混凝土整體置換法在缺陷混凝土柱加固中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王迎春 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 引言

混凝土一直是主要的建筑材料之一，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也是建筑工程中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，而框架柱是影響整個(gè)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。當(dāng)出現(xiàn)框架柱混凝土強(qiáng)度不合格時(shí)，需要對(duì)存在質(zhì)量問題的混凝土柱進(jìn)行加固處理。解決缺陷混凝土柱常用托梁換柱法，不改變柱截面，對(duì)缺陷混凝土部位實(shí)行整體或局部置換，用高等級(jí)混凝土還原柱截面[1]。如何針對(duì)工程各自的特點(diǎn)和共性，選擇合理的加固方案，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[2]。本文通過某住宅樓的缺陷混凝土柱加固工程進(jìn)行闡述。

1 工程概況

該住宅樓為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，位于安徽省阜陽市，地下2層、地上9層，建筑總高度為26.75m。上部主體結(jié)構(gòu)施工完成后，發(fā)現(xiàn)一層25 軸交E 軸框架柱柱根約400mm 高范圍內(nèi)混凝土出現(xiàn)缺陷（此部分混凝土主要為砂漿層），柱頂約1000mm 范圍內(nèi)混凝土完好（混凝土回彈值為C35 以上，設(shè)計(jì)值為C35），中間部分混凝土強(qiáng)度介于柱頂與柱底之間（回彈值為C30 左右），故須對(duì)此缺陷柱進(jìn)行加固處理以滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2 加固處理方案比選

混凝土結(jié)構(gòu)常用的加固方法有增大截面加固法、外粘型鋼加固法、置換混凝土加固法等[3]，其適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 常用加固方案對(duì)比

3 加固設(shè)計(jì)方案

由于該住宅樓工期緊且結(jié)構(gòu)已經(jīng)封頂，為避免日后開發(fā)商與業(yè)主之間產(chǎn)生糾紛，房內(nèi)結(jié)構(gòu)不能再變動(dòng)。經(jīng)充分對(duì)比論證，決定對(duì)此缺陷柱采用托梁換柱置換法進(jìn)行加固。置換材料為C60高強(qiáng)灌漿料，該材料因其早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹和自流性等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用較廣。方案擬對(duì)柱底砂漿層混凝土進(jìn)行整體置換，中間過渡層混凝土進(jìn)行部分置換，即鑿除表面一定厚度的混凝土，保留中間混凝土柱芯及主筋，再澆筑C60 高強(qiáng)灌漿料還原柱截面。該法較經(jīng)濟(jì)、工期較短，但關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)原結(jié)構(gòu)柱的支撐卸載。

3.1 技術(shù)原理

支撐卸載體系用以卸除該缺陷柱上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，從而保證置換過程中上部結(jié)構(gòu)的安全。該體系將鋼套安裝在缺陷混凝土柱上一層的完好柱底上，并設(shè)置對(duì)穿螺栓及鋼構(gòu)件牛腿，將柱軸力通過剪力傳遞轉(zhuǎn)移到鋼柱支撐以達(dá)到卸載的目的，如圖1、圖2 所示。為確保施工安全，對(duì)柱混凝土進(jìn)行整體置換時(shí)，分為兩次進(jìn)行，待前次置換的混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%時(shí)方可進(jìn)行第二次的置換。

圖1 缺陷柱卸載支撐體系圖

圖2 牛腿大樣圖

3.2 支撐設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 支撐內(nèi)力分配

根據(jù)盈建科計(jì)算模型數(shù)據(jù)讀取，待處理的框架柱在僅考慮結(jié)構(gòu)自重實(shí)際荷載作用下的軸力標(biāo)準(zhǔn)值為1500kN。混凝土置換分兩次進(jìn)行，且每次置換時(shí)均用10#槽鋼支托頂緊，槽鋼與另一半混凝土柱中縱向鋼筋承受的軸力和為（205×1270×2+360×1005）/1000=882.5kN，1500-882.5=617.5kN。考慮一定的安全儲(chǔ)備，卸載支撐按分配800kN的軸力進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.2 支撐計(jì)算

