钢筋混凝土框架柱的置换加固施工

李永红 （南京交通职业技术学院，江苏 南京 211188）

1 工程概况

某宿舍楼工程为框剪结构，地上7层，局部地下1层。地上结构层高为3.6m，地下管沟夹层层高1.9m。混凝土设计强度等级情况：①地基基础：承台地梁C40，地下室墙柱C40，地下室顶梁板C30；②主体竖向结构：1～4层独立柱为C40，5～7层柱为C30，与剪力墙相连的柱为C30，梁柱节点为C30；③主体水平结构：梁板全部为C30，楼梯为C30。

当施工完5层楼面梁板后，根据现场3方（监理单位、施工单位、商品混凝土厂家）于2014年5月对结构柱、梁、板构件进行混凝土回弹检测，结果发现现场部分结构构件混凝土强度不满足设计要求。其中1层②、③、④3条轴线上12根框架柱混凝土强度在C20左右，混凝土表面有裂缝，表面颜色泛白；其余轴线柱混凝土强度普遍低于设计强度C40。

2 施工方案的确定

建设单位于2014年6月组织了监理单位、施工单位、设计院、商品混凝土厂家等参建单位，以及某国内一流大学、某建筑工程改造与加固公司等单位的专家出席的讨论会，研究框架柱混凝土强度不能满足设计要求的处理方案。常见的处理的方案有拆除、加固、置换等。

①拆除上部结构重新施工，工期不能满足要求、经济损失大；

②对柱子进行加固，通过扩大断面、粘钢、报碳纤维等方法加固，但在抗震的延时性上和其他柱不匹配，存在安全隐患，且给用户使用带来不便；

③置换加固是对1层②、③、④3条轴线上12根框架柱混凝土凿除、钢筋保留，再用高强度混凝土重新浇筑，进行置换处理。该法施工影响小，工期较短且相对经济，施工成功可以解除结构安全问题，但施工技术难度较大，施工过程中要对原结构提前加设临时支撑，保证结构安全。

经研究决定：对1层②、③、④3条轴线上12根框架柱混凝土进行置换施工，其余框架柱混凝土回弹强度在C30～C40之间的，组织有检测资质的第三方检测单位根据现状出具检测方案，依据方案进行检测，出具正式的检测报告，为后续的处理提供依据，再行确定处理方案。

3 置换施工方案

3.1 混凝土柱置换工序

结构受力状态计算→结构应力、位移、沉降观测仪器仪表布置→施加预应力→周边梁脚手钢管顶撑→顶撑卸荷→剔除柱混凝土→钢筋修复→界面处理→立模板→浇筑C60混凝土→拆模→养护→强度及外观检验→拆除顶撑卸荷结构。

3.2 受力分析

根据施工现场实际工况，对1 层柱的受力在恒载作用下采用PKPM软件进行分析，得到1 层柱、墙在恒载作用下的底部内力简图，见图1。

图1 1 层柱、墙在恒载作用下的底部内力简图

3.3 支撑卸荷

3.3.1 结构支撑卸荷计算

①选则②、③、④三条轴线上12根框架柱中受力最大的③/ⓒ轴的柱进行计算，竖向荷载N=1754.9kN。

②在柱四周梁上布置支撑，每根支撑受力F=N/n=1754.9/4=439kN。

地下室、一层柱四周支撑钢管布置见图2。

1---混凝土置换柱；

图2 地下室、一层柱置换时四周支撑钢管布置图

2---Φ159×4.5顶撑钢管。

③支撑选用2Φ159×4.5钢管，计算如下：

f=205MPa,An=2184.2mm2,i=5.464cm,lo=3000mm

稳定性验算：

强度验算：

因此选用2Φ159×4.5的Q235钢管，满足要求。

3.3.2 柱施加预应力计算

由于需要置换混凝土的一层结构柱上部已经有荷载传递。剔除此柱混凝土时，需要在框架柱四周的梁端设置钢管支撑对柱施加预应力，以保证上部柱不产生受拉。一层柱置换施加预应力及卸荷立面简图见图3。

图3 柱置换施加预应力及卸荷立面图简图

1---置换混凝土柱；

2---2Φ159×4.5顶撑钢管；

3---Φ159×4.5顶撑钢管；

4---钢管上下各设250×250×18钢板；

5---应变片；

6---柱顶周边每根梁上布置一个千分表。

①支撑自基础（承台、地梁顶面-1.900m标高处）开始向上逐节支设；基础与一层的上下层支撑钢管位置应基本一致。

②先用千斤顶通过临时钢管向上层结构框架梁施加反力。当达到力值要求后，安装钢支撑，钢管上方用花篮螺栓拧紧，在千斤顶数值显示为0时，撤出千斤顶。

③对原结构卸荷时即千斤顶顶撑时，在梁端、柱身上布置监测仪器，用千分表控制梁端位移，结构位移控制值为0.01mm～0.05mm。防止支撑力过大破坏原结构。

④施工过程中，加强对支撑的监控和检查。

3.3.3 保证梁安全的支撑

由于1层②、③、④3条轴线上的框架柱拆除后，相邻梁的正弯矩会增大，因此需要对置换混凝土的柱四周的梁板均需加设脚手钢管架进行顶撑，规格Φ4.8×3.0，钢材强度等级Q235，使上部梁板荷载均匀的向下传递到承台与地梁之上。

