高层住宅建筑框架柱混凝土质量缺陷整体置换加固设计及应用

2022-08-24邹勇孙潇文姚雷杨若愚

重庆建筑 2022年8期

邹勇，孙潇文，姚雷，杨若愚

（1 重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016； 2 重庆大学土木工程学院，重庆 400044；3 中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

0 引言

混凝土作为一种人造材料，在工程结构中的运用已超过150 年，因混凝土具有原料来源广、造价低廉、工艺简单等优点，已广泛应用于各类工程结构中[1]。近年来，我国经济实力增长显著，工程技术进步飞速，有力推动了我国城市化的进程。商品房建设的速度不断加快，施工工期的缩短提高了经济效益，但也为工程质量问题埋下隐患。高层住宅建筑中最常见的是钢筋混凝土结构，而混凝土的质量是高层建筑安全性的直接影响因素之一。

在新建工程施工过程中，由于管理不当、浇筑不规范等原因经常会导致混凝土强度严重偏低或不密实、疏松、离析等质量缺陷，进而使钢筋混凝土柱的承载力低于正常使用要求值，需进行加固提高。目前，针对高层建筑中框架柱混凝土出现质量缺陷的常用加固方案包括：增大截面加固法、置换混凝土加固法、外包型钢加固法等。当框架柱混凝土强度严重偏低，或者缺陷情况严重时，置换混凝土加固法是最优解，可以清除质量差的混凝土，且加固后不影响建筑后续使用，如不减少建筑使用面积，不增加建筑后续维护难度等。

考虑到高层住宅建筑中钢筋混凝土柱的竖向内力通常较大，如何对框架柱中缺陷混凝土进行全截面一次性置换仍是一大难点。本文提出了一种整体置换混凝土加固法，该方法在原框架柱旁新增托换钢柱，由新增托换钢柱作为临时支撑承担原框架柱的内力，保障高强无收缩灌浆料整体置换缺陷混凝土时的结构安全性；施工过程中基于智能监测系统，实时监测加固中受影响构件的内力、变形等情况，以保证结构安全。实践证明，该方法加固效果良好，能够作为类似工程加固设计及施工方案选取的参考。

1 工程概况

某新建高层住宅建筑地下层数为3 层，地上层数为33 层，标准层层高为3.00m，屋面结构标高为98.90m，结构体系为钢筋混凝土剪力墙结构；建筑结构设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为6 度，抗震设防类别为标准设防类(丙类)，抗震等级为三级。图1 为标准层结构平面布置示意图。

图1 标准层结构平面布置示意图（mm）

该工程开工时间为2019 年3 月，主体结构封顶时间为2019 年11 月。 2019年12 月，相关单位在对结构实体进行常规检测时，发现该工程第12 层（+32.900m～+35.900m）(7)/(J)、(19)/(J)轴框架柱混凝土强度偏低。随后建设单位委托第三方机构检测框架柱的混凝土强度，上述2 根柱的钻芯法检测结果为：混凝土强度推定等级仅为C15，远小于设计强度等级C45。

根据混凝土强度实测值，对该工程第12 层(7)/(J)、(19)/(J)轴框架柱的承载力进行验算，验算结果表明上述2 根框架柱的承载力、轴压比等不满足现行规范要求，影响结构安全，需尽快进行有效加固。

2 加固方法选择

2.1 工程特点

该工程具有以下特点：

（1）框架柱混凝土强度缺陷的问题暴露时，该在建建筑的主体结构工程已结束；

（2）现场检测结果表明，框架柱全截面混凝土强度较低的问题在层高范围内均存在（强度推定等级仅为C15）；

（3）该工程为高层住宅建筑，加固施工的影响必须控制，工期应尽量短，保证交付时间，施工后不能对建筑本身的功能和使用造成影响。

2.2 加固方法比选

目前，针对高层建筑中框架柱混凝土出现质量缺陷的常用加固方案包括增大截面加固法、置换混凝土加固法、外包型钢加固法等。不同方法适用范围和优缺点简要列举如下[2-3]：

（1）增大截面加固法会压缩建筑使用面积。加固某楼层框架柱时，向上延伸一层、向下延伸至基础顶面均属于加固施工的影响范围。新旧混凝土之间因强度差异较大的问题，导致混凝土的弹性模量差异也较大，共同受力时会存在变形差的问题，难以实现良好的协同工作；

