第1章 绪论
　　1.1 研究背景与意义
　　混凝土结构是土木工程建设中用途最广、用量最大的结构形式，其安全性关系着国家社会经济的可持续发展。然而，大量在役混凝土结构经历长期使用后，结构性能劣化[1]，加之早年混凝土结构荷载设计值偏低或设计不当导致其不满足现行规范，使用功能改变等要求混凝土结构具有更高的承载力和延性等，自然灾害导致构件出现损伤等，已严重影响到结构的安全性和使用性[2]。全世界每年花费在结构加固和修复上的费用已超过1000亿美元[3]，中国工程院以及住房和城乡建设部的数据表明，我国约40％建筑物的安全性降低[4，5]。若要对这些存在安全隐患的建筑物全部拆除重建，不仅耗费大量的资源，重建周期长，给国家带来不可估量的经济损失，而且容易产生大量难以降解的建筑废弃物，造成环境污染[6]。因此，为确保人民生命安全、保障社会经济持续发展，在正确评估混凝土结构损伤程度的基础上，迫切需要通过行之有效的维修加固方法来提升这些混凝土结构的服役性能，全面消除安全隐患，恢复和延长其使用寿命，这不仅符合“碳达峰”“碳中和”的国家战略需求，也是我国社会和经济发展迫切需要解决的重要问题。
　　在混凝土结构加固工程中，柱子加固约占维修加固工程中的50％。目前，对钢筋混凝土(RC)柱的加固方式主要包括增大截面加固法[7-9]、外粘纤维增强聚合物(FRP)加固法[10-12]、外包钢加固法[13，14]、置换混凝土加固法等[15，16]，尽管这些加固方法均能提高混凝土柱受力性能，但它们有各自的适用范围。当遇到厂房改造、桥梁加固改造、高耸结构加固等需要大幅度提高承载力、刚度和延性时，这些方法已经不能很好地满足混凝土柱受力性能提升的需求。因此，探索新型的加固技术对混凝土柱结构加固具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　钢–混凝土组合结构是由钢和混凝土这两种不同的建筑材料共同组成、共同受力的结构体系，充分利用了钢和混凝土各自的材料性能[17，18]。钢–混凝土组合结构具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、构件截面尺寸小、施工快速等优点。组合结构优越的力学性能为混凝土结构加固提供了新的思路，作者于2005年针对广西梧州某大桥的桥墩加固工程，提出了新型的外套钢管夹层混凝土加固混凝土柱技术，对桥墩进行加固，如图1.1所示，使其形成了性能优异的新型组合结构，室内和现场试验均表明该方法大幅度提高了混凝土墩柱的承载力和刚度等。
　　图1.1 广西梧州某大桥的桥墩加固
　　外套钢管夹层混凝土加固技术的思路是将两个半圆形(或［形)钢外套于原RC柱，现场焊接成圆形(或方形)套管，在套管与原RC柱间隙浇筑高流动性混凝土，使其形成整体性能优越的组合柱。外套钢管可以为夹层混凝土和原RC柱提供充分约束，提高被约束混凝土的强度和延性，充分发挥各组成材料的力学性能；夹层混凝土保证外套钢管和原RC柱共同工作，同时也作为重要的受力组成部分。外套钢管作为夹层混凝土浇筑的模板，减少支模和拆模程序，简化施工；加固后原RC柱被外部夹层混凝土和外层钢管所包裹，耐火性能显著提高。即使火灾导致外层钢管失效，原RC柱依然可以承担竖向荷载，不会导致结构的立刻坍塌。外套钢管夹层混凝土易更换，当外套钢管夹层混凝土遭遇损伤时，可清除外套钢管夹层混凝土，进行再次维修加固。根据原RC柱的受力性能提升幅度的需求，可调整外套钢管壁厚、夹层混凝土面积及材料的强度等，实现受力性能提升幅度的可控设计，并具有优越的可靠性。因此，外套钢管夹层混凝土加固技术具有明显的优势，可高效、快速、可控地提升混凝土柱受力性能，应用前景广阔[19]。
　　1.2 国内外研究现状
