超高层建筑框筒结构的混凝土墙柱托换施工技术

中建七局（上海）有限公司 上海 201812

1 工程概况

某工程为地下3 层、地上47 层的框筒结构高档住宅，屋顶结构标高160 m，底层高4.60 m，标准层高3.30 m，1～2层间有一夹层，夹层高3.20 m，平面长37.65 m，宽20.20 m。18 层以下柱混凝土强度C60，梁板混凝土强度C30，地下3层至地上4层柱为劲性混凝土柱。

在主体结构施工至第10层时，对混凝土柱结构进行检测，发现1～5层部分墙柱混凝土强度不足，如果不采取处理措施可能会造成房屋安全隐患。

由于墙柱混凝土强度不足，主要补救措施可采用拆除、加固和托换等3 种方法进行施工。由于客观条件限制，不允许采取加固处理，因此只能在不影响主体结构的情况下，用局部替换的方法进行施工。但是对于墙柱托换施工而言，技术难度较大，且托换加固后能否保证结构的安全度达到理想效果均存在风险。

2 托换方案设计

根据检测数据分析，托换混凝土墙柱的数量为19 根，数量多（图1）。托换方案存在很大的风险，采用的支撑体系设置毕竟和原来的结构不是一个整体，如果设计不当，将会给永久结构带来裂缝、变形或更大的事故。由于混凝土柱为劲性混凝土，拆除柱时要整体替换，即核心区混凝土也要替换，使本来固结的节点变成铰接，很容易形成机动体系，引起失稳。

图1 1～5层托换混凝土柱平面布置

2.1 临时支撑体系

假定支撑体系杆件与原结构连接均为铰接，在混凝土凿除以后，由于钢筋相连，设为铰接。且不考虑环梁等的加固作用。临时支撑采用壁厚1 cm的Φ400 mm钢管，拆除支撑体系设计如图2所示。

2.2 计算分析

图2 拆除支撑体系设计示意

采用SAP2000建立空间模型进行有限元计算分析，梁、柱、混凝土墙等均按照原设计尺寸，地上部分的楼板厚度统一按照120 mm进行取值，恒载除结构自重外另取1 kN/m2，施工活荷载按保守的1 kN/m2取。托换使用的型钢按照原始尺寸及加固节点详图加到托换部位，并与原结构的连接按照铰接进行计算，原混凝土结构需要剔除的节点在托换过程中按照铰接进行计算。托换过程中，型钢采用钢楔进行卸载，同时使得型钢预变形，并减少柱替换后节点的变形。此部分荷载按照构件变形荷载加到构件中。

根据计算分析结果，临时支撑钢管最大内力为560 kN，最大变形5.3 mm。

3 托换施工

3.1 托换施工主要措施

托换施工顺序为：对拆除柱核对、标注→架设整体支撑体系→混凝土拆除→补加竖向钢筋→支模→浇筑混凝土→养护→拆除模板、支撑

在托换施工中主要措施和要点如下：

（a）首先对拆除柱核对、标注，对支撑位置进行放线，测量有关现场数据，设置沉降观测点，检查安全防护是否到位，如果不足，必须进行防护；

（b）安装顶撑层时先将撑杆和顶部锚板焊接在一起，撑杆和下部锚板留有10 mm左右间隙，从间隙对称打入钢楔，施加一定的顶撑力，然后焊接下部劲板，并将钢楔和锚板、撑杆焊接在一起。

（c）支撑层的目的是要部分或全部抵消拆除柱的竖向力，因此施加的顶撑力要适中，并通过计算模拟选择千斤顶；先将撑杆和顶部锚板焊接在一起，撑杆和下部锚板留有5 mm左右间隙，启动千斤顶，根据所处的位置选择千斤顶型号，顶撑到位后从间隙对称打入钢楔，最后焊接下部劲板，并将钢楔和锚板、撑杆焊接在一起。

