一种搭接锚固缺陷柱的预应力螺纹杆-角钢主动约束加固装置及方法

1.本发明属于结构工程领域，涉及一种用于方形截面柱的加固装置和设计方法，可用于搭接锚固方形截面柱的改造加固。


背景技术：

2.既有钢筋混凝土柱类构件多采用搭接的方式连接纵向受力钢筋，这类构造措施可能无法满足修订、升级后的建筑规范的要求；此外，柱类构件的底部配筋要求也随着现行规范的不断升级发生变化，因此有必要对此类构件进行加固改造。对构件施加侧向约束作为提高钢筋混凝土构件抗震性能的有效方法，成为了加固改造的主流。当前加固技术可分被动约束和主动约束两类，其区别在于：被动约束技术的约束力出现在构件出现横向变形之后，此时构件内部已经出现了内部破坏；主动约束技术的约束力出现在构件发生横向变形之前，可以引起构件一定程度的预应变，从而抵消部分轴向压力带来的横向变形。由此可见，主动约束装置的服役时间更早，效果也更好。
3.常见的主动约束加固方法可分为四类，分别是预应力状态下的碳纤维布(frp)加固、钢板(箍)加固、形状记忆金属sma加固和其他复合加固方法。这些方法适用于钢混、钢结构等大多数建筑结构，可提高试件的抗震性能，改善开裂情况，但存在着施工复杂、影响试件自身刚度等局限性，因此，工程中需要一种操作简单、对结构自身影响小的主动约束加固方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向方形截面搭接锚固缺陷柱的主动约束方法，包括主动约束加固装置及配套设计方法。本发明可以用于绑扎搭接工艺和通长搭接的矩形截面梁、柱构件，装置可加设在锚固搭接区域，特点为(1)可分布式加设，安装灵活，且不影响构件自身刚度；(2)可模块化生产，使用者可根据本装置的配套设计方法，自主选取需要的装置尺寸、数量。
5.为了达到上述技术目的，本发明的技术方案为：
6.一种用于方形截面柱加固的螺纹杆-角钢主动约束加固装置，所述加固装置可按照设计方法多层布置，其中每层结构包括四个布置于方形截面柱四个侧面的精轧螺纹杆系1，布置于精轧螺纹杆系1端部的杆系附带高强螺栓5，布置于精轧螺纹杆系1上的调位套筒6；所述精轧螺纹杆系1(螺纹杆)为中空杆状结构，设有外螺纹，每根精轧螺纹钢1上带有一对高强螺栓5；所述调位套筒6用于调整高强螺栓5的位置。
7.进一步的，所述的螺纹杆-角钢主动约束加固装置还包括四个约束模块2，固定于方形截面柱四个顶面，用于传递侧向主动约束力。所述的接触模块2由l形转角接触角钢3和固定于转角接触角钢3两个外端面的两个连接角钢4组成，具体的：转角接触角钢3内侧面与方形截面柱固定连接，外侧面通过连接角钢4与精轧螺纹杆系1连接。
8.进一步的，所述的连接角钢4为l形结构，其一个端面设有用于穿过精轧螺纹杆系1的螺纹孔8，两个端面之间设有构造加劲肋7，用于保证连接角钢4的强度。
9.进一步的，所述的调位套筒6的数量根据设计方法和实际情况确认，保证高强螺栓5能通过扳手调节预应力即可。
10.一种用于方形截面柱加固的螺纹杆-角钢主动约束加固方法，基于上述加固装置实现，具体实施步骤如下:
11.第一步：确定加固所需侧向约束力。
12.1.1：根据所需加固搭接锚固缺陷柱设计时的对应设计手册，确定出加固对象(搭接锚固缺陷柱)的搭接长度ls。
13.1.2：明确ls后，根据公式(1)，计算出加固需要的总侧向约束力f
l
。
[0014][0015]
式中，f
l
为n层装置需要施加的总侧向约束力，ns为锚固搭接钢筋数量，设计方法取值为1，ls为加固对象的既有搭接长度，db为加固对象的纵向钢筋直径。ab为纵向钢筋的横截面面积，fy为纵向钢筋的屈服强度设计值/实测值，f’c
为混凝土柱的混凝土抗压强度，c为混凝土保护层厚度。上述公式1来自于：harajli m h,dagher f.seismic strengthening of bond-critical regions in rectangular reinforced concrete columns using fiber-reinforced polymer wraps[j].aci structural journal,2008,105(1):68-77.