　　采用外套钢管夹层混凝土加固RC柱后，形成了新型钢管混凝土组合柱，原RC柱受到外套钢管的约束作用，这与钢管混凝土柱有一定相似之处，但两者又有本质区别。对于钢管混凝土柱，钢管与核心混凝土处于同时受力状态。而对于组合加固柱，由于加固时不能做到完全卸载，外套钢管夹层混凝土存在应变和应力滞后现象；另外，夹层混凝土和原核心混凝土材料不同。这使得混凝土和钢管的应力分布以及钢管所产生的约束作用与钢管混凝土完全不同。因此，要保证外套钢管夹层混凝土加固RC柱的安全性和可靠性，探索外套钢管夹层混凝土加固RC柱的静力和抗震性能是其重要的基础工作。经过多年的研究与工程应用，作者主编完成了中国工程建设标准化协会标准《外套钢管混凝土加固混凝土柱技术规程》(T/CECS1217—2022)，随着该规程的实施，外套钢管夹层混凝土加固RC柱技术应用将进一步规范化、程序化和法律化。
　　1.2.1 外套钢管夹层混凝土加固RC短柱轴压性能的研究
　　外套钢管夹层混凝土加固RC短柱承受轴心受压是最基本的受力状态，是研究其工作机理的基础，也是研究复杂受力状态下外套钢管夹层混凝土加固RC柱力学性能的前提条件。因此，研究外套钢管夹层混凝土加固RC短柱轴压性能非常重要。
　　Sezen等[20]通过15个试件研究增大截面加固、外粘FRP加固和外套钢管混凝土加固RC柱的受力性能，分析不同加固方法对RC柱受力性能提升的影响，结果表明外套钢管混凝土加固RC柱的承载力、延性和刚度同时获得显著提高。Priestley等[21，22]进行了椭圆形钢套管混凝土加固RC方柱的试验，结果表明椭圆形钢套管混凝土加固显著提升了原RC方柱的侧向刚度和延性。蔡健等[23，24]通过11个试件研究圆钢套管混凝土加固RC方柱的轴压性能，结果表明，组合加固柱承载力大于各组成部分纵向承载力的叠加，该方法显著提高了原RC方柱承载力。在此基础上，他们提出了基于叠加法的组合加固柱承载力计算公式。然而，钢套管和RC柱的间隙相对狭窄，因此普通混凝土很难填充密实，钢管和内填混凝土的界面粘结能力被严重削弱，进而影响到钢管对核心混凝土的约束作用。
　　结合工程实际情况，卢亦焱提出新型外套钢管夹层混凝土加固柱技术，采用
　　流动性能好的微膨胀自密实混凝土填充于钢管与原RC柱间隙，并基于圆形和方形钢管的不同约束机理，针对工程上最普遍的圆套圆、圆套方、方套方、方套圆等四种截面形式，系统开展外套圆钢管夹层混凝土加固RC圆柱和RC方柱、外套方钢管夹层混凝土加固RC圆柱和RC方柱的试验研究、数值模拟及理论分析，研究参数为外套钢管径(宽)厚比、外套钢管强度、夹层混凝土强度、加载方式、加固方式、二次受力等[25-50]。结果表明：钢管径(宽)厚比对外套圆钢管夹层混凝土加固RC柱承载力和延性的影响显著，外套圆钢管夹层混凝土加固显著提高了其承载力、延性和刚度等，其中，承载力提高2～5倍；外套圆钢管夹层混凝土加固RC柱试件的提高幅度显著优于增大截面加固RC柱试件。对于外套圆钢管夹层混凝土加固RC柱，由于外套钢管对核心混凝土的约束作用，三向受压下核心混凝土的极限强度和延性得到显著提高。在试件达到极限承载力以后，钢管仍能对核心混凝土提供良好的约束，试件的最终极限应变可以达到0.015，显著改善了原RC柱的脆性破坏特征。对于外套方钢管夹层混凝土加固RC柱，由于方钢管产生的约束力不均匀，其核心混凝土强度的提高、约束效果的发挥和加固材料的利用率方面不及外套圆钢管夹层混凝土加固RC柱；但是，与增大截面法相比，在用钢量基本相同且加固截面更小的情况下，其承载力和延性等显著优于后者，说明外套钢管的约束作用仍有较好发挥。

目录
序
前言
第1章绪论1
1.1研究背景与意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1外套钢管夹层混凝土加固RC短柱轴压性能的研究3
1.2.2外套钢管夹层混凝土加固RC中长柱轴压性能的研究5
1.2.3外套钢管夹层混凝土加固RC短柱偏压性能的研究5
1.2.4外套钢管夹层混凝土加固RC柱抗震性能的研究7