脚手架沿框架柱四周框架梁纵向布置，立杆纵距为0.60m，立杆横向3排、横距0.6m，纵横向水平杆步距1.3m。

钢管架顶撑范围自-1层（承台、地梁顶面-1.900m标高处）开始向上支撑至二层顶，采用脚手钢管进行顶撑。立杆应采用整根钢管，不得接长使用。

脚手钢管基础应落在承台、地梁顶面上，禁止直接在土方上支撑。钢管下部为土方时，应按要求分层回填夯实，浇筑C20混凝土垫层，垫层上放置HM200×150型工字钢，两端搁置在承台上，然后搭设脚手钢管。钢管在楼板的位置应上下对齐，钢管上部采用可调顶托，顶托应旋转顶紧。

4 柱子混凝土置换加固

4.1 加固材料

①钢筋：钢筋按照原设计图纸要求的规格、性能进行配置。在混凝土凿除过程受到损伤的主筋进行补强，采用与原主筋相同的钢筋进行搭接焊接。箍筋按照原设计规格，按柱全高加密@100。

②混凝土：由于上部结构已经形成，混凝土浇筑只能在二层楼面处开凿浇注口，后灌浆施工。后灌浆混凝土采用C60豆石型无收缩灌浆料。

4.2 混凝土置换加固

1层12根框架柱置换混凝土的施工顺序按照相互间隔的顺序施工，本次框架柱置换分3个施工段进行施工，第Ⅰ施工段施工顺序：6→2→4→11，第Ⅱ施工段施工顺序：1→5→9→7，第Ⅲ施工段施工顺序：3→8→10→12，前一施工段框架柱灌浆料强度达到C40后，方可拆除顶撑并进行下一施工段施工，见图4。

①凿除混凝土：采用人工+电镐凿除原一层柱混凝土。

②模板：采用木胶合板，胶合板安装完毕后，在接缝处贴上胶带，以防止漏浆。

③界面处理：新旧混凝土界面处，采用高压水枪冲洗，冲洗完毕后，涂刷界面剂。

④混凝土浇筑：置换柱采用豆石型C60灌浆料浇筑加固。浇筑口设置在2层楼板处。要求边浇筑，边用皮锤敲击模板。每根柱浇筑，一次性完成。浇筑完成面高于柱顶100mm。

⑤养护：混凝土浇筑完成24h后拆模，拆除后采用塑料薄膜或麻袋片封裹洒水保湿养护7d。

⑥拆撑：灌浆料强度达到C40后，即可以拆除顶撑。以同条件养护试块的试压强度作为支撑拆除的依据。

图4 1 层柱置换施工顺序图

5 施工监测

①监测点的布置：监测点设置位置见图3，布置在置换的一层柱柱顶四周梁上，置换柱的上层柱（二层柱）上及下层柱（-1层柱）上。监测点在支撑顶升力施加之前布置完成。

②主要监测时间：千斤顶顶撑时，2层柱及2层梁应变监测；拆除1层柱时2层梁及-1层柱应变监测；置换完毕后，拆除支撑2层梁及2层柱应变监测。

③监测频率：柱混凝土拆除时，每天观测3次；混凝土拆除后每天至少观测1次；柱新浇筑混凝土3d后停止观测。

④监测报警：与不拆除的柱上原始观测点对比，置换部位沉降观测累计沉降2.5mm时应报警；沉降达到5mm时，应停止施工，加固支撑体系，消除危险。

6 结 语

置换法处理混凝土强度不能满足设计的柱、墙等竖向构件，工期短、比较经济，能保证结构安全，但施工技术难度较大。在置换前应考虑临时支撑、合理设计支撑顶力，在置换柱的四周梁上设置顶撑，顶撑上下端均顶在梁的位置，施加一定的顶升力，置换层的上层、下层同样位置同样设置顶撑，顶撑靠紧上下节点使置换层的力合理传至相邻层的核心区。置换顺序应按照受力分析图确定合理顺序，施工时严格执行。置换时应加强监测，控制好支撑顶升力，重点是沉降观测。施工过程中加强对混凝土凿除、钢筋安装，新浇混凝土质量的控制。

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