選擇雙軸對(duì)稱工字型鋼H300×300×10×15，材質(zhì)Q235，型鋼支撐內(nèi)力設(shè)計(jì)值按軸力N=400kN，彎矩Mx=200kN?m、My= 10kN?m進(jìn)行驗(yàn)算。

①強(qiáng)度驗(yàn)算（根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015-2017）[4]8.1.1 條，滿足要求）。

②穩(wěn)定性驗(yàn)算（根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015-2017）8.2.5 條，滿足要求）。

3.3 加固施工方案

3.3.1 施工順序

缺陷框架柱雖已設(shè)置臨時(shí)型鋼支撐，但若全部進(jìn)行一次性置換，仍可能使柱鋼筋變形過大或構(gòu)件產(chǎn)生豎向變形而開裂[5]。為確保施工安全，對(duì)柱下部混凝土整體置換分兩批次進(jìn)行，待前次置換的混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%時(shí)進(jìn)行第二次的置換，對(duì)柱中部局部混凝土則進(jìn)行一次性置換。具體施工順序?yàn)榕R時(shí)型鋼支撐安裝（圖1、2）→柱下部混凝土第一次置換（詳見3.3.2 節(jié)）→柱下部混凝土第二次置換（置換步驟同第一次）→柱中部局部混凝土一次性置換→支撐拆除。

3.3.2 混凝土整體置換步驟

對(duì)柱下部需整體置換的混凝土采用邊拆邊支托頂緊的方法進(jìn)行，具體施工步驟如圖3 所示。①鑿除下部缺陷柱體右上角混凝土，形成第一鑿除區(qū)域，保留柱體內(nèi)縱向受力主筋；②在鑿除區(qū)域放置第一根10#槽鋼支托，支托兩端設(shè)置支撐墊板，分別抵住鑿除區(qū)域的上下端面；③鑿除下部缺陷柱體右下角混凝土，形成第二鑿除區(qū)域，保留柱體內(nèi)縱向受力主筋；④在鑿除區(qū)域放置第二根10#槽鋼支托；⑤繼續(xù)鑿除已放置兩根支托的混凝土柱體同側(cè)剩余部分混凝土，形成第一置換區(qū)域，該區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)待置換混凝土柱體的一半；⑥采用C60 高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行第一次澆筑施工，完成第一次混凝土置換。

圖3 混凝土整體置換順序示意圖

待上述步驟的灌漿料強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，缺陷混凝土柱體的左側(cè)通過同樣的步驟依次鑿除產(chǎn)生第三鑿除區(qū)域。在第三鑿除區(qū)域內(nèi)放置第三根槽鋼支托，鑿除產(chǎn)生第四鑿除區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)放置第四根槽鋼支托，然后繼續(xù)鑿除左側(cè)剩余部分混凝土形成第二置換區(qū)域，最后澆筑形成第二澆筑體，完成缺陷柱體下部混凝土的整體置換工作。

3.3.3 混凝土局部置換

該缺陷柱頂僅約1m 范圍內(nèi)混凝土完好，柱中部混凝土強(qiáng)度介于柱頂與柱底之間（回彈檢測(cè)值為C30左右，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C35），故對(duì)柱中部混凝土進(jìn)行一次性局部置換。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50367-2013）第6.3.2 條規(guī)定，混凝土的置換深度，板不應(yīng)小于40mm，梁、柱采用人工澆筑時(shí)不應(yīng)小于60mm，采用噴射法施工時(shí)不應(yīng)小于50mm。故對(duì)該缺陷柱中部混凝土取置換深度60mm，原柱截面面積為500×400=200000mm2，置換混凝土面積為93600mm2，柱芯混凝土保留面積為380×280=106400mm2，如圖4 所示。根據(jù)6.2.1 條規(guī)定，由混凝土等強(qiáng)原理，如式（3）所示：

圖4 混凝土局部置換示意圖

原C35混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為16.7N/mm2，經(jīng)局部置換后柱的混凝土平均強(qiáng)度為17.9N/mm2＞16.7N/mm2，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 施工注意事項(xiàng)