（d）对于同一榀框架2 根相邻柱需要拆除者，对中间的混凝土梁应当支撑，确保整体性。

3.2 钢筋凿除安装方案

（a）柱中钢筋经过拆除适当受到损伤，因此所有箍筋废弃，主筋保留，适当增加主筋数量，增加主筋的方法是下部采取植筋锚入下部核心区，上部做90°弯钩插入顶部核心区。

（b）在拆除梁混凝土钢筋时，主筋保留，箍筋能保留尽量保留。在凿除混凝土时，因传力钢柱与柱边间距仅有20～30 cm，本次凿除范围考虑为离柱边各外扩10～20 cm。

（c）根据图纸钢筋数量，增加15%的纵向钢筋，即在每侧柱边根据现场凿除情况在偏于植筋的位置补加1～2 根钢筋，总植筋数量不少于5 根。

（d）因柱子箍筋废弃，考虑到劲性柱在梁柱节点区钢筋十分密集，在梁柱节点加密区重新加设箍筋时，外侧环形箍筋分成两半，安装到位后再进行封闭。

（e）对于本工程的2 根柱，在支撑完毕以后均可同时拆除，但对于B-5/B-A柱，应当先保留4层柱顶端的核心区，待下一层替换完毕，混凝土浇筑后7 d，再拆除顶端核心区。

（f）混凝土的浇筑应当提高一个强度等级，如果确有柱子个别区域混凝土难以清除完毕，还需提高强度。

（g）拆除混凝土时应当遵循先易后难，确保内部型钢和外部支撑不受扰动的原则用风镐进行拆除。

（h）在梁柱节点区纵向钢筋有截断的，按图集要求在搭接区焊接。

3.3 混凝土浇筑方案

（a）混凝土采用预拌混凝土C65，将泵送混凝土管安装至工作面处，用人工辅助将预拌混凝土直接运输到位。

（b）浇筑梁、柱混凝土前，应将施工缝剔打整齐、顺直，清除施工缝处的松散石屑、木渣及其他杂物，并浇水充分润湿后，在施工缝处灌入一层与梁、柱混凝土同配合比的水泥砂浆，方可浇筑混凝土。

（c）每个地方的混凝土堆积量不能过多，加强对混凝土的振捣工作，若钢筋过密，可考虑采用Φ30 mm的小直径振动棒配合振捣。

（d）试件的留置及混凝土的养护同标准层梁、柱主体结构。

4 施工控制

4.1 测点布置

（a）沉降观测监测点布置在支撑结构上部的楼层上，观测参照点可以布置在拆除层的柱或墙上，但该点必须是下部不需要替换的构件（图3）；

（b）撑杆轴力观测点布置在拆除层和其上一层。

4.2 观测要求

（a）沉降观测应在支撑施加顶升力以前设置观测点，监测主要在拆除全过程，拆除时每天观测3 次，拆除后每天不少于1 次，连续3 d无明显变化时，可逐渐加大观测周期，直至混凝土浇筑后3 d为止；

图3 钢管应力测点

（b）与原始观测数据相比，累计沉降达到2.5 mm时，应当报警，沉降达到5 mm时，应当停止施工，加固支撑体系，并对其他支撑体系进行加固。

4.3 监测结果

在施工过程中，由专业人员对测点的应力和位移进行监控。根据实测，钢支撑最大应力为90.1 MPa，实测最大向上位移2 mm。表明在施工过程中对结构的内力和位移控制是有效的，且充分证明在托换施工中，整个结构体系安全可靠。

5 结语

采用加临时支撑钢管的方法对框架柱进行托换施工，在柱混凝土拆除时，支撑内力和结构位移均有明显变化。因此施工过程应加强监测，并采取相应的安全措施，确保施工安全顺利进行。在进行框架柱施工时，必须经过详细的有限元计算分析，为托换施工提供理论支撑，确保托换施工万无一失。本项目框架柱托换施工的顺利进行为混凝土柱强度不足的处理方法提供了可靠的借鉴经验。