某框架结构底层失效混凝土柱加固技术

骆忠伟

(四川建筑职业技术学院，四川德阳618000)

框架结构底层柱的混凝土强度达不到设计要求将影响结构竖向承载力，极容易发生压屈破坏，严重威胁结构安全和耐久性。陈聪等[1]采用牛腿支座、钢支撑和千斤顶构成的支撑体系对3层边柱混凝土置换加固工程案例，并将自动化监测应用在置换加固过程中。雷汉银[2]梳理了增大截面法、粘贴碳纤维加固法、粘钢加固法、混凝土置换加固法的工艺流程及操作要点，采用截面加大法和外包钢法解决南充某工程地下室柱和剪力墙混凝土强度未达到设计强度的问题。皇垚华等[3]结合混凝土置换加固法、外包型钢加固法，对强度不达标的整个构件采用托梁换柱法、分期置换法加固处理。上述采用的方法基本都增大了柱的截面，减小了建筑的使用面积，尤其是底层商铺，业主和用户表示不能接受柱子增大面积法的补强措施，为了让多方都满意，采用高标号的混凝土置换案例研究就非常有必要。

1 工程概况

四川乐山某框架结构住宅楼6层，异型框架柱，黏土空心砖填充墙，墙厚与柱的宽度相同。建筑面积5 250 m2。抗震设防烈度为7度，采用一柱一桩的人工挖孔灌注桩基础，桩顶有钢筋混凝土桩帽。由于种种原因，该工程施工至第6层框架梁板时，才最后确定底层①—③轴线的9根柱以及A交④柱，D交⑤柱，共11根柱混凝土强度不满足设计要求(如图1所示)，经乐山市质安站实验室现场回弹检测，混凝土强度等级仅为C10，离设计要求的C35相差甚远。

图1 底层结构平面布置

根据结构力学分析，多层框架底层柱在垂直荷载作用下属小偏心受压构件或轴心受压构件，该类受压构件在破坏前无明显预兆，属脆性破坏。由于问题柱混凝土强度等级太低，经计算作用在问题柱上的荷载已非常接近柱的实际极限承载能力。时值冬期，如出现较大风载或其它意外荷载，极有可能出现突然性的柱毁房塌，造成灾难性的后果，因此排险工作刻不容缓。面对这个紧急的问题，采取的应急措施是对问题柱进行支撑卸荷，卸掉部分荷载后，在上部结构停止施工的条件下，可暂时保证建筑物的安全，排除了险情，待确定好加固方案后进行加固施工。

2 加固方案比选

根据工程结构加固设计与多年的施工经验，结合本工程实际提出了几种解决方案，并一一进行分析。

2.1 方案1加大截面进行加固

该住宅楼框架柱的受力钢筋均为HRB355级钢筋，GB50010-2010(2015年版)《混凝土结构设计规范》(以下简称《规范》)[4]规定：混凝土结构构件中当钢筋为HRB355级钢筋时混凝土强度等级不宜低于C20；根据GB50011-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》[5]规定：本工程混凝土强度等级也不能低于C20。而问题柱的混凝土强度等级仅为C10，不符合相关规范要求。若不对原有问题混凝土凿除，仅采用加大柱截面加固法，设计计算时不能考虑原柱的承载能力，上部结构传来的荷载将全部作用在加大的截面部份，导致问题柱加大截面后截面积过大。经计算加大后的柱截面面积约为原截面积的2倍，由此带来一些问题：

(1)问题柱截面面积加大，建筑物室内有效面积减小，混凝土柱突出墙面，影响使用功能，开发商及业主不能接受。

(2)由于柱子均为异形柱，截面积加大后纵轴及横轴外墙柱将突出外墙影响外观，开发商也不能接受。

(3)由于问题柱截面积增大后，整个框架在结构受力方面将重新验算，由此带来的工作量较大。由上可见，此方法不可取。

2.2 方案2粘钢板加固

此方法基本不增大问题柱的截面积，不会出现方案1存在的问题；但规范规定，采用粘钢板法加固，混凝土强度等级须在C15以上，而该工程中问题柱的混凝土强度等级为C10，不符合规范规定，不可采用此法。

2.3 方案3外包钢加固法

《规范》[4]规定：作为加固用的型钢(如角钢)，角钢下端视柱根弯矩大小应伸到基础顶面，或锚固于基础；上端应穿过上一层楼板伸至加固层的上层上端板底面。但由于本工程是异形柱框架，梁和柱子一样宽，因此角钢在梁柱节点处，下端穿不过地梁，只能截断，延伸不到基础；上端在梁的下口也只能截断，穿不过楼层，延伸不到上层楼板顶，加固效果达不到《规范》要求，也不能采用此法。

