無支撐混凝土置換法在某高層住宅加固中的應用

張澤寧，曾學悠

(1.中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司，北京 100039；2.中國建筑西南設計研究院，四川 成都 610041)

0 引言

近年來，隨著我國基建行業高速發展，越來越多關系民生的高層住宅拔地而起，然而受商品混凝土原材料、生產水平、工程施工質量控制水平的影響，經常會遇到混凝土強度不滿足設計要求的情況。加大截面尺寸加固法、粘貼鋼板或粘貼碳纖維加固法及混凝土置換加固法等是國內常用的混凝土結構加固方法。由于是住宅工程，需要考慮業主的使用和居住需求，不得侵占戶內面積，因此粘貼鋼板、加大截面尺寸和粘貼碳纖維加固不適用此類項目，故采用混凝土置換方法處理。傳統置換方法需對現場構件進行承托加固處理，現場施工工期較長，且承托體系和原結構受力不統一，施工進度及工程質量難以保障，故將有支撐置換法優化為無支撐分段置換法。本文對無支撐置換施工過程中關鍵問題，如方案比選、單次置換量、置換順序、軸壓比控制、卸載方案等進行重點分析，給出量化指標，確保施工安全、便捷、經濟。

1 工程概況

某建筑單體為一棟地下3層、地上21層的住宅樓，層高2.9m。該建筑為現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，地上墻體截面尺寸為200mm，樓板尺寸為120,150,160mm。剪力墻混凝土強度等級要求：地下1層至地上3層為C50，4～13層C45，14～17層C40，18～21層C30，梁板強度等級均為C30。

由于商品混凝土攪拌站管理失誤，第16層剪力墻因混凝土不合格導致強度只達到設計要求的15%～25%，需要進行加固處理。問題區域無框架梁，結構構件只有墻、板，由于墻、板分開澆筑，樓板強度符合設計要求，僅需對混凝土強度不合格的剪力墻進行處理。加固前主體結構已封頂并完成了填充墻體砌筑，房屋尚未進行外墻裝飾和室內地坪施工。填充墻為蒸壓加氣混凝土砌塊，走廊和分戶填充墻厚200mm。

2 結構安全狀況

現場組織專業檢測機構對第16層剪力墻的混凝土進行檢測，問題區域剪力墻混凝土強度為6.8～17MPa，遠低于設計要求的C40，其他區域強度符合設計要求。為科學判定受檢建筑的安全狀況，采用PKPM進行承載力核驗。

依據圖紙，軟件參數取值如下：建筑抗震設防類別為丙類，結構安全等級為二級，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.2g，設計地震分組取第1組，場地類別二類，特征周期Tg=0.35s，結構阻尼比0.05。50年一遇基本風壓為0.5kN/m2，地面粗糙度類別為B類，風荷載體型系數為1.3。

新建項目無其他影響因素，結構恒荷載按設計取值，樓板面層和天花板粉刷層取為1.5kN/m2，樓面活荷載按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》取為2.0kN/m2，剪力墻混凝土容重取值為26.5kN/m3。各樓層構件強度取值：第16層剪力墻混凝土強度按實測結果取6.8～17MPa，其他樓層按原設計取值。梁板混凝土強度等級取C30。鋼筋強度按規范要求：HRB335取300MPa，HRB400取360MPa。

剪力墻結構安全儲備高，軸壓比較小。剪力墻6.8～17MPa的混凝土強度值不能滿足原設計和GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)4.1.2條對鋼筋混凝土的最低混凝土強度等級的要求。主體結構的耐久性和安全性不滿足使用要求，應對結構進行加固處理。

3 加固方案選擇

3.1 當前結構受力狀況

本工程為住宅項目，在考慮安全、使用功能、經濟成本后。決定采用混凝土置換方法，綜合對比如表1所示。

表1 處理方案對比

在當前工況下，承重剪力墻混凝土強度偏低，常規置換的核心思想是承托換墻，需要在問題構件上下層設置附著承托構件，將上部荷載通過承托構件傳遞至下層構件，此技術應用較廣，但此類加固方法施工的成本高，而且現場承托構件安裝工作量大、施工工序復雜，導致加固施工周期延長，從實際情況來看不是最優選項。承托構件體系的施工質量依賴于現場工人的個人技術和素質，置換過程中可能產生水平位移、沉降、結構內部應力變化等不利因素，因此該方法不能很好地解決此類工程問題。

本文在承托置換加固法的基礎上，提出無支撐置換混凝土加固法。該方法的核心思想是利用原有構件的承載力安全儲備，分批次將問題混凝土逐段拆除置換。在置換過程中分批次對拆除的構件進行建模計算，分析各工況下構件的軸壓比，利用原有構件進行荷載傳遞，從而避免安裝承托構件體系，解決了傳統承托置換因卸載工作量大導致的施工難度大、費用高、工序復雜、現場管理難度大等問題，大大簡化施工工序，降低現場工作量，從而降低工程造價，縮短施工工期。

3.2 分批置換混凝土施工條件

本次加固的目標為保證置換過程中結構安全，降低結構變形、裂縫、不均勻受力等影響，要求置換區域所有剪力墻的軸壓比≤0.6且混凝土剪力墻開洞跨度≤1.8m，避免拆除過程中部分墻體軸壓比過大或開洞跨度過大造成上部結構出現破壞變形。

3.3 分批置換混凝土方案設計

施工開始前，置換區域上方所有施工暫停，人員、設備、材料均清退，只保留已施工工程實體。為增加施工安全儲備，建模計算時，將問題樓層上原有的5層結構按6層進行建模，得到第16層剪力墻的軸壓比如圖1所示。