臨時(shí)型鋼支撐的設(shè)置。為分擔(dān)缺陷柱部分內(nèi)力并增加結(jié)構(gòu)加固時(shí)多重安全儲(chǔ)備，在缺陷柱四周需布置臨時(shí)支撐，本加固工程采用雙軸對(duì)稱工字型鋼柱H300×300×10×15。為了保證與型鋼支撐接觸面處混凝土的局部承壓能力[6]，在型鋼支撐頂部設(shè)置鋼墊板，支撐鋼柱底部的鋼墊板與樓層之間設(shè)置千斤頂。鋼墊板與混凝土的接觸面用A 級(jí)結(jié)構(gòu)膠砂漿找平，待結(jié)構(gòu)膠砂漿硬化后才能操作千斤頂頂緊型鋼支撐。考慮到千斤頂頂伸原理，同時(shí)也會(huì)對(duì)下層結(jié)構(gòu)施加作用力，故本加固工程在該缺陷柱體同層和水平高度下至基礎(chǔ)層的各樓層相同位置均設(shè)置有臨時(shí)型鋼支撐。

缺陷混凝土的鑿除與置換。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)好的置換步驟和置換量進(jìn)行每一區(qū)域缺陷混凝土的鑿除工作。為確保施工安全，柱底部區(qū)域每次鑿除面積不宜過大，以恰好能安裝下槽鋼支托為度；柱中部局部混凝土鑿除時(shí)，為減小對(duì)柱芯混凝土的損傷，須由人工鑿鉆，輕敲輕鑿。對(duì)柱進(jìn)行分塊對(duì)稱鑿除，先從一側(cè)鑿至預(yù)留柱芯面，再鑿除另一側(cè)混凝土，鑿除過程中應(yīng)盡量減小對(duì)柱中鋼筋的損傷和擾動(dòng)。整個(gè)置換過程采取分部分批次進(jìn)行。

置換材料采用早期強(qiáng)度高、自流性好、自密實(shí)強(qiáng)度高、微膨脹的C60高強(qiáng)灌漿料。為確保灌漿料的整體澆筑質(zhì)量，模板安裝應(yīng)堅(jiān)固、穩(wěn)定、密實(shí)，頂面喇叭口須高出設(shè)計(jì)置換端100mm 左右，采取邊澆筑邊用小錘敲擊外模板振搗密實(shí)。

對(duì)缺陷柱置換施工期間，必須對(duì)周圍相關(guān)梁板柱構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)相關(guān)構(gòu)件的裂縫、應(yīng)力或變形有異常值或發(fā)出警報(bào)，應(yīng)立即停止施工，查找出原因后及時(shí)處理。

待施工結(jié)束，所有置換部分混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，應(yīng)對(duì)原結(jié)構(gòu)空間進(jìn)行恢復(fù)。如牛腿、支撐的拆除，對(duì)各支撐和牛腿節(jié)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，清理施工現(xiàn)場(chǎng)。

4 結(jié)語

本加固工程的卸載裝置是通過在缺陷柱上層完好柱的根部設(shè)置牛腿來實(shí)現(xiàn)荷載轉(zhuǎn)移，在缺陷柱體同層和水平高度下至基礎(chǔ)層的各樓層相同位置均設(shè)置臨時(shí)型鋼支撐。在對(duì)缺陷混凝土置換過程中使用鑿除+支托的施工組合，可以保證整個(gè)施工過程的安全。當(dāng)缺陷柱只是混凝土材料強(qiáng)度不合格時(shí)，不需要置換原來的鋼筋，節(jié)約了柱體整體置換成本。并且在鑿除過程中，柱體內(nèi)部的主筋也起到了支撐作用，使得缺陷柱體上方的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而達(dá)到安全替換的目的。本次加固方案在不改變?nèi)毕葜谐叽纭⑹褂霉δ芎兔烙^的前提下，成功有效地解決了缺陷混凝土柱整體置換所帶來的安全隱患，取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。