无支撑混凝土置换法在某高层住宅加固中的应用

张泽宁，曾学悠

(1.中铁电气化局集团北京建筑工程有限公司，北京 100039；2.中国建筑西南设计研究院，四川 成都 610041)

0 引言

近年来，随着我国基建行业高速发展，越来越多关系民生的高层住宅拔地而起，然而受商品混凝土原材料、生产水平、工程施工质量控制水平的影响，经常会遇到混凝土强度不满足设计要求的情况。加大截面尺寸加固法、粘贴钢板或粘贴碳纤维加固法及混凝土置换加固法等是国内常用的混凝土结构加固方法。由于是住宅工程，需要考虑业主的使用和居住需求，不得侵占户内面积，因此粘贴钢板、加大截面尺寸和粘贴碳纤维加固不适用此类项目，故采用混凝土置换方法处理。传统置换方法需对现场构件进行承托加固处理，现场施工工期较长，且承托体系和原结构受力不统一，施工进度及工程质量难以保障，故将有支撑置换法优化为无支撑分段置换法。本文对无支撑置换施工过程中关键问题，如方案比选、单次置换量、置换顺序、轴压比控制、卸载方案等进行重点分析，给出量化指标，确保施工安全、便捷、经济。

1 工程概况

某建筑单体为一栋地下3层、地上21层的住宅楼，层高2.9m。该建筑为现浇钢筋混凝土剪力墙结构，地上墙体截面尺寸为200mm，楼板尺寸为120,150,160mm。剪力墙混凝土强度等级要求：地下1层至地上3层为C50，4～13层C45，14～17层C40，18～21层C30，梁板强度等级均为C30。

由于商品混凝土搅拌站管理失误，第16层剪力墙因混凝土不合格导致强度只达到设计要求的15%～25%，需要进行加固处理。问题区域无框架梁，结构构件只有墙、板，由于墙、板分开浇筑，楼板强度符合设计要求，仅需对混凝土强度不合格的剪力墙进行处理。加固前主体结构已封顶并完成了填充墙体砌筑，房屋尚未进行外墙装饰和室内地坪施工。填充墙为蒸压加气混凝土砌块，走廊和分户填充墙厚200mm。

2 结构安全状况

现场组织专业检测机构对第16层剪力墙的混凝土进行检测，问题区域剪力墙混凝土强度为6.8～17MPa，远低于设计要求的C40，其他区域强度符合设计要求。为科学判定受检建筑的安全状况，采用PKPM进行承载力核验。

依据图纸，软件参数取值如下：建筑抗震设防类别为丙类，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组取第1组，场地类别二类，特征周期Tg=0.35s，结构阻尼比0.05。50年一遇基本风压为0.5kN/m2，地面粗糙度类别为B类，风荷载体型系数为1.3。

新建项目无其他影响因素，结构恒荷载按设计取值，楼板面层和天花板粉刷层取为1.5kN/m2，楼面活荷载按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》取为2.0kN/m2，剪力墙混凝土容重取值为26.5kN/m3。各楼层构件强度取值：第16层剪力墙混凝土强度按实测结果取6.8～17MPa，其他楼层按原设计取值。梁板混凝土强度等级取C30。钢筋强度按规范要求：HRB335取300MPa，HRB400取360MPa。

剪力墙结构安全储备高，轴压比较小。剪力墙6.8～17MPa的混凝土强度值不能满足原设计和GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)4.1.2条对钢筋混凝土的最低混凝土强度等级的要求。主体结构的耐久性和安全性不满足使用要求，应对结构进行加固处理。

3 加固方案选择

3.1 当前结构受力状况

本工程为住宅项目，在考虑安全、使用功能、经济成本后。决定采用混凝土置换方法，综合对比如表1所示。

表1 处理方案对比

在当前工况下，承重剪力墙混凝土强度偏低，常规置换的核心思想是承托换墙，需要在问题构件上下层设置附着承托构件，将上部荷载通过承托构件传递至下层构件，此技术应用较广，但此类加固方法施工的成本高，而且现场承托构件安装工作量大、施工工序复杂，导致加固施工周期延长，从实际情况来看不是最优选项。承托构件体系的施工质量依赖于现场工人的个人技术和素质，置换过程中可能产生水平位移、沉降、结构内部应力变化等不利因素，因此该方法不能很好地解决此类工程问题。

本文在承托置换加固法的基础上，提出无支撑置换混凝土加固法。该方法的核心思想是利用原有构件的承载力安全储备，分批次将问题混凝土逐段拆除置换。在置换过程中分批次对拆除的构件进行建模计算，分析各工况下构件的轴压比，利用原有构件进行荷载传递，从而避免安装承托构件体系，解决了传统承托置换因卸载工作量大导致的施工难度大、费用高、工序复杂、现场管理难度大等问题，大大简化施工工序，降低现场工作量，从而降低工程造价，缩短施工工期。

3.2 分批置换混凝土施工条件

本次加固的目标为保证置换过程中结构安全，降低结构变形、裂缝、不均匀受力等影响，要求置换区域所有剪力墙的轴压比≤0.6且混凝土剪力墙开洞跨度≤1.8m，避免拆除过程中部分墙体轴压比过大或开洞跨度过大造成上部结构出现破坏变形。

3.3 分批置换混凝土方案设计

施工开始前，置换区域上方所有施工暂停，人员、设备、材料均清退，只保留已施工工程实体。为增加施工安全储备，建模计算时，将问题楼层上原有的5层结构按6层进行建模，得到第16层剪力墙的轴压比如图1所示。

