鋼筋混凝土框架柱的置換加固施工

李永紅 （南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188）

1 工程概況

某宿舍樓工程為框剪結構，地上7層，局部地下1層。地上結構層高為3.6m，地下管溝夾層層高1.9m。混凝土設計強度等級情況：①地基基礎：承臺地梁C40，地下室墻柱C40，地下室頂梁板C30；②主體豎向結構：1～4層獨立柱為C40，5～7層柱為C30，與剪力墻相連的柱為C30，梁柱節點為C30；③主體水平結構：梁板全部為C30，樓梯為C30。

當施工完5層樓面梁板后，根據現場3方（監理單位、施工單位、商品混凝土廠家）于2014年5月對結構柱、梁、板構件進行混凝土回彈檢測，結果發現現場部分結構構件混凝土強度不滿足設計要求。其中1層②、③、④3條軸線上12根框架柱混凝土強度在C20左右，混凝土表面有裂縫，表面顏色泛白；其余軸線柱混凝土強度普遍低于設計強度C40。

2 施工方案的確定

建設單位于2014年6月組織了監理單位、施工單位、設計院、商品混凝土廠家等參建單位，以及某國內一流大學、某建筑工程改造與加固公司等單位的專家出席的討論會，研究框架柱混凝土強度不能滿足設計要求的處理方案。常見的處理的方案有拆除、加固、置換等。

①拆除上部結構重新施工，工期不能滿足要求、經濟損失大；

②對柱子進行加固，通過擴大斷面、粘鋼、報碳纖維等方法加固，但在抗震的延時性上和其他柱不匹配，存在安全隱患，且給用戶使用帶來不便；

③置換加固是對1層②、③、④3條軸線上12根框架柱混凝土鑿除、鋼筋保留，再用高強度混凝土重新澆筑，進行置換處理。該法施工影響小，工期較短且相對經濟，施工成功可以解除結構安全問題，但施工技術難度較大，施工過程中要對原結構提前加設臨時支撐，保證結構安全。

經研究決定：對1層②、③、④3條軸線上12根框架柱混凝土進行置換施工，其余框架柱混凝土回彈強度在C30～C40之間的，組織有檢測資質的第三方檢測單位根據現狀出具檢測方案，依據方案進行檢測，出具正式的檢測報告，為后續的處理提供依據，再行確定處理方案。

3 置換施工方案

3.1 混凝土柱置換工序

結構受力狀態計算→結構應力、位移、沉降觀測儀器儀表布置→施加預應力→周邊梁腳手鋼管頂撐→頂撐卸荷→剔除柱混凝土→鋼筋修復→界面處理→立模板→澆筑C60混凝土→拆模→養護→強度及外觀檢驗→拆除頂撐卸荷結構。

3.2 受力分析

根據施工現場實際工況，對1 層柱的受力在恒載作用下采用PKPM軟件進行分析，得到1 層柱、墻在恒載作用下的底部內力簡圖，見圖1。

圖1 1 層柱、墻在恒載作用下的底部內力簡圖

3.3 支撐卸荷

3.3.1 結構支撐卸荷計算

①選則②、③、④三條軸線上12根框架柱中受力最大的③/?軸的柱進行計算，豎向荷載N=1754.9kN。

②在柱四周梁上布置支撐，每根支撐受力F=N/n=1754.9/4=439kN。

地下室、一層柱四周支撐鋼管布置見圖2。

1---混凝土置換柱；

圖2 地下室、一層柱置換時四周支撐鋼管布置圖

2---Φ159×4.5頂撐鋼管。

③支撐選用2Φ159×4.5鋼管，計算如下：

f=205MPa,An=2184.2mm2,i=5.464cm,lo=3000mm

穩定性驗算：

強度驗算：

因此選用2Φ159×4.5的Q235鋼管，滿足要求。

3.3.2 柱施加預應力計算

由于需要置換混凝土的一層結構柱上部已經有荷載傳遞。剔除此柱混凝土時，需要在框架柱四周的梁端設置鋼管支撐對柱施加預應力，以保證上部柱不產生受拉。一層柱置換施加預應力及卸荷立面簡圖見圖3。

圖3 柱置換施加預應力及卸荷立面圖簡圖

1---置換混凝土柱；

2---2Φ159×4.5頂撐鋼管；

3---Φ159×4.5頂撐鋼管；

4---鋼管上下各設250×250×18鋼板；

5---應變片；

6---柱頂周邊每根梁上布置一個千分表。

①支撐自基礎（承臺、地梁頂面-1.900m標高處）開始向上逐節支設；基礎與一層的上下層支撐鋼管位置應基本一致。

②先用千斤頂通過臨時鋼管向上層結構框架梁施加反力。當達到力值要求后，安裝鋼支撐，鋼管上方用花籃螺栓擰緊，在千斤頂數值顯示為0時，撤出千斤頂。

③對原結構卸荷時即千斤頂頂撐時，在梁端、柱身上布置監測儀器，用千分表控制梁端位移，結構位移控制值為0.01mm～0.05mm。防止支撐力過大破壞原結構。

④施工過程中，加強對支撐的監控和檢查。

3.3.3 保證梁安全的支撐

由于1層②、③、④3條軸線上的框架柱拆除后，相鄰梁的正彎矩會增大，因此需要對置換混凝土的柱四周的梁板均需加設腳手鋼管架進行頂撐，規格Φ4.8×3.0，鋼材強度等級Q235，使上部梁板荷載均勻的向下傳遞到承臺與地梁之上。

