少50mm。

　　 (2)根据钢板厚度和钢板与基层混凝土之间的预留间隙,凿除加固区段表层混凝土,并清除松动碎块,清水冲洗干净。凿除混凝土前,边界应采用电动砂轮切槽,以防边界倒棱。

　　 (3)在缺陷区柱子四面安装钢板并焊接封闭。上、下水平边界采用环氧树脂基密封胶封闭,并在底面边界安装注浆管,在对边上边界安装出浆管,如图3所示。

　　 (4)通过注浆管向钢板与混凝土之间的间隙内灌注清洁水,保持24h,使其充分浸润结合面一定深度范围的混凝土。

　　 (5)完全放空钢管内的水,及时灌注配制好的水泥浆,并确保钢管与混凝土之间的间隙全部灌注密实。

　　 工艺过程中,浸润混凝土是为了避免水泥浆失水不能自由流动,确保灌注密实;水泥浆应进行试配,并满足强度和灌注性要求。

　　 共设计了3个方形截面钢筋混凝土轴心受压试件(图4),截面均为300×300,试件全长1 100mm,其中两端长度各400mm范围混凝土设计等级为C50;中间段300mm长度范围混凝土设计等级为C25,用于模拟局部高度范围混凝土强度低于设计要求的情况。

　　 各试件配筋完全相同,钢筋材料均为HRB400,柱子纵筋混凝土净保护层厚度为25mm。截面四角配置420钢筋;中间薄弱区段箍筋8@120;对两端箍筋进行加强,配筋10@(65～75)。

　　 约束钢管采用4块钢板焊接围合,钢板材料为Q235,设计厚度分别为2,4,6mm,其对应的实测厚度分别为1.80,3.45,5.41mm,相应构成加固试件JGZ-1,JGZ-2,JGZ-3。表1给出了各试件钢筋和加固钢板的实测力学参数。

　　 试件制作时先浇筑中间低等级区段,获得一定强度后拆除端模板,并对结合面粗糙化处理后再浇筑两端高等级混凝土区段。试件中间区段低等级混凝土以及两端高等级混凝土分别采用一次拌制的混凝土浇筑。每一批次浇筑的混凝土分别留置2组150×150×150的标准立方体试块,并与试件混凝土同条件养护。

　　 钢板覆盖范围内的表层混凝土清除深度10mm。表层混凝土清除、润湿、钢板安装、密封和注浆严格按前述工艺要求执行。灌浆料采用拉法基水泥P·O525(R)配制,其最终配合比是在满足强度和灌注性的前提下确定的。全部试件一次完成注浆,并留置了2组70.7×70.7×70.7的水泥浆立方体试块。图5为缺陷区表层混凝土凿除后的情况,正在利用钢丝刷清除松动碎块;图6为压力注浆的情景。

　　 水泥浆固化后敲击检查全部约束钢板覆盖范围,未发现不密实现象。

　　 试验前对留置的混凝土试块和砂浆试块进行了强度测试,其中缺陷模拟段的混凝土立方体抗压强度为28.90MPa,无缺陷模拟段的混凝土立方体抗压强度为71.55MPa,水泥浆取各强度试件中的最低值为55.0MPa。

　　 试验采用5 000kN伺服压力试验机完成。为使试件尽量处于轴心受压状态,在试验机上、下压板与试件相应端面之间利用塑性状态的环氧树脂砂浆进行接触性调节,并在环氧砂浆完全固化后进行加载。

　　 利用试验系统内置的压力传感器测量试件所受的轴向压力。除试件JGZ-1只在每个侧面布置了一套位移传感器外,其余试件每个侧面分别布置2套位移传感器,用于测试试件全高范围和加固区段高度范围的轴向压缩变形,并以各自4个侧面的实测平均值代表相应区段的压缩变形。在试件每个侧面钢板中心线和靠近边缘的位置,沿竖直方向分别布置了4个应变花,用以测量钢板的受力状态。试验情景和测试仪表的布置如图7所示。

　　 正式加载前,按每级50kN加载至150kN,每级荷载下,检查加载系统及测试系统是否正常,确认正常后完全卸载。正式加载采取两种控制方式,在实时显示的荷载-位移曲线尚未达到屈服的上升阶段,按荷载增量控制,每级荷载增量50kN,每级荷载下保持荷载约1min,并进行数据采集和试件状态观察;当实时荷载-位移曲线发生屈服,则及时调整为持续缓慢的位移加载模式,并连续进行数据采集,直至试件破坏。