2.4 方案4混凝土置换法

此法的出发点是将所有问题柱的不合格混凝土全部凿除，重新浇筑满足设计要求的混凝土。采用此法柱子的混凝土强度等级及截面尺寸和原设计一样，不会出现诸如影响使用功能，影响建筑物的外观，以及重新进行结构验算等问题。

基于混凝土置换法的优点，开发商经过慎重考虑，选择了方案4，并要求问题柱混凝土置换过程中不能影响上部建筑继续施工(如果采用前3个方案，加固期间工程必须停工)。但由于本建筑物主体已施工完毕，每根柱已承受了较大的荷载，采用方案4问题柱混凝土的拆除及重新浇筑，技术难度较大：一是在问题柱混凝土置换过程中要保证上部结构变形和沉降在《规范》要求的限值范围内且不开裂，二是开发商要求在问题柱混凝土置换过程中不影响上部建筑继续施工，这就要求问题柱混凝土在置换过程中必须要保证上部结构的安全性和稳定性。这2个问题的一个技术难点就是保证上部结构的安全性和稳定性，如何解决此问题呢？

经分析要解决此问题，需要一套钢结构支撑系统，这套钢结构支撑系统有：

(1)要有足够的支承能力。

(2)要有可靠的稳定性。

(3)要考虑建筑结构本身的传荷支撑能力和结构构件局部承压能力，对符合此要求的型钢支撑系统应进行2个方面的结构设计验算，主要包括承载力验算和稳定性验算。

3 型钢结构支撑系统的设计

本工程的型钢结构支撑系统主要由无缝钢管、千斤顶及垂直支撑组成，施工中由钢管和千斤顶在梁柱节点附近顶住问题柱顶的梁，在问题柱混凝土置换的过程中，上部结构传来的荷载主要经由问题柱顶的梁传给梁下的千斤顶及钢管，以此解决承载力问题，千斤顶顶紧上部结构，保证上部结构变形及沉降符合规范限值、不开裂，故在承载力验算中对每一根问题柱应考虑钢管支撑的承载能力、梁的抗剪承载能力以及千斤顶的承载能力。

3.1 承载力验算

根据本工程实际情况，承载力验算只考虑竖向荷载，由于本工程中，问题柱顶梁的分布形式不一样，转角柱：柱顶与2根梁连结；边柱：柱顶与3根梁连结了；中间柱：柱顶与4根梁连结(图2)，计算时以受力最不利的C轴交③柱为例进行钢支撑设计。由于要考虑不影响上部建筑施工，该柱应承担的荷载按主体建筑全部完工时(包括框架填充墙、墙面楼面抹灰及施工活载)的最不利状况计算，此时该柱承担的荷载为：N=1510 kN。

3.1.1 千斤顶的承载能力允许值

采用带自制螺旋千斤顶的无缝钢管作型钢支撑。经试验和验算确定，每个螺旋千斤顶的承载力允许值为300 kN，每根钢管配2个千斤顶，则每根钢管上端螺旋千斤顶的承载力允许值为300×2=600 kN。该柱顶与4根梁连结，每根梁下均设1根钢管支撑，则该柱下螺旋千斤顶的承载力允许值为4×600=2400 kN>1510 kN，符合安全要求。

3.1.2 钢管的承载力允许值

采用φ159×6 mm的无缝钢管，经计算每根钢管的承载力为[N]D=495 kN，该柱顶与4根梁连结，每根梁下均设1根钢管作为支撑，则4根钢管总的承载力设计值为4×[N]D=4×495=1980 kN>1510 kN，符合安全要求。

3.1.3 梁的承载力验算

钢支撑下端支承于基础顶上、上端支承于2层梁端。由于桩的承载力较大，桩身承载力可不作验算，重点验算梁承截力。由于钢支撑是紧靠柱边顶住梁，因此梁的剪跨比较小，如果梁的斜载面抗剪承截力不够，将会发生斜压破坏，所以2层梁端应作抗剪承载力验算。采用现行《规范》中梁的斜压抗剪承载力计算公式计算，结构会偏于安全，根据《规范》[4]第6.3.1条，则C轴交③柱2层4根梁的斜压抗剪承载力设计值为：