[0016]
第二步：确定装置安装位置、数量及约束模块尺寸。
[0017]
2.1：确定装置安装层数n。装置安装于搭接区段ls内，搭接接头处布置一层，其余布置位置根据工程情况确定，装置的有效约束区域应覆盖整个搭接区域，安装层数n根据工程情况确定，一般为n取值为2或3。
[0018]
2.2：确定装置约束模块高度b，高度可根据如下公式求得；
[0019]
n(b+4c)≥ls[0020]
具体的，b的取值范围为：
[0021][0022]
式中，n为安装层数，b为约束模块高度，c为混凝土柱混凝土保护层厚度，ls为加固对象的搭接长度。
[0023]
进一步地，确定出安装层数n和约束模块高度b后，可根据下述公式进行验算，反复迭代，求得最优解。
[0024]
nb/ls≤0.55
[0025]
2.3：确定约束模块宽度，约束模块的宽度w根据下式确定；
[0026]
w∈[0.2a,0.5a],a＞0
[0027]
式中，a为混凝土柱宽度。
[0028]
2.4：确定约束模块厚度t，约束模块角钢的厚度根据下式确定；
[0029][0030]
式中，σs为约束模块材料的屈服强度，n为装置安装层数，b为约束模块高度，n和b在上述步骤中已经确定，σs可翻阅制作材料参数表得知。
[0031]
第三步：确定连接模块尺寸。
[0032]
3.1：确定螺纹杆直径；
[0033][0034]
式中，f
l
为n套装置所需要的总侧向约束力，n为装置层数，f
l
/n即为每套装置上，每根螺纹杆的所需拉力，d为螺纹杆直径，σb为螺纹杆材料的屈服强度。
[0035]
3.2：确定连接模块细节尺寸；
[0036]
进一步的，连接模块细节尺寸需满足如下公式：
[0037][0038]
式中，f
l
为n层装置需要施加的总侧向约束力；βf为正面角焊缝的强度设计值增大系数；d1、b2、b3、h2为连接模块的细节尺寸，具体的：d1为螺纹孔直径，b1为连接模块底板厚度，b2为连接角钢的宽度，b3为连接角钢的长度，h1为连接模块的高度，h2为螺纹孔下边缘至连接角钢下下底板的高度；τ
fav
和σ
fav
为约束模块所受的内力，f
t
为单个精轧螺纹杆所受拉力，e为f
t
和接触模块之间的间距，f
fw
为角焊缝的强度设计值。在设计中，建议近似取h1＝b2＝b3。
[0039]
阶段性的，在完成上述四个步骤之后，即可开始加工装置。
[0040]
第四步：计算所需扭矩。
[0041][0042]
式中，μ'为摩擦系数，当加工表面为干燥加工表面时，取值为0.1-0.16，当加工表面为有润滑的加工表面时，取值为0.06-0.10。ls为加固对象的既有搭接长度；db为加固对象的纵向钢筋直径；ab为纵向钢筋的横截面面积；fy为纵向钢筋的屈服强度设计值/实测值；fc′
为混凝土柱的混凝土抗压强度；c为混凝土保护层厚度。
[0043]
第五步：安装装置。
[0044]
按照1-3步确定的各种参数，对装置加工生产并进行安装，步骤如下：
[0045]
5.1：清理加固位置表面的凸起部分，确保装置的转角接触角钢3和加固对象表面贴合紧密，以获得最好的加固效果；
[0046]
5.2：将精轧螺纹钢杆系1穿过连接角钢4上的螺纹杆孔8，并在精轧螺纹钢杆系1外侧安装调位套筒6和高强螺栓5，调位套筒6的连接位置，将一层装置的四组约束模块均通过精轧螺纹钢杆系1在指定位置连接好，用扳手拧动高强螺栓5，施加预紧力分两段进行，第一段对各个螺栓施加目标扭矩的20％，保证装置在指定位置不因为重力发生脱落；第二段对
四根精轧螺纹钢杆均匀施加扭矩，当四根螺纹杆上的扭矩均到达目标扭矩后，装置安装工作即可结束。
