置換混凝土加固鋼筋混凝土柱的工程應(yīng)用

陳雪蓮,肖承波,凌程建

(四川省建筑科學(xué)研究院，四川成都 610081)

置換混凝土加固鋼筋混凝土柱的工程應(yīng)用

陳雪蓮,肖承波,凌程建

(四川省建筑科學(xué)研究院，四川成都 610081)

在某現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)修建過程中，由于施工質(zhì)量問題導(dǎo)致個(gè)別柱混凝土強(qiáng)度偏低，采用置換混凝土法進(jìn)行處理。文章通過介紹某工程置換柱混凝土的處理方案，提出了一些置換混凝土加固法設(shè)計(jì)及施工的建議，為同類工程的加固設(shè)計(jì)及施工提供參考。

框架柱； 混凝土置換； 結(jié)構(gòu)卸載; 施工

現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土的工程質(zhì)量是保證建筑安全的至關(guān)重要的因素。本文介紹的某公司新建的業(yè)務(wù)綜合大樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下共三層，人防位于負(fù)三層，地上共五層。地下負(fù)三層層高為3.9 m，負(fù)二層層高為3.9 m，負(fù)一層層高為6.6 m，地上一層～三層層高均為6.0 m，地上第四層層高為5.7 m，地上第五層層高為5.1 m。在該房屋地上第三層主體結(jié)構(gòu)修建完畢后，施工人員發(fā)現(xiàn)地下負(fù)三層(D-T)/(D-6) 軸、 (D-T)/(D-15)軸、(D-R)/(D-4)軸柱混凝土強(qiáng)度與設(shè)計(jì)要求相差較大，嚴(yán)重偏低。為保證結(jié)構(gòu)安全，需對混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重偏低的柱進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

圖1所示為需加固鋼筋混凝土框架柱平面布置圖。

圖1 負(fù)三層需加固框架柱平面布置(圖中云線內(nèi)為需加固柱)

1 加固措施的選擇

現(xiàn)場實(shí)測后，發(fā)現(xiàn)地下負(fù)三層(D-T)/(D-6)軸、 (D-T)/(D-15)軸、(D-R)/(D-4)軸柱的混凝土實(shí)測強(qiáng)度均低于設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度的50%。經(jīng)建模按實(shí)測強(qiáng)度計(jì)算復(fù)核，這三根框架柱的承載能力嚴(yán)重不足，隨時(shí)有失效的可能，情況十分危險(xiǎn)。

若對框架柱采用加大截面法進(jìn)行加固，雖然其施工較為簡便，技術(shù)措施可靠，但因原混凝土強(qiáng)度等級與設(shè)計(jì)要求相差太大，加固將導(dǎo)致柱截面尺寸增大很多，嚴(yán)重影響后期使用。

若對框架柱采用置換混凝土進(jìn)行加固，將不合格的框架柱混凝土剔除，重新澆筑滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土，則能使該房屋安全滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，且不會(huì)影響其使用。由于只對原混凝土進(jìn)行置換，截面尺寸不增加，不改變原建筑布局，周圍梁承擔(dān)的荷載和內(nèi)力不會(huì)發(fā)生變化，不需對其采取其他加固處理即可滿足原設(shè)計(jì)要求，能確保加固后的工程質(zhì)量及外觀與原設(shè)計(jì)保持一致。

鑒于以上分析比較，選用置換混凝土加固法對混凝土強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求的柱進(jìn)行加固。

2 置換混凝土加固方案

2.1 臨時(shí)支撐

臨時(shí)支撐方案見圖2，采用斜柱將負(fù)二層的混凝土框架柱軸力傳遞給新增豎直立柱，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)三層待置換柱的卸荷。

圖2 臨時(shí)支撐方案

斜柱和豎直立柱均采用H型鋼，兩者通過待置換柱頂部兩側(cè)的框架梁傳力，為保證原有框架梁的安全和傳力的有效性，在框架梁上斜柱和豎直立柱交匯處用鋼板包裹加強(qiáng)。

應(yīng)保證鋼柱豎直，連接面保持平整，所有鋼柱作用的合力中心應(yīng)與待置換柱的形心重合，盡量避免偏心，確保在卸載后待置換構(gòu)件的相鄰結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生裂縫、變形等損傷，不影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。為此在調(diào)整好鋼柱位置后，柱底的連接鋼板通過螺栓鉆孔植筋錨固于筏板基礎(chǔ)中，柱底鋼板調(diào)平后，在柱底鋼板與筏板間對稱打入鋼墊塊進(jìn)行預(yù)釘緊，再在柱底鋼板與筏板基礎(chǔ)間的間隙澆筑水泥基灌漿料。

2.2 計(jì)算分析

采用PKPM軟件建立房屋模型，得出待置換柱及其附近梁、板的內(nèi)力；再采用SAP2000非線性有限元軟件模擬剪力墻置換施工臨時(shí)支撐方案，并對其進(jìn)行分析。SAP2000建立的模型如圖3、圖4。

圖3 SAP2000模型一

圖4 SAP2000模型二

分析有三個(gè)目的：一是驗(yàn)證臨時(shí)支撐方案的合理性；二是通過計(jì)算得出支撐構(gòu)件的內(nèi)力，從而進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)；三是模擬原柱混凝土逐步鑿除后，支撐及相鄰構(gòu)件的內(nèi)力變化及變形。