V=0.25βcfcbh0

=2×0.25×1.0×14.3×200×(415+465)

=1258 kN

不符合安全要求。

式中：βc为混凝土强度影响系数，取1.0；fc为混凝土强度设计值；b为矩形截面的宽度，单位m；h0为截面的有效高度，单位m。

因此单靠2层梁的斜压抗剪承载力不满足要求，可将部份竖向压力转至3层梁承担。这就须在2层楼层设相应钢管支撑传力，且上下2层的钢管支撑应在同一竖直线上。

2层钢管支撑在设计时同样应考虑钢管支撑的承载力；千斤顶的承载力和3层梁的抗剪承载能力。2层楼层钢管支撑采用φ105×5 mm无缝钢管，每根钢管配1个螺旋千斤顶，根据计算单根钢管承载能力设计值为292 kN，2楼4根钢管支撑的承载力设计值为4×292=1168 kN。3层梁的斜压抗剪承载力设计值同2层为1 258 kN；4个螺旋千斤顶的承载力允许值为300×4=1200 kN。

由于2层钢管支撑系统中，钢管的承载能力最小，应取此值进行验算，则:

1258+1168=2426 kN>1980 kN

表明2层梁的斜压抗剪承载力之和大于底层钢管支撑的承载力，也就是说施工期间型钢结构支撑的安全性由底层4根钢管支撑的承载力决定，即：

4[N]D=1980 kN>1510 kN

满足2426 kN>1980 kN>1510 kN符合安全要求。

3.2 型钢结构支撑构造确保侧向稳定

在保证竖向支承力的条件下，还要考虑钢结构支撑系统的侧向稳定性，才能保证整个支撑系统的安全。在建筑结构的横向，即轴线上设钢结构垂直支撑，用以承担建筑物的水平荷载，保证支撑系统的侧向稳定(图2)。

图2 轴线横向垂直钢支撑(单位：mm)

3.3 施工步骤

为了提高支撑系统侧向稳定性的安全度，施工时不能将所有问题柱的混凝土一次性全部拆除，而是按建筑物的纵向流水作业逐步凿除，利用问题柱具备一定的侧向稳定能力，提高施工安全度，凿除的顺序为：C轴交③柱—C轴交②柱—C轴交①柱—A轴交④柱—D轴交⑤柱—D轴交③柱—D轴交②柱—D轴交①柱—A轴交③柱—A轴交②柱—A轴交①柱。

4 型钢结构支撑的制作和安装

钢支撑采用焊接连接，其制作质量按现行钢结构设计和施工规范执行。为保证支撑点混凝土的局部抗压承载力，钢支撑与混凝土梁的接触面用结构胶砂浆找平。为保证支撑效果，钢支撑、安装必须按下列步骤进行：

(1)钢管支撑从底层安装开始，安装位置按上述设计要求，第一次千斤顶升至结构胶砂浆从支撑钢板四周溢出，支撑板与混凝土构件接触平整，砂浆密实均匀，钢管支撑稳定。

(2)待结构胶砂浆硬化后，底层钢管支撑顶至设计支承力的20%～30%。

(3)检查2层结构胶砂浆硬化后，将2层钢支撑一次性顶至设计支承力的70%。

(4)待底层支撑千斤顶第一次支顶后，加紧焊接安装①轴线垂直钢支撑，先焊接安装C—D轴之间的垂直支撑，再制作安装B—C轴之间的垂直支撑。

(5)二次顶升底层钢支撑千斤顶，顶至设计支承力的40%～50%即可。此时，问题柱的荷载已全部卸掉，柱子竖向钢筋处于零受力状态，所有荷载均由钢管支撑系统承受。

待所有钢管支撑及①轴线垂直支撑安装顶升完成后，上部建筑可恢复施工，同时11根柱的混凝土置换按施工方案依次进行。

5 结束语

该加固置换工程历时60天，施工期间由现场监理、开发商现场代表及乐山市质安站全程监督，问题柱置换后混凝土强度等级为C40以上，完全符合设计和规范要求，且在问题柱混凝土置换施工的过程中，上部建筑一直在进行施工，上部结构也未出现超过规范允许值的变形、沉降，并未出现任何裂缝。通过理论分析和工程实践表明采用混凝土置换法是可行可靠的，且施工技术难度不太大。根据技术经济比较，采用此法工程造价低廉，更重要的是不影响建筑物的外观、使用功能等，完全达到了设计要求。