（2）外粘型钢加固法需采用结构胶，存在耐久性（使用年限）问题。加固某楼层框架柱时，向上延伸一层、向下延伸至基础顶面均属于加固施工的影响范围，细节处理中，复杂的梁柱节点会带来麻烦。加固后构件表面需设置较厚的保护层，否则钢材容易出现锈蚀，对房屋后期装饰装修影响较大；

（3）粘贴纤维复合材加固法需采用结构胶，同样存在耐久性（使用年限）问题。加固提高的承载力大小的限制因素有二：一为受柱截面形状，二为截面尺寸。该方法是各种方法中提高承载力效果最不显著的；

（4）置换混凝土加固法可简单分为两种：分段（分批）置换混凝土加固法，一次性整体置换混凝土加固法。两种方法在置换施工前均应采取有效的支撑措施，并且在施工前、施工中及完工后均需对结构构件的变形进行监测及控制；分段（分批）置换施工难度相对较小，支撑措施费用相对较低，但施工周期较长；一次性整体置换施工难度相对较大，支撑措施费用相对较高，但施工周期相对较短，置换完成后构件整体性相对较好。当框架柱混凝土强度严重偏低，或者缺陷情况严重时，置换混凝土加固法是最优解，可以彻底解决混凝土的质量问题，且加固后不影响建筑后续使用，如不减少建筑使用面积，不增加建筑后续维护难度等，负面影响较小。

经过充分论证，结合该工程特点，从施工工期、加固费用、后续影响等方面进行综合考虑，最终制定了一次性整体置换混凝土法的框架柱加固方案，对建筑存在的混凝土强度缺陷问题进行彻底解决。

3 混凝土置换加固设计

3.1 混凝土置换设计

考虑到该工程第12 层(7)/(J)、(19)/(J)轴框架柱的轴力较大，为保证置换方案的安全可靠，设计采用在原框架柱旁新增4 根托换钢柱，由新增托换钢柱作为临时支撑承担原框架柱的轴力，然后一次性整体置换原框架柱中的缺陷混凝土，置换材料采用高强无收缩灌浆料（Ⅳ类）。整体置换混凝土法加固框架柱大样图见图2。该方法将原框架柱分为置换区、转换区及保留区，置换区为原框架柱存在混凝土质量缺陷的区域，转换区为托换钢柱上下柱头与原框架柱搭接的区域（用于将原框架柱中轴力转换至托换钢柱上），保留区为原框架柱上下两端无需置换处理的区域。

图2 整体置换混凝土法加固框架柱大样图

该方法的基本施工顺序为：①施工托换钢柱上下转换柱头（如植抗剪钢筋、绑扎钢筋、埋设锚板、浇筑混凝土等）； ②待上下转换柱头混凝土强度达到设计要求后，在原框架柱旁安装托换钢柱（钢柱底部应采用钢楔顶紧，顶紧后将各钢板焊牢）；③待托换钢柱安装完成并检查合格后，凿除原框架柱置换区的缺陷混凝土；④钢筋修复、界面处理及支模，重新浇注混凝土（或高强灌浆料）；⑤拆除托换钢柱及上下转换柱头应在新浇筑混凝土强度达到设计要求后进行。

该方法采用高性能灌浆料（Ⅳ类）作为置换原缺陷混凝土的材料，主要由水泥基胶结材料、粗骨料、细骨料组成，浇筑后，3 天左右达到30～50MPa 的早强高强特点，自流动性良好，还具有收缩或膨胀极小的优异性能，因此加固施工所需时长得以缩短。

3.2 临时支撑设计

该工程为在建工程，发现问题时主体结构刚封顶，此时该房屋内部还未砌筑填充墙及进行装修，故托换钢柱设计时可不考虑使用荷载、墙体荷载及装修荷载等；考虑到该工程置换加固施工的工期较短，故托换钢柱设计时不考虑地震作用；置换施工过程中应暂停置换框架柱上部楼层的施工作业，并严禁在受荷范围内堆载。综上，临时支撑设计时仅考虑上部主体结构的实际自重，荷载计算中选用基本组合值。