　　 各试件自加载至承载力破坏的过程中呈现的特征和破坏形态基本相同。在未达到极限荷载的80%以前,各试件外形未见明显变化;超过极限荷载的80%后,逐渐出现混凝土剥裂声,检查发现与约束钢板上、下边缘相接的无缺陷段表层混凝土局部剥裂,厚度与钢板厚度大致相当,此时钢板本身出现轻微鼓胀现象;超过极限荷载以后的持续变形过程中,除了上述混凝土剥裂现象有所增多和钢板鼓胀更明显以外,没有其他明显变化,上、下两端无缺陷混凝土模拟段未见裂缝发生。3个试件达到极限承载力后都经历了较大的塑性变形,试件JGZ-1的约束钢管最终在焊缝处出现拉脱破坏。图8(a)为试件JGZ-1钢板焊缝拉脱的情形,剥开钢板检查,发现混凝土已经产生明显的塑性变形,柱子纵筋也出现压曲现象(图8(b));图8(c)为试验终止后约束钢板上、下边缘处混凝土的典型剥裂现象。

　　 对试件JGZ-1,仅测量了柱子全长范围各级荷载下的轴向变形;试件JGZ-2,JGZ-3除测量柱子全长范围的轴向变形外,还测量了各级荷载下加固区段的轴向变形。图9为实测全长范围和实测加固段范围的荷载-变形曲线。由图9可见,自加载开始至试件屈服,荷载-变形曲线基本上呈直线变化;此外,在弹性阶段,不同试件全长范围实测荷载-变形曲线与加固段实测荷载-变形曲线基本重合。

　　 钢板表面粘贴电阻应变片的实测数据表明,各试件约束钢板的应变特征大体相同,表现为竖向承担压应力,水平向承担拉应力。图10为试件JGZ-3约束钢板同一侧面中线和角部附近竖向线上应变随荷载的变化情况。很明显,在屈服荷载以前,钢板侧面中线和角部附近竖向线上的应变发展和分布规律是相似的,不同高度处水平方向拉应变发展比较均衡,但竖向应变表现了更大的离散性。

　　 从图10还可以看出,自加载开始,钢板水平应变即随着荷载增长而线性增加,表明缺陷模拟段的混凝土受压后,基于泊松现象的横向膨胀能使约束钢板产生相应的约束,这一点只能在约束钢板与被约束混凝土之间紧密接触的条件下才可能实现。这一试验现象证明钢板内侧注浆饱满、注浆工艺可靠。另外,自加载开始,钢板竖向应变也相应增加,表明钢板与注入的水泥浆之间存在较强的粘结,钢板端面与混凝土深度面之间也可能存在直接的压力传递现象,导致约束钢管不仅在水平方向受拉,竖直方向也直接承担压力,增加了钢板屈曲的风险,需要在构造上进一步完善。

　　 受测试仪表安装的限制,实测柱子全长变形其实是包含缺陷模拟段和无缺陷模拟段在内的接近柱子全长范围的轴向变形,加固段范围除缺陷模拟段外也包含了一段无缺陷混凝土区段(两端各70mm)。为了更准确地反映轴心压力作用下缺陷模拟段和无缺陷模拟段的受力特征,需要根据前述实测轴向变形推算出两个区段内各自的荷载-应变关系曲线。

　　 假定任意荷载级别下混凝土缺陷模拟段和无缺陷模拟段的轴心压应变沿长度均匀分布,经推导可以求出缺陷模拟段和无缺陷模拟段混凝土轴心受压应变分别为:

　　 $\begin{array}{l}\epsilon {}_{\text{d}\text{e}\text{f}\text{e}\text{c}\text{t}}=\frac{\delta {}_1-2t\epsilon {}_{\text{n}\text{o}\text{n}-\text{d}\text{e}\text{f}}}{h{}_1}(1\text{a})\\ \epsilon {}_{\text{n}\text{o}\text{n}-\text{d}\text{e}\text{f}}=\frac{\delta {}_2-\delta {}_1}{h-h{}_1-2t}(1\text{b})\end{array}$

　　 式中:ε_defect,ε_non-def分别为缺陷模拟段和无缺陷模拟段的压应变;δ₁,δ₂分别为实测加固段范围和实测全长范围的轴向变形;几何参数h₁,h和t含义见图7。