[0047]
本发明的有益效果为：
[0048]
(1)可大幅提高加固对象的抗震性能。本装置可增强钢筋和混凝土之间的粘结能力，从而大幅提高加固对象的延性、改善刚度衰退情况，最后提高加固对象在地震作用下抵抗破坏的能力。
[0049]
(2)可根据不同尺寸的柱子进行精细定制，根据所给的设计流程，可针对不同年代、不同情况的老旧混凝土柱进行加固。
附图说明
[0050]
图1是本发明的整体结构示意图；
[0051]
图2是本发明的装置平面图；
[0052]
图3是连接精轧螺纹杆系示意图；
[0053]
图4是约束模块示意图；
[0054]
图5是连接角钢示意图；
[0055]
图6是实施步骤中第二步2.1的参数示意图；
[0056]
图7是实施步骤中第二步2.2、2.3的参数示意图；
[0057]
图8是实施步骤中第三步的参数示意图；
[0058]
图中：1精轧螺纹钢杆，2约束模块，每个约束模块2由3转角接触角钢和4连接角钢组成；5高强螺栓；6调位套筒；7构造加劲肋；8螺纹孔。
具体实施方式
[0059]
以下结合附图和技术方案，通过设计实例，进一步说明本发明装置的具体实施方法。
[0060]
一种用于方形截面柱加固的螺纹杆-角钢主动约束加固装置，所述加固装置可按照设计方法多层布置，其中每层结构包括四个布置于方形截面柱四个侧面的精轧螺纹杆系1，布置于精轧螺纹杆系1端部的杆系附带高强螺栓5，布置于精轧螺纹杆系1上的调位套筒6；所述精轧螺纹杆系1(螺纹杆)为中空杆状结构，设有外螺纹，每根精轧螺纹钢1上带有一对高强螺栓5；所述调位套筒6用于调整高强螺栓5的位置。
[0061]
设计参数：截面宽度为400mm的方形截面钢筋混凝土锚固搭接柱，混凝土强度等级为c30，钢筋为20mm直径的hrb400带肋钢筋，搭接长度为700mm。进一步的，对于上述设计实例，f’c
＝24mpa,ls＝700mm,db＝20mm，fy＝360mpa,ab＝314.5mm2。混凝土保护层厚度c＝40mm。
[0062]
安装及使用步骤为：
[0063]
第一步：确定加固所需侧向约束力。
[0064][0065]
第二步：确定装置安装位置、数量及约束模块尺寸。
[0066]
搭接区域长度为700mm，选取三层加固，搭接接头一层，柱根一层，中间一层，此时n＝3。
[0067]
根据第二步所给公式，计算出b的取值范围
[0068]
b∈[73,128]
[0069]
取b＝120mm。
[0070]
对b和n进行验算，
[0071]
n(b+4c)＝3
×
(120+4
×
40)＝840≥ls＝700
[0072]
尺寸合理。
[0073]
约束模块的宽度w取值范围为：
[0074]
w∈[80,200],a＞0
[0075]
取w＝100mm。
[0076]
约束模块的厚度取值范围是
[0077][0078]
具体的，n＝3，b＝120mm，选用市场常见的45号钢材，σs＝405.430mpa，f
t
＝f
l
/3＝47.91kn。
[0079]
求得t≥1.09mm
[0080]
取t＝20mm。
[0081]
第三步：确认连接模块尺寸。
[0082]
3.1：确定螺纹杆直径；
[0083][0084]
式中，n为装置安装层数，f
l
为n层装置所需要的总约束力，d为螺纹杆直径，σb为螺纹杆所用材料的屈服强度，一般取为和装置材料一致，计算可得d≥12.26mm,安全起见，d取为32mm。
[0085]
3.2：确定连接模块细节尺寸；
[0086]
根据公式
[0087][0088]