支撑方案部分，选用YJK 程序计算分析现有荷载下的结构内力，以此确定需置换的混凝土框架柱内力。临时支撑设计包含托换钢柱及上下转换柱头两部分设计内容。

3.2.1 托换钢柱设计

根据内力计算分析结果选用4 根托换钢柱承担置换框架柱的轴力，每根托换钢柱承担的轴力为750kN，设计选用200×200×10mm 方钢管，钢材型号为Q345B，验算托换钢柱的强度、长细比、稳定性、局部稳定等参数，结果均符合规范要求。钢柱穿越上下层楼板时需先开洞，待钢柱安装到位后，楼板洞口应填实固定钢柱。

3.2.2 转换柱头设计

转换柱头的作用是将原框架柱中轴力转换至托换钢柱上，转换柱头与原框架柱之间存在新旧混凝土结合面，必须采取有效措施提高新旧混凝土结合面的抗剪性能，这是新旧混凝土工作协同性的基础，保证剪力能在结合面上有效传递。

措施一：对转换区原框架柱表面进行凿毛处理，凹槽深度应大于10mm。措施二：在结合面上布设抗剪筋，抗剪筋选用C14，间距为200mm，呈梅花状布置，抗剪筋植入原框架柱的深度为150mm，新混凝土内锚固长度为400mm；另外在上下柱头底部、顶部原框架柱范围内设置穿柱钢筋（两个方向各3 道C25）。

转换柱头采用高强无收缩灌浆料（Ⅳ类）浇筑，待灌浆料强度达到40MPa 时，即可进行托换钢柱的安装施工。

4 混凝土置换施工技术要求

整体置换混凝土法加固施工流程图见图3，施工过程中应严格按以下技术要求进行控制。

图3 整体置换混凝土法加固施工流程图

（1）现场勘查及复核

加固设计一般基于现存数据和现场检测结果。但由于一些结构的不易观察性，抽样检测也具有局限性，材料强度可能估测不准，结构性能评估可能存在问题，相关单位需在加固施工前进行二次检查，包括框架柱的轴线位置是否准确、缺陷混凝土的竖向长度等。避免与设计数据不符的情况发生，如有问题，应立即调整加固工程的设计。

（2）卸载

置换施工过程中应暂停置换框架柱上部楼层的施工作业，并严禁在受荷范围内堆载；同时对需置换处理框架柱周边影响范围内的梁、板采用钢管架进行支撑，以确保相邻梁、板结构的安全性。

（3）架设托换钢柱

转换柱头混凝土浇筑完成后，待混凝土强度达到40MPa 时，才可进行托换钢柱的安装施工，钢柱的垂直度应在允许范围之内；钢柱所用材料的规格、厚度等应符合设计及规范要求，钢柱安装完毕后应及时进行检查验收；严禁在托换钢柱未验收合格的情况下进行混凝土剔凿。钢柱穿越上下层楼板时需先开洞，待钢柱安装到位后，楼板洞口应填实固定钢柱。钢柱顶部应与上部转换柱头内预埋板M1 焊牢，底部采用钢楔块顶紧后，将钢楔块与柱脚底板、下部转换柱头内预埋板M2 焊牢。钢柱拼接采用焊接，要求焊缝为全熔透类型，且为高于二级的焊缝质量等级。

（4）安装监测设备

混凝土置换施工前，应在相关构件上安装智能监测系统，用于实时监测相关构件的内力、变形等，以便更好地指导加固施工，确保结构安全。

（5）凿除缺陷混凝土

采用人工凿除缺陷混凝土，可使用小功率电镐，严禁使用重型设备。剔凿混凝土时，应凿除缺陷部位混凝土至密实部位，并保证保留边界横平、竖直，剔凿完成后边界面必须垂直于构件表面。剔凿混凝土时尽量不要损伤原有钢筋。

（6）钢筋修复

混凝土剔凿过程中应注意对原有钢筋进行保护，若纵筋出现弯曲现象，应及时进行调直处理。缺陷混凝土剔凿完成后，应按设计要求对置换区钢筋进行重新调直、绑扎或增补，若原钢筋出现损伤，应采用相同规格钢筋进行补强，步骤顺序应为：重新完成绑扎钢筋工程，符合相关规范下验收隐蔽工程，完成模板工程。