　　 根据式(1)得到缺陷模拟段和无缺陷模拟段的荷载-应变曲线见图11。本文试验序列未专门设置针对缺陷区段的混凝土轴心受压对比试件。假定位于试件中部的缺陷混凝土处于轴心受压状态,可以根据缺陷模拟段混凝土试块的立方强度28.9MPa推算出单轴抗压强度为21.96MPa(考虑到本试验序列混凝土试块与混凝土试件同条件养护,直接取轴心抗压强度为立方体强度的0.76倍),再按照现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[11](简称混规)给出的单轴受压本构关系,并假定受压纵筋为完全弹塑性材料并且不考虑屈曲问题,则可以计算出试件缺陷模拟段不加固时的荷载-应变曲线(图11),同时还求得了缺陷段不加固时的承载力计算值为2 995.0kN。

　　 对比图11中各组荷载-应变曲线可以看出,在弹性阶段,使用不同厚度约束钢板加固的全部试件,缺陷区段和无缺陷混凝土区段的荷载-应变曲线基本重合。对比缺陷模拟段不加固时的计算荷载-应变曲线可以发现,在其达到计算承载力的60%之前,荷载-应变曲线与其他荷载-应变曲线基本重合,之后不加固缺陷模拟段的荷载-应变曲线逐渐偏离加固试件,压缩刚度逐渐减小。本试验序列缺陷模拟段的混凝土实测立方体抗压强度为28.90MPa,而无缺陷模拟段混凝土实测立方体抗压强度为71.55MPa,两者弹性模量比值约为1.2,说明虽然无缺陷模拟段的混凝土强度达到缺陷模拟段的2.5倍,但弹性模量只提高了大约20%,使得弹性阶段无缺陷模拟段的荷载-应变曲线与不加固缺陷模拟段荷载-应变曲线十分接近;结合约束钢板横向实测应变可知,自加载开始,加固试件约束钢板即对缺陷模拟段混凝土产生了约束效应,使缺陷模拟段的压缩刚度有所提高,达到与无缺陷模拟段压缩刚度基本相同的程度。这一现象具有重要意义,表明混凝土柱出现局部高度范围强度缺损时,要解决的主要问题是承载力加固,采用约束钢板加固后不同强度混凝土区段在屈服前纵向压缩刚度差异不大,其差异甚至可以忽略不计。

　　 但是,试件屈服后,加固试件缺陷模拟段和无缺陷模拟段的荷载-应变曲线具有明显不同的表现,试件纵向变形主要发生在缺陷区段;超过极限荷载后,缺陷模拟段塑性变形持续发展,无缺陷模拟段则处于卸载状态。具有更强约束的试件JGZ-3屈服荷载明显高于JGZ-2,但屈服后的刚度却低于JGZ-2。

　　 表2列出了各试件的承载力实测值。由表2可见,随着约束钢板厚度增加,试件承载力相应增加,表明采用注浆工艺的约束钢管能有效提高柱子缺陷区段的承载力。根据试验结果,各加固试件承载力由缺陷模拟段控制,因此可根据缺陷模拟段混凝土、钢筋和钢板材料强度实测值,按钢管混凝土规程第5.1.2条规定的方法计算受压承载力,其结果如表2所示。承载力实测值与混规计算值的比值均小于1.0,表明现行钢管混凝土规程关于轴心受压承载力计算的相关公式不能直接用于约束钢管混凝土加固柱子轴心受压承载力的验算。

　　 Mander等 ^[12]提出了约束混凝土的强度模型,并获得广泛应用。该模型考虑了截面内箍筋核心区存在非约束区域的现象,还考虑了箍筋间距内存在非约束区域的现象,其约束抗压强度按下式计算:

　　 $f{}_{\text{c}\text{c}}´=f{}_{\text{c}\text{o}}´(-1.254+2.254\sqrt{1+\frac{7.94f{}_{l^{\prime }}}{f{}_{\text{c}\text{o}}´}}-2\frac{f{}_{l^{\prime }}}{f{}_{\text{c}\text{o}}´})(2)$

　　 式中:f_l′为核心区横向有效约束应力;f_c0′为混凝土单轴抗压强度;f_cc′为核心混凝土约束后轴心抗压强度。

　　 在计算横向有效约束应力时,忽略缺陷模拟段混凝土中箍筋的影响,只考虑约束钢板的约束效应,并且将约束钢板视为高度方向连续分布的箍筋。在确定截面内非约束混凝土范围时,结合Mander模型针对钢筋混凝土截面的处理方式,按图12的方式进行约束范围和非约束范围的划分。由于Mander模型中核心区定义为箍筋中心线以内的范围,本文利用Mander模型计算柱子轴心受压承载力时的截面面积取为约束钢板厚度中心线围成的面积。