圖1 原始荷載下第16層剪力墻軸壓比

由圖1可見，軸壓比數值區間主要為0.11～0.21，最大值為0.21，而正常區域軸壓比數值區間為0.05～0.07。依據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)，本項目剪力墻軸壓比數值不超過0.6。鑒于軸壓比從0.21到限值0.6仍有較大安全冗余，經綜合考慮采用無支撐置換，置換拆除方案對比如表2所示。

表2 置換拆除方案對比

置換拆除順序遵循先中間后四周、先內墻后外墻的原則，分批置換如圖2所示。每次置換區段拆除后采用微膨脹高強灌漿料進行澆筑，經現場同條件試塊試壓檢測，試塊3d強度達45MPa以上，施工周期大大縮短。

圖2 第16層剪力墻混凝土分批置換示意

3.4 方案可行性研究

為確保施工過程安全可靠，分別計算3次置換拆除后的軸壓比數值。

1)工況1 第1批置換區拆除后，剪力墻最大軸壓比為0.3。

2)工況2 第2批置換區拆除后，剪力墻最大軸壓比為0.26。

3)工況3 第3批置換區拆除后，剪力墻最大軸壓比為0.17。

3.5 墻體開洞結構受力有限元分析

為探究剔除原墻體開洞對結構的影響，采用SAP2000軟件對16層的剪力墻進行有限元分析，選擇受力最大，截面最長的/(③～⑤)邊墻段作為分析模型。忽略水平荷載對整體結構的影響，僅考慮在結構自重作用下結構的應力狀態和內力數值，基于有限元靜態分析法對結構進行靜力計算分析。3次置換墻體有限元分析數據如表3所示。

表3 3次置換墻體有限元分析結果

4 方案實施

為保障施工質量，嚴格挑選有資質且施工經驗豐富的特種公司進行作業。按照設計的置換順序在墻體上標序號，嚴格按照序號分段拆除，施工流程如圖3所示。待混凝土強度達到設計值的70%后進行下一段拆除置換施工。

圖3 施工流程

4.1 樓板裂縫及位移監測

本工程為剪力墻結構，分段置換區域剔鑿后的樓板承受自身重力荷載。

置換區域采用高精度的百分表進行結構豎向位移監測。百分表量程10mm，精度0.01mm，布置在置換墻體旁50cm處鋼管底部，豎向鋼管通過脹栓與頂板固定，百分表指針定在樓板上，根據結構布局共設置13個沉降監測點(見圖4)。在拆除過程中全程監測百分表讀數并記錄。開始拆除前至拆模后，每日觀測3次，頂板最大位移如表4所示。

表4 沉降位移監測 mm

圖4 監測點布置及百分表安裝示意

4.2 混凝土拆除

混凝土拆除方法有切割法、高壓水破除、電鎬破除等，對4種可能方案進行對比，如表5所示。

表5 混凝土拆除方法比選

鑒于本項目位于16層，拆除部位混凝土強度不足C15，且要保留原有結構鋼筋，高壓水破除設備無法運抵高樓層，因此采用輕型拆除工具如風鎬、電鉆拆除剪力墻混凝土，對拆除暴露出的原有結構鋼筋進行清理(見圖5)。為保障剔鑿質量，將墻板交接核心區由板底向上剔鑿5cm，呈斜口狀，在每個拆除墻體部位的頂板剔鑿2個灌料口。用清水清洗干凈鑿毛面，確保結合牢固。

圖5 現場拆除作業

4.3 鋼筋調整及混凝土支模

對拆除混凝土后的原結構鋼筋進行調整，剔除表面附著的混凝土，并用清水沖洗附著的塵土，并對彎曲的鋼筋進行調直綁扎。

模板支設時，采用竹膠板及對拉螺栓進行固定，模板四周縫隙采用發泡聚氨酯進行封堵，避免灌漿料外溢，影響施工質量(見圖6)。

圖6 模板支設示意

4.4 混凝土澆筑及養護

澆筑灌漿料前，注意接茬部位鑿毛清理。制作不少于3組同條件試塊，根據試壓結果調整施工進度。拆模后對置換墻體覆膜灑水養護，養護周期≥7d，每天≥4次，確保水化反應良好。

5 結語

依托本項目，全面梳理了無支撐置換的難點和要點。在置換過程中，通過合理劃分置換墻體長度，借助周邊未拆除的墻體提供豎向承載力。全過程監測結果顯示：板最大沉降量為1.5mm，可見置換施工對主體影響可忽略不計。25d內，共計完成88m長，50m3剪力墻混凝土的置換，相比有支撐置換法，大大縮短了施工周期，降低了經濟成本。

1)無支撐置換法適用范圍取決于問題層剪力墻混凝土強度值及上部結構荷載值，通過控制單批次拆除置換量，調節未拆除墻體的軸壓比并與規范限值進行對比。

2)在第1批置換拆除后，結構的穩定性降到最低，隨后續施工穩定性逐漸提高，因此應遵循先結構中間后四周、先內墻后外墻、先少后多的原則進行置換作業。

3)有支撐置換施工需要搭設安全支撐及工作平臺，安全支撐體系和原結構很難達到協同受力，且原結構已經承受上部荷載，其中的內部應力很難準確計算，安全支撐的頂撐力過大或過小都會對結構產生不利影響。而無支撐置換利用原結構自有承載力進行短期置換，現場工程量小，經濟環保。

4)無支撐置換法工期快、造價低。由于其現場工作量小，僅涉及拆除及澆筑等工作，現場無需大量的安全支撐。經測算并與有支撐置換法進行對比，無支撐置換法工期由55d縮短至25d，成本降低40%。