（7）界面处理

新旧混凝土的界面应有处理步骤，在置换区缺陷混凝土凿除完成后，应对原构件保留区表面进行凿毛处理（露出骨料新面或凿成锯齿状），以增加混凝土结合面摩擦力及抗剪强度；凿毛处理后，需使用加压力的水枪将表面自由移动的颗粒清理干净，进行表面处理；检查钢筋的锈蚀程度，对较严重的锈蚀及时去除。应按照设计及规范要求对上述结合面进行处理。

（8）支模

支立架设模板的方案应与实际情况符合，满足坚固、稳定、不漏浆的支模版要求。沿模板高度方向应均匀设置浇筑口，竖向间距不大于1.0m，浇筑口应设置成喇叭形。

（9）浇筑混凝土

置换混凝土采用具有出厂合格证明的高强无收缩水泥基灌浆料，经过重复检验合格后方能使用。混凝土应分段浇捣密实，且混凝土浇筑口应设置成凸出的楔形，浇筑口应高于原楼面300mm，浇筑混凝土时，为了新混凝土与上方柱子能保证较好粘接，达到无缝连接，第一步用混凝土浇满浇筑口，待成形拆模后，剔凿由于浇满混凝土而凸出的一部分混凝土，使之与楼面齐平为止。为了混凝土的密实度达标，混凝土浇筑中用手锤进行振捣，击打模板外边缘，浇筑和敲打同步进行。按规范要求，浇筑时应留置100×100×100mm 的正方体试块，并进行同条件养护，直至达到设计强度要求。

（10）拆模及养护

按施工技术方案，浇筑完的混凝土应及时养护，结合相关规范的要求制定养护措施。若采用高强无收缩灌浆料，拆模后，应立即用塑料薄膜包裹构件表面，然后浇水养护，以保证养护期内构件表面有充足的水分。

（11）拆除临时支撑

置换区混凝土抗压强度达到设计值后，开始进行托换钢柱拆除工程。托换钢柱应分次拆除，每次仅能拆除1 根托换钢柱；拆除过程中需用智能化监测系统对构件变形情况进行监测，无异常情况后，才可拆除下一根托换钢柱。拆除上下转换柱头时不得损伤原框架柱的混凝土。

（12）检查与验收

先按相关规范要求验收隐蔽工程，再浇筑混凝土，记录好相关检查与验收工作内容。结构拆模后需进行构件实体检测（包含构件截面尺寸、混凝土强度及密实性、外观质量、新旧混凝土交接处质量等），新混凝土应在浇筑质量上把控严格，避免严重缺陷，应控制尺寸偏差，不能影响结构性能或建筑使用功能。按照相关规范要求检查时，质量从外部观察合格，新旧混凝土接触界面具有不错的粘结效果。

5 置换施工监测

一次性全截面整体置换施工的难度较大且风险较高，因此在置换施工过程中，必须做好受施工影响构件的参数监测工作，控制内力大小，保证变形在限制范围内，以确保上部结构安全。

针对该工程特点，拟采用智能监测系统进行实时监测，以便更好指导加固施工。智能监测系统的主要功能是收集监测信息，其反馈数据具有实时、连续、高精度性的特性，且该自动化系统具有丰富的数据量，通过数据分析计算结构变形，结合监测信息评估结构整体安全状况，预警系统会在数据信息异常时及时上报[4]。工程中用到的传感器是静力水准仪，具有较高精度，依靠连通器原理工作，即不同点处的液体会因其竖向位置相对于其他点的变化而发生流动，总能形成一种平衡状态。因此，某一监测点的沉降（即竖向位置变化）数值改变后，经过基于某平衡状态的液体交换，该监测点的液体位置相应变化，进而引起传感器中的信号传递，最后针对该点的竖向位移进行计算[4]。

混凝土置换施工前，在上一层中确定置换加固构件的对应构件，受置换施工影响，这些构件可能产生的相对竖向位移可被静力水准仪监测获取，因此，在拉开一段较远的距离后，再布置两个基准点（注意控制该点位置不受加固施工影响），用于监测上部结构；还应在每根托换钢柱上设置应力传感器，用于监测托换钢柱在置换过程中的受力情况。置换施工过程中的异常情况应小心避免，如若发现，应立即停工并解决风险。

根据全过程监测结果显示，该工程置换施工过程中，相关结构构件的竖向变形非常微小，且托换钢柱内的应力在规范允许范围之内，表明本文设计的临时支撑方案（托换钢柱）安全可靠。