　　 比较表2中缺陷模拟段Mander模型的承载力计算值与实测值可以发现,该模型能很好地用于约束钢管混凝土加固时受压承载力验算,并且略偏于安全。对约束钢管相对较弱的情况(如试件JGZ-1),由于计算中忽略核心混凝土中箍筋约束的影响,其计算结果更偏于安全。

　　 试验过程中约束钢板上、下边缘附近无缺陷模拟段出现了混凝土剥裂现象,剥裂厚度与钢板厚度大致相当,这是本文基于钢管约束混凝土概念的方形截面框架柱局部高度范围受压承载力的加固方法所特有的一种现象。为了避免加固柱子在正常使用状态下出现混凝土剥裂现象,需要对剥裂产生的原因和剥裂荷载进行分析。

　　 表3为各加固试件的剥裂荷载实测值(以最先出现剥裂现象时的最小荷载为准)、承载力实测值。由表3可见,实测剥裂荷载与极限承载力之间存在较为一致的关系,即剥裂荷载大致为极限承载力的80%。鉴于剥裂荷载与极限承载力之比不小于0.80,可以推断,此时缺陷模拟段混凝土内部裂缝已发展比较充分,产生了较为明显的膨胀效应,使钢板端面在相邻混凝土深度面上产生向外的剪应力分布;此外,无缺陷模拟段混凝土通过封闭胶也会在钢板端面传递压应力。上述剪应力和压应力的共同作用使得钢板端面附近混凝土出现表层剥裂现象。

　　 由于剥裂现象只发生在与钢板厚度相当的混凝土表层,不会影响无缺陷模拟段的承载力,但仍应进行控制,以确保加固柱子良好的使用性能。为评价正常使用状态下出现剥裂现象的风险,表3还列出了加固试件的承载力设计值,此处所谓承载力设计值是将承载力实测值除以混凝土的材料分项系数1.4获得的。很明显,剥裂荷载与加固试件的承载力设计值存在较为稳定的比例关系,且剥裂荷载大于承载力设计值,因此可以初步认为,约束钢管混凝土加固柱子局部高度范围时,正常使用状态下不会出现混凝土的剥裂现象。

　　 针对实际工程柱子局部高度范围混凝土可能存在强度缺陷的事实,本文提出了在缺陷高度范围采用约束钢管加固的方法。该方法要求加固后的钢板表面与无缺陷区段柱子表面齐平;为解决不能在钢管内浇筑混凝土的问题,采取压力灌注水泥浆使钢管内混凝土能与钢管内壁紧密接触,并提出了相应的施工工艺。本文按照提出的工艺制作加固试件,并完成了3个局部高度范围采用约束钢管加固的钢筋混凝土轴心受压短柱的试验,对试验结果进行分析得到以下初步结论:

　　 (1)所提出的施工工艺能确保钢管内水泥浆灌注密实;压力作用下,钢管能对管内混凝土产生有效约束。

　　 (2)采用注浆工艺的约束钢管能有效提高柱子缺陷区段的轴心受压承载力。

　　 (3)构件屈服前,缺陷区段加固后的压缩刚度可以达到与无缺陷区段基本相同的水平;但在屈服后,构件的压缩变形几乎全部发生在缺陷区段。

　　 (4)在柱子发挥出极限承载力之前,约束钢板上、下边缘附近无缺陷区段表层混凝土可能发生剥裂现象,剥裂厚度与钢板厚度大致相当;剥裂荷载略大于极限承载力的80%,对试验数据的初步分析表明,正常使用条件下柱子不会发生混凝土剥裂现象。

　　 (5)对极限承载力实测值的分析表明,采用钢管混凝土规程对局部缺陷高度范围约束钢管混凝土加固柱子进行承载力验算偏于不安全;利用Mander模型计算的柱子加固段轴心受压承载力与试验结果吻合良好。

　　 虽然本文针对框架柱局部高度范围的受压承载力加固进行研究,但其成果适用于柱子净高范围的加固。本文的研究成果不能用于缺陷进入节点范围的情况,因为由于楼面梁的存在,约束钢板不能围合,不能对混凝土产生有效的约束作用。