某框架結構底層失效混凝土柱加固技術

駱忠偉

(四川建筑職業(yè)技術學院，四川德陽618000)

框架結構底層柱的混凝土強度達不到設計要求將影響結構豎向承載力，極容易發(fā)生壓屈破壞，嚴重威脅結構安全和耐久性。陳聰?shù)萚1]采用牛腿支座、鋼支撐和千斤頂構成的支撐體系對3層邊柱混凝土置換加固工程案例，并將自動化監(jiān)測應用在置換加固過程中。雷漢銀[2]梳理了增大截面法、粘貼碳纖維加固法、粘鋼加固法、混凝土置換加固法的工藝流程及操作要點，采用截面加大法和外包鋼法解決南充某工程地下室柱和剪力墻混凝土強度未達到設計強度的問題。皇垚華等[3]結合混凝土置換加固法、外包型鋼加固法，對強度不達標的整個構件采用托梁換柱法、分期置換法加固處理。上述采用的方法基本都增大了柱的截面，減小了建筑的使用面積，尤其是底層商鋪，業(yè)主和用戶表示不能接受柱子增大面積法的補強措施，為了讓多方都滿意，采用高標號的混凝土置換案例研究就非常有必要。

1 工程概況

四川樂山某框架結構住宅樓6層，異型框架柱，黏土空心磚填充墻，墻厚與柱的寬度相同。建筑面積5 250 m2。抗震設防烈度為7度，采用一柱一樁的人工挖孔灌注樁基礎，樁頂有鋼筋混凝土樁帽。由于種種原因，該工程施工至第6層框架梁板時，才最后確定底層①—③軸線的9根柱以及A交④柱，D交⑤柱，共11根柱混凝土強度不滿足設計要求(如圖1所示)，經(jīng)樂山市質(zhì)安站實驗室現(xiàn)場回彈檢測，混凝土強度等級僅為C10，離設計要求的C35相差甚遠。

圖1 底層結構平面布置

根據(jù)結構力學分析，多層框架底層柱在垂直荷載作用下屬小偏心受壓構件或軸心受壓構件，該類受壓構件在破壞前無明顯預兆，屬脆性破壞。由于問題柱混凝土強度等級太低，經(jīng)計算作用在問題柱上的荷載已非常接近柱的實際極限承載能力。時值冬期，如出現(xiàn)較大風載或其它意外荷載，極有可能出現(xiàn)突然性的柱毀房塌，造成災難性的后果，因此排險工作刻不容緩。面對這個緊急的問題，采取的應急措施是對問題柱進行支撐卸荷，卸掉部分荷載后，在上部結構停止施工的條件下，可暫時保證建筑物的安全，排除了險情，待確定好加固方案后進行加固施工。

2 加固方案比選

根據(jù)工程結構加固設計與多年的施工經(jīng)驗，結合本工程實際提出了幾種解決方案，并一一進行分析。

2.1 方案1加大截面進行加固

該住宅樓框架柱的受力鋼筋均為HRB355級鋼筋，GB50010-2010(2015年版)《混凝土結構設計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)[4]規(guī)定：混凝土結構構件中當鋼筋為HRB355級鋼筋時混凝土強度等級不宜低于C20；根據(jù)GB50011-2010(2016年版)《建筑抗震設計規(guī)范》[5]規(guī)定：本工程混凝土強度等級也不能低于C20。而問題柱的混凝土強度等級僅為C10，不符合相關規(guī)范要求。若不對原有問題混凝土鑿除，僅采用加大柱截面加固法，設計計算時不能考慮原柱的承載能力，上部結構傳來的荷載將全部作用在加大的截面部份，導致問題柱加大截面后截面積過大。經(jīng)計算加大后的柱截面面積約為原截面積的2倍，由此帶來一些問題：

(1)問題柱截面面積加大，建筑物室內(nèi)有效面積減小，混凝土柱突出墻面，影響使用功能，開發(fā)商及業(yè)主不能接受。

(2)由于柱子均為異形柱，截面積加大后縱軸及橫軸外墻柱將突出外墻影響外觀，開發(fā)商也不能接受。

(3)由于問題柱截面積增大后，整個框架在結構受力方面將重新驗算，由此帶來的工作量較大。由上可見，此方法不可取。

2.2 方案2粘鋼板加固

此方法基本不增大問題柱的截面積，不會出現(xiàn)方案1存在的問題；但規(guī)范規(guī)定，采用粘鋼板法加固，混凝土強度等級須在C15以上，而該工程中問題柱的混凝土強度等級為C10，不符合規(guī)范規(guī)定，不可采用此法。

2.3 方案3外包鋼加固法

《規(guī)范》[4]規(guī)定：作為加固用的型鋼(如角鋼)，角鋼下端視柱根彎矩大小應伸到基礎頂面，或錨固于基礎；上端應穿過上一層樓板伸至加固層的上層上端板底面。但由于本工程是異形柱框架，梁和柱子一樣寬，因此角鋼在梁柱節(jié)點處，下端穿不過地梁，只能截斷，延伸不到基礎；上端在梁的下口也只能截斷，穿不過樓層，延伸不到上層樓板頂，加固效果達不到《規(guī)范》要求，也不能采用此法。

