置换混凝土加固钢筋混凝土柱的工程应用

2015-03-24陈雪莲肖承波凌程建

四川建筑 2015年6期

关键词：斜柱内力立柱

陈雪莲,肖承波,凌程建

(四川省建筑科学研究院，四川成都 610081)

置换混凝土加固钢筋混凝土柱的工程应用

陈雪莲,肖承波,凌程建

(四川省建筑科学研究院，四川成都 610081)

在某现浇钢筋混凝土框架结构修建过程中，由于施工质量问题导致个别柱混凝土强度偏低，采用置换混凝土法进行处理。文章通过介绍某工程置换柱混凝土的处理方案，提出了一些置换混凝土加固法设计及施工的建议，为同类工程的加固设计及施工提供参考。

框架柱；混凝土置换；结构卸载; 施工

现浇钢筋混凝土结构中混凝土的工程质量是保证建筑安全的至关重要的因素。本文介绍的某公司新建的业务综合大楼为钢筋混凝土框架结构，地下共三层，人防位于负三层，地上共五层。地下负三层层高为3.9 m，负二层层高为3.9 m，负一层层高为6.6 m，地上一层～三层层高均为6.0 m，地上第四层层高为5.7 m，地上第五层层高为5.1 m。在该房屋地上第三层主体结构修建完毕后，施工人员发现地下负三层(D-T)/(D-6) 轴、 (D-T)/(D-15)轴、(D-R)/(D-4)轴柱混凝土强度与设计要求相差较大，严重偏低。为保证结构安全，需对混凝土强度严重偏低的柱进行加固设计。

图1所示为需加固钢筋混凝土框架柱平面布置图。

图1 负三层需加固框架柱平面布置(图中云线内为需加固柱)

1 加固措施的选择

现场实测后，发现地下负三层(D-T)/(D-6)轴、 (D-T)/(D-15)轴、(D-R)/(D-4)轴柱的混凝土实测强度均低于设计要求强度的50%。经建模按实测强度计算复核，这三根框架柱的承载能力严重不足，随时有失效的可能，情况十分危险。

若对框架柱采用加大截面法进行加固，虽然其施工较为简便，技术措施可靠，但因原混凝土强度等级与设计要求相差太大，加固将导致柱截面尺寸增大很多，严重影响后期使用。

若对框架柱采用置换混凝土进行加固，将不合格的框架柱混凝土剔除，重新浇筑满足设计要求的混凝土，则能使该房屋安全满足设计及规范要求，且不会影响其使用。由于只对原混凝土进行置换，截面尺寸不增加，不改变原建筑布局，周围梁承担的荷载和内力不会发生变化，不需对其采取其他加固处理即可满足原设计要求，能确保加固后的工程质量及外观与原设计保持一致。

鉴于以上分析比较，选用置换混凝土加固法对混凝土强度不满足设计要求的柱进行加固。

2 置换混凝土加固方案

2.1 临时支撑

临时支撑方案见图2，采用斜柱将负二层的混凝土框架柱轴力传递给新增竖直立柱，从而实现负三层待置换柱的卸荷。

图2 临时支撑方案

斜柱和竖直立柱均采用H型钢，两者通过待置换柱顶部两侧的框架梁传力，为保证原有框架梁的安全和传力的有效性，在框架梁上斜柱和竖直立柱交汇处用钢板包裹加强。

应保证钢柱竖直，连接面保持平整，所有钢柱作用的合力中心应与待置换柱的形心重合，尽量避免偏心，确保在卸载后待置换构件的相邻结构不产生裂缝、变形等损伤，不影响结构的安全性和耐久性。为此在调整好钢柱位置后，柱底的连接钢板通过螺栓钻孔植筋锚固于筏板基础中，柱底钢板调平后，在柱底钢板与筏板间对称打入钢垫块进行预钉紧，再在柱底钢板与筏板基础间的间隙浇筑水泥基灌浆料。

2.2 计算分析

采用PKPM软件建立房屋模型，得出待置换柱及其附近梁、板的内力；再采用SAP2000非线性有限元软件模拟剪力墙置换施工临时支撑方案，并对其进行分析。SAP2000建立的模型如图3、图4。

图3 SAP2000模型一

图4 SAP2000模型二

分析有三个目的：一是验证临时支撑方案的合理性；二是通过计算得出支撑构件的内力，从而进行构件设计；三是模拟原柱混凝土逐步凿除后，支撑及相邻构件的内力变化及变形。

因为此房屋尚处于施工阶段，且置换施工仅为短期过程，施工期间的置换柱四周不允许施工，所以不考虑地震作用及风荷载，仅考虑结构自重(不含填充墙)及楼面施工活荷载。

图5和图6分别为负三层(D-T)/(D-6)轴处临时支撑分析模型及内力计算结果。另外两根柱所在位置临时支撑采用同样的分析方法和计算模型。

图5 负三层(D-T)/(D-6)轴柱柱顶荷载

图6 负三层(D-T)/(D-6)轴柱处临时支撑轴力

分析表明，负一层柱传来的竖向力通过负二层柱的上段传给斜撑，然后传给竖直立柱，最后传到筏板基础，整个传力途径简洁、明确，说明临时支撑设置方案合理。

2.3 柱混凝土置换施工

2.3.1 施工流程

框架柱置换混凝土施工流程如下：

增设竖直立柱和斜柱→预设应力监测系统并监测→结构卸荷→间断剔除框架柱混凝土→界面处理→钢筋检查、调整配置，并埋设应变计→支模→浇筑混凝土→养护→拆模→混凝土表面设应变片并监测→检查验收→拆除临时支撑结构。

2.3.2 注意事项

(1)由于卸载过程结构的内力重新分配，分4次凿除原柱混凝土，每凿除1/4截面后，静置24 h，需对临时支撑结构及被置换构件的应力或应变状态进行监测。通过应变测试仪和粘贴在构件表面的应变片来测量在卸载过程中结构发生的应变，准确地反映被置换柱周围梁的内力、变形和残余变形以及斜柱、竖直立柱的内力等，从而了解结构的真实受力状态，为卸载提供可靠的依据，以便更安全可靠地进行置换混凝土加固的施工。

(2)在待置换柱两侧布置竖直立柱，并在其上一层对应位置设置斜柱，待两者施工安装完成后检查其与原混凝土构件是否可靠顶紧，确保准确无误后分4次凿除需置换柱的混凝土。

(3)施工过程中，要对原结构的承载状态进行密切观察和控制，尽可能使置换界面处的混凝土和纵向筋的应力为零。

(4)在凿除原混凝土过程中，应避免对柱钢筋造成损伤。

柱混凝土凿除后，应按原设计图纸的要求复验钢筋，经隐蔽验收合格后，方可采用C50无收缩细石混凝土或第IV类水泥基灌浆料(加粗骨料)进行浇筑。为增强新旧混凝土间的结合能力，原构件结合面应进行凿毛处理，使表面凹凸差≥4mm，然后用水冲干净。浇筑混凝土前宜涂刷混凝土界面结合剂一道，随涂随浇。应在新浇注混凝土中掺入适量的减水剂和膨胀剂，尽量减少混凝土的收缩，使置换后混凝土与原结构混凝土协调受力；还应严格控制混凝土用水量，以确保混凝土质量。

(5)置换混凝土达到设计强度后，应分多次对称、间断卸除钢支撑，每次截断部份截面后宜适当静置，并监测置换后柱应力变化。