混凝土結構置換支撐技術的全過程控制研究

余興華 馬躍強 呂 林

1. 河南工程學院土木工程學院 鄭州 451191；2. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；3. 上海正軼建筑設計有限公司 上海 200092

1 工程概況

背景項目為框筒結構，地下3層，地上47層，屋頂結構標高160 m。施工至地上6層時，經施工單位現場回彈發現2層及3層個別柱混凝土強度低于設計要求，且由于客觀因素不能拆除重建或進行結構加固補強處理，只能對該部分柱混凝土進行置換處理。混凝土置換施工前必須對該部分柱進行可靠支撐，以保證上部結構荷載向下傳遞途徑，鑒于柱結構混凝土置換存在極大的風險，必須通過全過程施工控制計算作為依據，以保證混凝土置換過程的安全。

2 支撐方案

2.1 施工方案制定時需考慮的因素

（a）支撐體系設置和原結構不是一個整體，如果設計不夠可靠，將會給結構帶來裂縫、變形或更嚴重事故；

（b）支撐體系的設計不但要考慮到承載力、變形、錨固等問題，還應當考慮拆除施工空間、拆除振動對支撐的不利影響；

（c）拆除柱要整體替換，即核心區混凝土也要替換，使固結節點變成鉸接；

（d）混凝土柱自身已承受較大荷載，支撐體系的托力要和目前受荷情況接近，頂撐力過大或過小，都會給結構帶來附加應力；

（e）從混凝土柱的替換部位看，相鄰的兩柱同時要進行替換，核心區混凝土拆除后，連接2 根柱的梁失去了支點，如果處理不當，該區域梁板容易出現塌陷；

（f）個別柱連續2層均需要替換，一次替換量大，支撐體系更需考慮周全；

（g）無法使用大型機械設備，尤其拆除時勁性柱的型鋼不能受到擾動。

2.2 置換支撐及施工方案

（a）在柱的四周架設H型鋼撐桿，柱的上下端均頂在梁的位置，施加一定的頂升力，以抵消該柱所承受的豎向荷載；

（b）置換層的上層和下層同樣設置支撐，并靠近上下節點使拆換層的力合理傳至相鄰層的核心區；置換方案的整體思路如圖1所示；

（c）對于支撐體系施加頂撐力的方法是：先將H型鋼就位，型鋼的頂端固定焊接牢固，從下部架設千斤頂頂升，然后打入鋼楔，焊接加勁板；

（d）根據柱子目前荷載情況進行計算，選擇合適的千斤頂，使卸荷量接近實際受力；

（e）在拆除層的上段設置1 道環梁，增加支撐體系的整體性，在梁柱核心區拆除以后不至于發生水平錯動；

（f）按照實際施工情況重新建模計算，找到結構的薄弱環節，重點進行加固處理；

（g）加強施工監測，制定應急預案，先支撐后拆除，拆除后柱的沉降變形控制在2.5 mm以內。

（h）對于個別特殊的柱（同一柱多層拆除），制定合理的拆除順序。

（i）拆除和重新澆筑時,可采用輕型拆除工具（如風鉆、風鎬）拆除柱子混凝土，也可部分采用靜態破碎技術將混凝土酥松，混凝土拆除后保留原有豎向鋼筋，并利用植筋增補一定的鋼筋，混凝土澆筑時強度提高一級。

3 全過程控制計算

3.1 結構建模

（a）結構已施工至地上6層，但為了保證置換施工過程中的荷載安全儲備，結構計算模型考慮地上第8層；

（b）結構1～6層結構梁、板、柱均現場實際施工尺寸進行建模，第7層及第8層按結構施工圖進行建模計算；

（c）恒載僅考慮結構自重，樓面施工活荷載考慮2 kN/m2；不考慮地震作用及風荷載作用；

（d）臨時鋼支撐與原結構連接節點在置換過程中模擬為鉸接；

（e）混凝土置換柱樓層上下端梁柱核心區節點在置換過程中模擬為鉸接，如圖2所示。

圖1 置換支撐立面

圖2 置換支撐計算模型

3.2 置換支撐施加預應力

為減緩支撐型鋼應力滯后的影響，以便最大限度發揮置換支撐的作用，采用千斤頂對支撐型鋼進行預加載。在SAP2000軟件中，采用對支撐構件施加變形荷載的形式進行加載，本項目支撐型鋼變形暫取1.5 mm，由置換柱樓層層高3.20 m計算可得初始預加應力為1 020 kN，初始壓應變為0.000 4。

3.3 置換部位變形分析

由分析計算，柱混凝土置換過程中各置換撐桿托換點的豎向及水平（兩個方向）位移如表1所示。表1中各置換撐桿托換點位移作為在置換支撐施工過程中千斤頂施加預加應力后梁柱核心區節點頂升量的控制依據，且應與置換鋼撐桿預加控制應力進行相互印證校核

3.4 置換支撐內力分析

由分析計算，柱混凝土置換過程中各置換支撐型鋼撐桿內力見表2。表2中各置換鋼撐桿內力作為在置換支撐施工過程中千斤頂施加預加應力的控制依據，且應與置換支撐托換點預加位移頂升量進行相互印證校核。

表1 置換撐桿托換點位移

表2 置換鋼撐桿內力

3.5 置換中原結構分析

柱混凝土置換過程中，結構整體縱筋配筋及柱軸壓比與原設計對比，得出的構件配筋和軸壓比滿足規范要求，因此柱混凝土置換過程中原結構安全。

4 結語

（a）結合工程實踐，確定了混凝土置換技術需考慮的因素和具體施工方案。

（b）依據置換原理，介紹了全過程控制建模原則、需考慮的荷載等。通過計算分析，得出置換撐桿托換點位移變形和鋼撐桿內力，分別作為在置換支撐施工過程中千斤頂頂升量和施加預加應力的控制依據。

（c）通過對比原設計與柱混凝土置換過程的構件配筋和柱軸壓比，驗證原結構在置換過程中的安全。