因?yàn)榇朔课萆刑幱谑┕るA段，且置換施工僅為短期過程，施工期間的置換柱四周不允許施工，所以不考慮地震作用及風(fēng)荷載，僅考慮結(jié)構(gòu)自重(不含填充墻)及樓面施工活荷載。

圖5和圖6分別為負(fù)三層(D-T)/(D-6)軸處臨時(shí)支撐分析模型及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。另外兩根柱所在位置臨時(shí)支撐采用同樣的分析方法和計(jì)算模型。

圖5 負(fù)三層(D-T)/(D-6)軸柱柱頂荷載

圖6 負(fù)三層(D-T)/(D-6)軸柱處臨時(shí)支撐軸力

分析表明，負(fù)一層柱傳來的豎向力通過負(fù)二層柱的上段傳給斜撐，然后傳給豎直立柱，最后傳到筏板基礎(chǔ)，整個(gè)傳力途徑簡潔、明確，說明臨時(shí)支撐設(shè)置方案合理。

2.3 柱混凝土置換施工

2.3.1 施工流程

框架柱置換混凝土施工流程如下：

增設(shè)豎直立柱和斜柱→預(yù)設(shè)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)并監(jiān)測→結(jié)構(gòu)卸荷→間斷剔除框架柱混凝土→界面處理→鋼筋檢查、調(diào)整配置，并埋設(shè)應(yīng)變計(jì)→支模→澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)→拆模→混凝土表面設(shè)應(yīng)變片并監(jiān)測→檢查驗(yàn)收→拆除臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。

2.3.2 注意事項(xiàng)

(1)由于卸載過程結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分配，分4次鑿除原柱混凝土，每鑿除1/4截面后，靜置24 h，需對臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)及被置換構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。通過應(yīng)變測試儀和粘貼在構(gòu)件表面的應(yīng)變片來測量在卸載過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生的應(yīng)變，準(zhǔn)確地反映被置換柱周圍梁的內(nèi)力、變形和殘余變形以及斜柱、豎直立柱的內(nèi)力等，從而了解結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，為卸載提供可靠的依據(jù)，以便更安全可靠地進(jìn)行置換混凝土加固的施工。

(2)在待置換柱兩側(cè)布置豎直立柱，并在其上一層對應(yīng)位置設(shè)置斜柱，待兩者施工安裝完成后檢查其與原混凝土構(gòu)件是否可靠頂緊，確保準(zhǔn)確無誤后分4次鑿除需置換柱的混凝土。

(3)施工過程中，要對原結(jié)構(gòu)的承載狀態(tài)進(jìn)行密切觀察和控制，盡可能使置換界面處的混凝土和縱向筋的應(yīng)力為零。

(4)在鑿除原混凝土過程中，應(yīng)避免對柱鋼筋造成損傷。

柱混凝土鑿除后，應(yīng)按原設(shè)計(jì)圖紙的要求復(fù)驗(yàn)鋼筋，經(jīng)隱蔽驗(yàn)收合格后，方可采用C50無收縮細(xì)石混凝土或第IV類水泥基灌漿料(加粗骨料)進(jìn)行澆筑。為增強(qiáng)新舊混凝土間的結(jié)合能力，原構(gòu)件結(jié)合面應(yīng)進(jìn)行鑿毛處理，使表面凹凸差≥4mm，然后用水沖干凈。澆筑混凝土前宜涂刷混凝土界面結(jié)合劑一道，隨涂隨澆。應(yīng)在新澆注混凝土中摻入適量的減水劑和膨脹劑，盡量減少混凝土的收縮，使置換后混凝土與原結(jié)構(gòu)混凝土協(xié)調(diào)受力；還應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土用水量，以確保混凝土質(zhì)量。

(5)置換混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，應(yīng)分多次對稱、間斷卸除鋼支撐，每次截?cái)嗖糠萁孛婧笠诉m當(dāng)靜置，并監(jiān)測置換后柱應(yīng)力變化。

3 結(jié)束語

(1)對柱層高范圍內(nèi)進(jìn)行全長置換，需重點(diǎn)考慮柱頂荷載如何有效傳遞至下部結(jié)構(gòu)；由于后加臨時(shí)支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)均采用外包鋼后灌膠連接，如果鋼材下料無法精準(zhǔn)的話，會(huì)在支撐與原梁柱節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生一定的間隙。在鑿除混凝土柱缺陷部位后，會(huì)產(chǎn)生較大的變形，對安全產(chǎn)生一定的隱患，所以鋼支撐必須采取預(yù)頂緊措施。

(2)置換施工過程，要對梁及支撐的內(nèi)力、變形和裂縫進(jìn)行監(jiān)測，以確保安全。

(3)考慮混凝土鑿除過程中的內(nèi)力重分布，需根據(jù)原截面大小，分多次鑿除原混凝土，每次鑿除后需靜置、監(jiān)測一定時(shí)間，根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果確定下一步施工方案。

(4)綜上所述，根據(jù)工程出現(xiàn)的實(shí)際問題，對方案進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)算。使有質(zhì)量問題的構(gòu)件在安全穩(wěn)定的支撐條件下得到托換處理。本工程加固完成后，使用情況良好，無任何不良情況發(fā)生。

[1] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50367-2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50550-2010 建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[5] 卜良桃，李易越，劉雄.分期置換混凝土框架柱工程實(shí)例[J].工業(yè)建筑，2011,41(10).

TU746.3

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[定稿日期]2015-07-07