取b2＝b3＝h1＝80mm,b1＝10mm,d1＝d＝32mm,h2＝24mm,将上述参数带入验算，符合要求。
[0089]
第四步：计算所需扭矩。
[0090]
根据公式，所需扭矩为：
[0091][0092]
第五步：进行装置的安装工作。
[0093]
在第一步中已经确定，装置安装层数为3层，安装位置确定为搭接区域接头处一
层，柱根一层，搭接区域中间一层。确定安装位置后，具体安装操作可按照上述步骤进行。
[0094]
本装置可应用于按照旧规范设计建造的锚固搭接混凝土柱，经试验验证效果如下：
[0095]
加固对象为30d搭接的混凝土柱(d为纵向钢筋直径，验证试验中取为20mm)，搭接长度为700mm。经过装置加固后，混凝土的位移延性系数提高114％，不同加载级别下，加固试件/不加固试件的刚度比值最高为1.6，说明该装置可以有效提高搭接长度不足混凝土柱的延性，改善刚度衰退情况，从而提高混凝土柱的抗震性能。
[0096]
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种搭接锚固缺陷柱的预应力螺纹杆-角钢主动约束加固装置，其特征在于，所述加固装置可根据实际情况布置多层结构，其中每层结构包括四个布置于方形截面柱四个侧面的精轧螺纹杆系(1)，布置于精轧螺纹杆系(1)端部的杆系附带高强螺栓(5)，布置于精轧螺纹杆系(1)上的调位套筒(6)，固定于方形截面柱四个顶面的四个约束模块(2)；所述精轧螺纹杆系(1)为中空杆状结构，设有外螺纹，每根精轧螺纹钢(1)上带有一对高强螺栓(5)；所述调位套筒(6)用于调整高强螺栓(5)的位置。2.根据权利要求1所述的一种搭接锚固缺陷柱的预应力螺纹杆-角钢主动约束加固装置，其特征在于，所述的接触模块(2)由l形转角接触角钢(3)和固定于转角接触角钢(3)两个外端面的两个连接角钢(4)组成；转角接触角钢(3)内侧面与方形截面柱固定连接，外侧面通过连接角钢(4)与精轧螺纹杆系(1)连接。3.根据权利要求2所述的一种搭接锚固缺陷柱的预应力螺纹杆-角钢主动约束加固装置，其特征在于，所述的连接角钢(4)为l形结构，其一个端面设有用于穿过精轧螺纹杆系(1)的螺纹孔(8)，两个端面之间设有构造加劲肋(7)，用于保证连接角钢(4)的强度。4.根据权利要求1所述的一种搭接锚固缺陷柱的预应力螺纹杆-角钢主动约束加固装置，其特征在于，所述的调位套筒(6)的数量根据设计方法和实际情况确认。5.一种用于方形截面柱加固的螺纹杆-角钢主动约束加固方法，其特征在于，所述加固方法基于权利要求1-4任一所述的加固装置实现，包括以下步骤:第一步：确定加固所需侧向约束力；1.1：根据实际情况确定加固对象即搭接锚固缺陷柱的搭接长度l
s
；1.2：确认l
s
后，计算出加固需要的总侧向约束力f
l
；第二步：确定装置安装位置、数量及约束模块尺寸；2.1：确定装置安装层数n；装置安装于搭接区段l
s
内，搭接接头处布置一层，其余布置位置根据工程情况确定，装置的有效约束区域应覆盖整个搭接区域，安装层数n根据工程情况确定，2.2：确定装置约束模块高度b，高度根据如下公式求得；n(b+4c)≥l
s
具体的，b的取值范围为：式中，n为安装层数，b为约束模块高度，c为混凝土柱混凝土保护层厚度，l
s
为加固对象的搭接长度；确定安装层数n和约束模块高度b后，根据下述公式进行验算，反复迭代，求得最优解；nb/l
s
≤0.552.3：确定约束模块宽度，约束模块的宽度w根据下式确定；w∈[0.2a,0.5a],a＞0式中，a为混凝土柱宽度；2.4：确定约束模块厚度t，约束模块角钢的厚度根据下式确定；
式中，σ
s