图1 原始荷载下第16层剪力墙轴压比

由图1可见，轴压比数值区间主要为0.11～0.21，最大值为0.21，而正常区域轴压比数值区间为0.05～0.07。依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)，本项目剪力墙轴压比数值不超过0.6。鉴于轴压比从0.21到限值0.6仍有较大安全冗余，经综合考虑采用无支撑置换，置换拆除方案对比如表2所示。

表2 置换拆除方案对比

置换拆除顺序遵循先中间后四周、先内墙后外墙的原则，分批置换如图2所示。每次置换区段拆除后采用微膨胀高强灌浆料进行浇筑，经现场同条件试块试压检测，试块3d强度达45MPa以上，施工周期大大缩短。

图2 第16层剪力墙混凝土分批置换示意

3.4 方案可行性研究

为确保施工过程安全可靠，分别计算3次置换拆除后的轴压比数值。

1)工况1 第1批置换区拆除后，剪力墙最大轴压比为0.3。

2)工况2 第2批置换区拆除后，剪力墙最大轴压比为0.26。

3)工况3 第3批置换区拆除后，剪力墙最大轴压比为0.17。

3.5 墙体开洞结构受力有限元分析

为探究剔除原墙体开洞对结构的影响，采用SAP2000软件对16层的剪力墙进行有限元分析，选择受力最大，截面最长的/(③～⑤)边墙段作为分析模型。忽略水平荷载对整体结构的影响，仅考虑在结构自重作用下结构的应力状态和内力数值，基于有限元静态分析法对结构进行静力计算分析。3次置换墙体有限元分析数据如表3所示。

表3 3次置换墙体有限元分析结果

4 方案实施

为保障施工质量，严格挑选有资质且施工经验丰富的特种公司进行作业。按照设计的置换顺序在墙体上标序号，严格按照序号分段拆除，施工流程如图3所示。待混凝土强度达到设计值的70%后进行下一段拆除置换施工。

图3 施工流程

4.1 楼板裂缝及位移监测

本工程为剪力墙结构，分段置换区域剔凿后的楼板承受自身重力荷载。

置换区域采用高精度的百分表进行结构竖向位移监测。百分表量程10mm，精度0.01mm，布置在置换墙体旁50cm处钢管底部，竖向钢管通过胀栓与顶板固定，百分表指针定在楼板上，根据结构布局共设置13个沉降监测点(见图4)。在拆除过程中全程监测百分表读数并记录。开始拆除前至拆模后，每日观测3次，顶板最大位移如表4所示。

表4 沉降位移监测 mm

图4 监测点布置及百分表安装示意

4.2 混凝土拆除

混凝土拆除方法有切割法、高压水破除、电镐破除等，对4种可能方案进行对比，如表5所示。

表5 混凝土拆除方法比选

鉴于本项目位于16层，拆除部位混凝土强度不足C15，且要保留原有结构钢筋，高压水破除设备无法运抵高楼层，因此采用轻型拆除工具如风镐、电钻拆除剪力墙混凝土，对拆除暴露出的原有结构钢筋进行清理(见图5)。为保障剔凿质量，将墙板交接核心区由板底向上剔凿5cm，呈斜口状，在每个拆除墙体部位的顶板剔凿2个灌料口。用清水清洗干净凿毛面，确保结合牢固。

图5 现场拆除作业

4.3 钢筋调整及混凝土支模

对拆除混凝土后的原结构钢筋进行调整，剔除表面附着的混凝土，并用清水冲洗附着的尘土，并对弯曲的钢筋进行调直绑扎。

模板支设时，采用竹胶板及对拉螺栓进行固定，模板四周缝隙采用发泡聚氨酯进行封堵，避免灌浆料外溢，影响施工质量(见图6)。

图6 模板支设示意

4.4 混凝土浇筑及养护

浇筑灌浆料前，注意接茬部位凿毛清理。制作不少于3组同条件试块，根据试压结果调整施工进度。拆模后对置换墙体覆膜洒水养护，养护周期≥7d，每天≥4次，确保水化反应良好。

5 结语

依托本项目，全面梳理了无支撑置换的难点和要点。在置换过程中，通过合理划分置换墙体长度，借助周边未拆除的墙体提供竖向承载力。全过程监测结果显示：板最大沉降量为1.5mm，可见置换施工对主体影响可忽略不计。25d内，共计完成88m长，50m3剪力墙混凝土的置换，相比有支撑置换法，大大缩短了施工周期，降低了经济成本。

1)无支撑置换法适用范围取决于问题层剪力墙混凝土强度值及上部结构荷载值，通过控制单批次拆除置换量，调节未拆除墙体的轴压比并与规范限值进行对比。

2)在第1批置换拆除后，结构的稳定性降到最低，随后续施工稳定性逐渐提高，因此应遵循先结构中间后四周、先内墙后外墙、先少后多的原则进行置换作业。

3)有支撑置换施工需要搭设安全支撑及工作平台，安全支撑体系和原结构很难达到协同受力，且原结构已经承受上部荷载，其中的内部应力很难准确计算，安全支撑的顶撑力过大或过小都会对结构产生不利影响。而无支撑置换利用原结构自有承载力进行短期置换，现场工程量小，经济环保。

4)无支撑置换法工期快、造价低。由于其现场工作量小，仅涉及拆除及浇筑等工作，现场无需大量的安全支撑。经测算并与有支撑置换法进行对比，无支撑置换法工期由55d缩短至25d，成本降低40%。