1.3本书的主要内容8
第2章外套钢管夹层混凝土加固RC短柱轴压性能10
2.1引言10
2.2外套圆钢管夹层混凝土加固RC圆柱轴压性能试验研究10
2.2.1试验概述10
2.2.2试验结果与分析13
2.3外套圆钢管夹层混凝土加固RC方柱轴压性能试验研究19
2.3.1试验概述19
2.3.2试验结果与分析21
2.4外套方钢管夹层混凝土加固RC圆柱轴压性能试验研究30
2.4.1试验概述30
2.4.2试验结果与分析32
2.5外套方钢管夹层混凝土加固RC方柱轴压性能试验研究37
2.5.1试验概述37
2.5.2试验结果与分析39
2.6数值分析44
2.6.1内力分解法44
2.6.2有限元计算53
2.7承载力统一计算模型61
2.8承载力计算77
2.9本章小结80
第3章外套钢管夹层混凝土加固RC中长柱轴压性能82
3.1引言82
3.2外套圆钢管夹层混凝土加固RC中长圆柱轴压性能试验研究82
3.2.1试验概述82
3.2.2试验结果与分析83
3.3外套圆钢管夹层混凝土加固RC中长方柱轴压性能试验研究89
3.3.1试验概述89
3.3.2试验结果与分析90
3.4外套方钢管夹层混凝土加固RC中长圆柱轴压性能试验研究95
3.4.1试验概述95
3.4.2试验结果与分析97
3.5外套方钢管夹层混凝土加固RC中长方柱轴压性能试验研究102
3.5.1试验概述102
3.5.2试验结果与分析102
3.6数值分析108
3.6.1纤维模型法108
3.6.2有限元计算114
3.7承载力计算126
3.8本章小结128
第4章外套钢管夹层混凝土加固RC短柱偏压性能129
4.1引言.129
4.2外套圆钢管夹层混凝土加固RC圆柱偏压性能试验研究129
4.2.1试验概述129
4.2.2试验结果与分析130
4.3外套圆钢管夹层混凝土加固RC方柱偏压性能试验研究136
4.3.1试验概述136
4.3.2试验结果与分析137
4.4外套方钢管夹层混凝土加固RC圆柱偏压性能试验研究142
4.4.1试验概述142
4.4.2试验结果与分析143
4.5外套方钢管夹层混凝土加固RC方柱偏压性能试验研究151
4.5.1试验概述151
4.5.2试验结果与分析151
4.6数值分析156
4.6.1纤维模型法156
4.6.2有限元计算162
4.7承载力计算175
4.8本章小结179
第5章外套钢管夹层混凝土加固锈蚀RC柱受力性能180
5.1引言180
5.2外套钢管夹层混凝土加固锈蚀RC圆柱轴压性能试验研究180
5.2.1试验概述180
5.2.2试验结果与分析182
5.3外套钢管夹层混凝土加固锈蚀RC圆柱偏压性能试验研究187
5.3.1试验概述187
5.3.2试验结果与分析188
5.4氯盐环境下外套钢管夹层混凝土加固锈蚀RC柱耐久性研究193
5.4.1试验概述193
5.4.2锈蚀钢管的材料力学性能试验结果与分析195
5.4.3锈蚀钢管夹层混凝土加固柱轴压性能试验结果与分析200
5.5锈蚀钢管夹层混凝土加固柱的可靠度分析206
5.5.1承载力退化模型206
5.5.2考虑抗力退化的可靠度分析208
5.6本章小结216
第6章外套钢管夹层混凝土加固RC柱抗震性能218
6.1引言218
6.2外套圆钢管夹层混凝土加固RC圆柱抗震性能试验研究219
6.2.1试验概述219
6.2.2试验结果与分析221
6.3外套圆钢管夹层混凝土加固RC方柱抗震性能试验研究230
6.3.1试验概述230
6.3.2试验结果与分析232
6.4外套方钢管夹层混凝土加固RC方柱抗震性能试验研究245
6.4.1试验概述245
6.4.2试验结果与分析245
6.5数值分析253
6.5.1纤维模型法253
6.5.2有限元计算258
6.6本章小结264
参考文献266