为约束模块材料的屈服强度，n为装置安装层数，b为约束模块高度；第三步：确定连接模块尺寸；3.1：确定螺纹杆直径；式中，f
l
为n套装置所需要的总侧向约束力，n为装置层数，f
l
/n即为每套装置上，每根螺纹杆的所需拉力，d为螺纹杆直径，σ
b
为螺纹杆材料的屈服强度；3.2：确定连接模块细节尺寸；连接模块细节尺寸需满足如下公式：式中，f
l
为n层装置需要施加的总侧向约束力；β
f
为正面角焊缝的强度设计值增大系数；d1、b2、b3、h2为连接模块的细节尺寸，具体的：d1为螺纹孔直径，b1为连接模块底板厚度，b2为连接角钢的宽度，b3为连接角钢的长度，h1为连接模块的高度，h2为螺纹孔下边缘至连接角钢下下底板的高度；τ
fav
和σ
fav
为约束模块所受的内力，f
t
为单个精轧螺纹杆所受拉力，e为f
t
和接触模块之间的间距，f
fw
为角焊缝的强度设计值。第四步：计算所需扭矩；式中，μ'为摩擦系数，当加工表面为干燥加工表面时，取值为0.1-0.16，当加工表面为有润滑的加工表面时，取值为0.06-0.10；l
s
为加固对象的既有搭接长度；d
b
为加固对象的纵向钢筋直径；a
b
为纵向钢筋的横截面面积；f
y
为纵向钢筋的屈服强度设计值/实测值；f
′
c
为混凝土柱的混凝土抗压强度；c为混凝土保护层厚度；第五步：安装装置；5.1：清理掉加固位置表面的凸起部分，确保装置的转角接触角钢(3)和加固对象表面贴合紧密，以获得最好的加固效果；5.2：将精轧螺纹钢杆系(1)穿过连接角钢(4)上的螺纹杆孔(8)，并在精轧螺纹钢杆系(1)外侧安装调位套筒(6)和高强螺栓(5)，调位套筒(6)的连接位置见图2，将一层装置的四组约束模块均通过精轧螺纹钢杆系(1)在指定位置连接好，用扳手拧动高强螺栓(5)，施加预紧力分两段进行：第一段对各个螺栓施加目标扭矩的20％，保证装置在指定位置不因为重力发生脱落；第二段对四根精轧螺纹钢杆均匀施加扭矩，当四根螺纹杆上的扭矩均到达目标扭矩后，装置安装工作即可结束。6.根据权利要求5所述的一种用于方形截面柱加固的螺纹杆-角钢主动约束加固方法，其特征在于，所述的步骤1.2中，根据下述公式计算加固需要的总侧向约束力f
l
：
式中，f
l
为n层装置需要施加的总侧向约束力，n
s
为锚固搭接钢筋数量，设计方法取值为1，l
s
为加固对象的既有搭接长度，d
b
为加固对象的纵向钢筋直径；a
b
为纵向钢筋的横截面面积，f
y
为纵向钢筋的屈服强度设计值/实测值，f’c
为混凝土柱的混凝土抗压强度，c为混凝土保护层厚度。7.根据权利要求5所述的一种用于方形截面柱加固的螺纹杆-角钢主动约束加固方法，其特征在于，所述的步骤2.1中，n取值为2或3。

技术总结
本发明提供一种搭接锚固缺陷柱的预应力螺纹杆-角钢主动约束加固装置及方法，属于结构工程领域。所述加固装置根据实际情况布置多层结构，每层结构包括四个布置于方形截面柱四个侧面的精轧螺纹杆系，布置于精轧螺纹杆系端部的杆系附带高强螺栓，布置于精轧螺纹杆系上的调位套筒；每根精轧螺纹钢上带有一对高强螺栓，通过调位套筒调整高强螺栓的位置。还包括四个约束模块，固定于方形截面柱四个顶面，用于传递侧向主动约束力。本发明可大幅提高加固对象的抗震性能。可根据不同尺寸的柱子进行精细定制，根据所给的设计流程，可针对不同年代、不同情况的老旧混凝土柱进行加固。不同情况的老旧混凝土柱进行加固。不同情况的老旧混凝土柱进行加固。


技术研发人员：张学 赵宇恒 郭昱峰 赵艾琳
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/6