2.4 方案4混凝土置換法

此法的出發(fā)點是將所有問題柱的不合格混凝土全部鑿除，重新澆筑滿足設計要求的混凝土。采用此法柱子的混凝土強度等級及截面尺寸和原設計一樣，不會出現(xiàn)諸如影響使用功能，影響建筑物的外觀，以及重新進行結構驗算等問題。

基于混凝土置換法的優(yōu)點，開發(fā)商經(jīng)過慎重考慮，選擇了方案4，并要求問題柱混凝土置換過程中不能影響上部建筑繼續(xù)施工(如果采用前3個方案，加固期間工程必須停工)。但由于本建筑物主體已施工完畢，每根柱已承受了較大的荷載，采用方案4問題柱混凝土的拆除及重新澆筑，技術難度較大：一是在問題柱混凝土置換過程中要保證上部結構變形和沉降在《規(guī)范》要求的限值范圍內(nèi)且不開裂，二是開發(fā)商要求在問題柱混凝土置換過程中不影響上部建筑繼續(xù)施工，這就要求問題柱混凝土在置換過程中必須要保證上部結構的安全性和穩(wěn)定性。這2個問題的一個技術難點就是保證上部結構的安全性和穩(wěn)定性，如何解決此問題呢？

經(jīng)分析要解決此問題，需要一套鋼結構支撐系統(tǒng)，這套鋼結構支撐系統(tǒng)有：

(1)要有足夠的支承能力。

(2)要有可靠的穩(wěn)定性。

(3)要考慮建筑結構本身的傳荷支撐能力和結構構件局部承壓能力，對符合此要求的型鋼支撐系統(tǒng)應進行2個方面的結構設計驗算，主要包括承載力驗算和穩(wěn)定性驗算。

3 型鋼結構支撐系統(tǒng)的設計

本工程的型鋼結構支撐系統(tǒng)主要由無縫鋼管、千斤頂及垂直支撐組成，施工中由鋼管和千斤頂在梁柱節(jié)點附近頂住問題柱頂?shù)牧海趩栴}柱混凝土置換的過程中，上部結構傳來的荷載主要經(jīng)由問題柱頂?shù)牧簜鹘o梁下的千斤頂及鋼管，以此解決承載力問題，千斤頂頂緊上部結構，保證上部結構變形及沉降符合規(guī)范限值、不開裂，故在承載力驗算中對每一根問題柱應考慮鋼管支撐的承載能力、梁的抗剪承載能力以及千斤頂?shù)某休d能力。

3.1 承載力驗算

根據(jù)本工程實際情況，承載力驗算只考慮豎向荷載，由于本工程中，問題柱頂梁的分布形式不一樣，轉角柱：柱頂與2根梁連結；邊柱：柱頂與3根梁連結了；中間柱：柱頂與4根梁連結(圖2)，計算時以受力最不利的C軸交③柱為例進行鋼支撐設計。由于要考慮不影響上部建筑施工，該柱應承擔的荷載按主體建筑全部完工時(包括框架填充墻、墻面樓面抹灰及施工活載)的最不利狀況計算，此時該柱承擔的荷載為：N=1510 kN。

3.1.1 千斤頂?shù)某休d能力允許值

采用帶自制螺旋千斤頂?shù)臒o縫鋼管作型鋼支撐。經(jīng)試驗和驗算確定，每個螺旋千斤頂?shù)某休d力允許值為300 kN，每根鋼管配2個千斤頂，則每根鋼管上端螺旋千斤頂?shù)某休d力允許值為300×2=600 kN。該柱頂與4根梁連結，每根梁下均設1根鋼管支撐，則該柱下螺旋千斤頂?shù)某休d力允許值為4×600=2400 kN>1510 kN，符合安全要求。

3.1.2 鋼管的承載力允許值

采用φ159×6 mm的無縫鋼管，經(jīng)計算每根鋼管的承載力為[N]D=495 kN，該柱頂與4根梁連結，每根梁下均設1根鋼管作為支撐，則4根鋼管總的承載力設計值為4×[N]D=4×495=1980 kN>1510 kN，符合安全要求。

3.1.3 梁的承載力驗算

鋼支撐下端支承于基礎頂上、上端支承于2層梁端。由于樁的承載力較大，樁身承載力可不作驗算，重點驗算梁承截力。由于鋼支撐是緊靠柱邊頂住梁，因此梁的剪跨比較小，如果梁的斜載面抗剪承截力不夠，將會發(fā)生斜壓破壞，所以2層梁端應作抗剪承載力驗算。采用現(xiàn)行《規(guī)范》中梁的斜壓抗剪承載力計算公式計算，結構會偏于安全，根據(jù)《規(guī)范》[4]第6.3.1條，則C軸交③柱2層4根梁的斜壓抗剪承載力設計值為：