腳手架沿框架柱四周框架梁縱向布置，立桿縱距為0.60m，立桿橫向3排、橫距0.6m，縱橫向水平桿步距1.3m。

鋼管架頂撐范圍自-1層（承臺、地梁頂面-1.900m標高處）開始向上支撐至二層頂，采用腳手鋼管進行頂撐。立桿應采用整根鋼管，不得接長使用。

腳手鋼管基礎應落在承臺、地梁頂面上，禁止直接在土方上支撐。鋼管下部為土方時，應按要求分層回填夯實，澆筑C20混凝土墊層，墊層上放置HM200×150型工字鋼，兩端擱置在承臺上，然后搭設腳手鋼管。鋼管在樓板的位置應上下對齊，鋼管上部采用可調頂托，頂托應旋轉頂緊。

4 柱子混凝土置換加固

4.1 加固材料

①鋼筋：鋼筋按照原設計圖紙要求的規格、性能進行配置。在混凝土鑿除過程受到損傷的主筋進行補強，采用與原主筋相同的鋼筋進行搭接焊接。箍筋按照原設計規格，按柱全高加密@100。

②混凝土：由于上部結構已經形成，混凝土澆筑只能在二層樓面處開鑿澆注口，后灌漿施工。后灌漿混凝土采用C60豆石型無收縮灌漿料。

4.2 混凝土置換加固

1層12根框架柱置換混凝土的施工順序按照相互間隔的順序施工，本次框架柱置換分3個施工段進行施工，第Ⅰ施工段施工順序：6→2→4→11，第Ⅱ施工段施工順序：1→5→9→7，第Ⅲ施工段施工順序：3→8→10→12，前一施工段框架柱灌漿料強度達到C40后，方可拆除頂撐并進行下一施工段施工，見圖4。

①鑿除混凝土：采用人工+電鎬鑿除原一層柱混凝土。

②模板：采用木膠合板，膠合板安裝完畢后，在接縫處貼上膠帶，以防止漏漿。

③界面處理：新舊混凝土界面處，采用高壓水槍沖洗，沖洗完畢后，涂刷界面劑。

④混凝土澆筑：置換柱采用豆石型C60灌漿料澆筑加固。澆筑口設置在2層樓板處。要求邊澆筑，邊用皮錘敲擊模板。每根柱澆筑，一次性完成。澆筑完成面高于柱頂100mm。

⑤養護：混凝土澆筑完成24h后拆模，拆除后采用塑料薄膜或麻袋片封裹灑水保濕養護7d。

⑥拆撐：灌漿料強度達到C40后，即可以拆除頂撐。以同條件養護試塊的試壓強度作為支撐拆除的依據。

圖4 1 層柱置換施工順序圖

5 施工監測

①監測點的布置：監測點設置位置見圖3，布置在置換的一層柱柱頂四周梁上，置換柱的上層柱（二層柱）上及下層柱（-1層柱）上。監測點在支撐頂升力施加之前布置完成。

②主要監測時間：千斤頂頂撐時，2層柱及2層梁應變監測；拆除1層柱時2層梁及-1層柱應變監測；置換完畢后，拆除支撐2層梁及2層柱應變監測。

③監測頻率：柱混凝土拆除時，每天觀測3次；混凝土拆除后每天至少觀測1次；柱新澆筑混凝土3d后停止觀測。

④監測報警：與不拆除的柱上原始觀測點對比，置換部位沉降觀測累計沉降2.5mm時應報警；沉降達到5mm時，應停止施工，加固支撐體系，消除危險。

6 結 語

置換法處理混凝土強度不能滿足設計的柱、墻等豎向構件，工期短、比較經濟，能保證結構安全，但施工技術難度較大。在置換前應考慮臨時支撐、合理設計支撐頂力，在置換柱的四周梁上設置頂撐，頂撐上下端均頂在梁的位置，施加一定的頂升力，置換層的上層、下層同樣位置同樣設置頂撐，頂撐靠緊上下節點使置換層的力合理傳至相鄰層的核心區。置換順序應按照受力分析圖確定合理順序，施工時嚴格執行。置換時應加強監測，控制好支撐頂升力，重點是沉降觀測。施工過程中加強對混凝土鑿除、鋼筋安裝，新澆混凝土質量的控制。

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