V=0.25βcfcbh0

=2×0.25×1.0×14.3×200×(415+465)

=1258 kN

不符合安全要求。

式中：βc為混凝土強度影響系數(shù)，取1.0；fc為混凝土強度設計值；b為矩形截面的寬度，單位m；h0為截面的有效高度，單位m。

因此單靠2層梁的斜壓抗剪承載力不滿足要求，可將部份豎向壓力轉至3層梁承擔。這就須在2層樓層設相應鋼管支撐傳力，且上下2層的鋼管支撐應在同一豎直線上。

2層鋼管支撐在設計時同樣應考慮鋼管支撐的承載力；千斤頂?shù)某休d力和3層梁的抗剪承載能力。2層樓層鋼管支撐采用φ105×5 mm無縫鋼管，每根鋼管配1個螺旋千斤頂，根據(jù)計算單根鋼管承載能力設計值為292 kN，2樓4根鋼管支撐的承載力設計值為4×292=1168 kN。3層梁的斜壓抗剪承載力設計值同2層為1 258 kN；4個螺旋千斤頂?shù)某休d力允許值為300×4=1200 kN。

由于2層鋼管支撐系統(tǒng)中，鋼管的承載能力最小，應取此值進行驗算，則:

1258+1168=2426 kN>1980 kN

表明2層梁的斜壓抗剪承載力之和大于底層鋼管支撐的承載力，也就是說施工期間型鋼結構支撐的安全性由底層4根鋼管支撐的承載力決定，即：

4[N]D=1980 kN>1510 kN

滿足2426 kN>1980 kN>1510 kN符合安全要求。

3.2 型鋼結構支撐構造確保側向穩(wěn)定

在保證豎向支承力的條件下，還要考慮鋼結構支撐系統(tǒng)的側向穩(wěn)定性，才能保證整個支撐系統(tǒng)的安全。在建筑結構的橫向，即軸線上設鋼結構垂直支撐，用以承擔建筑物的水平荷載，保證支撐系統(tǒng)的側向穩(wěn)定(圖2)。

圖2 軸線橫向垂直鋼支撐(單位：mm)

3.3 施工步驟

為了提高支撐系統(tǒng)側向穩(wěn)定性的安全度，施工時不能將所有問題柱的混凝土一次性全部拆除，而是按建筑物的縱向流水作業(yè)逐步鑿除，利用問題柱具備一定的側向穩(wěn)定能力，提高施工安全度，鑿除的順序為：C軸交③柱—C軸交②柱—C軸交①柱—A軸交④柱—D軸交⑤柱—D軸交③柱—D軸交②柱—D軸交①柱—A軸交③柱—A軸交②柱—A軸交①柱。

4 型鋼結構支撐的制作和安裝

鋼支撐采用焊接連接，其制作質(zhì)量按現(xiàn)行鋼結構設計和施工規(guī)范執(zhí)行。為保證支撐點混凝土的局部抗壓承載力，鋼支撐與混凝土梁的接觸面用結構膠砂漿找平。為保證支撐效果，鋼支撐、安裝必須按下列步驟進行：

(1)鋼管支撐從底層安裝開始，安裝位置按上述設計要求，第一次千斤頂升至結構膠砂漿從支撐鋼板四周溢出，支撐板與混凝土構件接觸平整，砂漿密實均勻，鋼管支撐穩(wěn)定。

(2)待結構膠砂漿硬化后，底層鋼管支撐頂至設計支承力的20%～30%。

(3)檢查2層結構膠砂漿硬化后，將2層鋼支撐一次性頂至設計支承力的70%。

(4)待底層支撐千斤頂?shù)谝淮沃ы敽螅泳o焊接安裝①軸線垂直鋼支撐，先焊接安裝C—D軸之間的垂直支撐，再制作安裝B—C軸之間的垂直支撐。

(5)二次頂升底層鋼支撐千斤頂，頂至設計支承力的40%～50%即可。此時，問題柱的荷載已全部卸掉，柱子豎向鋼筋處于零受力狀態(tài)，所有荷載均由鋼管支撐系統(tǒng)承受。

待所有鋼管支撐及①軸線垂直支撐安裝頂升完成后，上部建筑可恢復施工，同時11根柱的混凝土置換按施工方案依次進行。

5 結束語

該加固置換工程歷時60天，施工期間由現(xiàn)場監(jiān)理、開發(fā)商現(xiàn)場代表及樂山市質(zhì)安站全程監(jiān)督，問題柱置換后混凝土強度等級為C40以上，完全符合設計和規(guī)范要求，且在問題柱混凝土置換施工的過程中，上部建筑一直在進行施工，上部結構也未出現(xiàn)超過規(guī)范允許值的變形、沉降，并未出現(xiàn)任何裂縫。通過理論分析和工程實踐表明采用混凝土置換法是可行可靠的，且施工技術難度不太大。根據(jù)技術經(jīng)濟比較，采用此法工程造價低廉，更重要的是不影響建筑物的外觀、使用功能等，完全達到了設計要求。