高层建筑工程项目混凝土加固施工技术研究

2023-06-14常亮

中国建筑金属结构 2023年5期

常亮

（北京远达国际工程管理咨询有限公司，北京 100000）

0 引言

随着城市化进程推进，高层建筑项目数量增长。混凝土作为新型材料被广泛应用，但易出现腐蚀、裂缝等问题，存在一定安全隐患[1]。高层建筑规模大且复杂，混凝土加固难度大。我国的技术起步较晚，存在差距。研究人员正在探索多种施工技术和方法。

陈安英[2]等人提出了对有缺陷剪力墙的分层分段拆除置换加固法，基于力学计算和构件置换工艺的分析，设计了可实现分级卸载控制剪力墙置换型钢卸载装置，明确了加固施工的技术关键点，并对全过程进行了位移、应力、裂缝监测，该方法对于混凝土质量缺陷具有较好的处理效果。陕婷婷[3]等人基于信息技术模型设计了土木工程混凝土加固施工方法，使用护筒埋设、钢筋笼安装、模板测量、混凝土浇筑和外粘型钢安装等方法，增强混凝土结构的加固性能，实现土木工程的加固目标，该方法下混凝土结构的荷载强度，截面刚度与承载能力均得到了一定的提升。

上述两种混凝土加固技术在实际工程中存在加固后混凝土抗裂强度、受剪承载力以及抗压强度仍旧较低的问题，难以达到预期的加固效果，还有较大的优化空间，故本文针对高层建筑工程项目中的混凝土加固施工技术进行研究。

在本文中采取的加固方案为剪力墙混凝土置换、扩增混凝土截面面积、植筋锚固以及混凝土碳纤维加固方法的结合。通过剪力墙混凝土置换和混凝土扩增截面面积等方法，增加了混凝土的抗剪、抗弯承载能力；通过植筋锚固和混凝土碳纤维加固等方法，增强了混凝土的抗拉、抗压性能。综合多种加固方案，可以全面提高混凝土结构的力学性能，实现混凝土加固效果的最大化。

1 工程概况

本文研究以某高层建筑工程项目为背景，该工程结构为钢筋混凝土结构，楼层总数为32 层，地下2 层为停车场，层高为35.16m，地上总占地面积约3 253.51m2。距今为止，该高层建筑已经使用10 年，由于工程所在区域年降雨量较大，约1 100mm，加上使用时间比较长，部分区域混凝土已经出现贯穿裂缝，最大裂缝宽度已经达到45.26mm，最大裂缝长度为1.45m，最大裂缝深度为56.41mm。当前建筑混凝土状态比较差，已经严重威胁到该高层建筑安全性与稳定性，故对该高层建筑开展混凝土加固施工，提高高层建筑混凝土抗裂强度、受剪承载力以及抗压强度，以下将结合该工程实际情况采取相应的加固技术。

2 高层建筑工程混凝土加固施工

2.1 施工前准备

在加固施工前，首先在施工现场周围布设施工隔挡，防止加固施工过程中非工作人员进入到施工现场内，并且减少施工对周围居民造成的影响。其次将施工过程中需要使用的设备与材料运输到施工场地内，本次采取的加固方案为：剪力墙混凝土置换+扩增混凝土截面面积+植筋锚固+混凝土碳纤维加固，需要使用的设备包括混凝土搅拌机、千斤顶、焊机、切割机、电镐等，使用的材料包括钢筋、水泥、粗细石料、碳纤维布等，按照要求和标准对所有材料质量进行检验，并且对所有机械设备进行检查，检验合格后将其运输到施工现场。

2.2 剪力墙混凝土置换

考虑到高层建筑剪力墙是建筑的主要受力混凝土构件，对于已经出现损坏的剪力墙混凝土构件采用置换加固工艺，即将原有的混凝土置换新的混凝土，本次置换混凝土剪力墙共16 个。首先使用切割机和电镐将剪力墙外层的混凝土去掉，切割厚度为20cm，最大长度不应超过50cm。由于在该施工过程中高层建筑整体的受力荷载会发生转移，从而会影响到整个建筑的稳定性，因此在去除旧混凝土施工时，需要分批次完成，置换混凝土构件需要优先对空间对称分布的混凝土剪力墙构件进行分批次置换，如果同时对对称分布的混凝土剪力墙进行置换，容易出现坍塌事故[4]。在混凝土切割过程中尽量避开内部钢筋，如果置换区域内部分钢筋出现腐蚀现象，可以将腐蚀的钢筋切割掉，施工焊机将新的钢筋与原钢筋衔接[5]。剪力墙表层混凝土切割完成后，使用千斤顶对其支撑，保证建筑在施工过程中的稳定性[6]。按照标准配比使用混凝土搅拌机拌制混凝土混合料，将其填补到置换区域内，使用抹平工具将新混凝土表面抹平，使其与旧混凝土持平。

2.3 扩增混凝土截面面积及植筋锚固

高层建筑柱构件是承载整个建筑纵向应力的主要构件，因此采用增大截面加固法对高层建筑混凝土柱构件加固[7]。将新混凝土与旧混凝土接触部位进行凿毛处理，在原混凝土构件外围使用墨斗绘制出扩增后混凝土外围边界，根据该高层建筑实际情况，混凝土扩增厚度为15cm[8]。截面放线完成后在外围搭建模板，使用混凝土浇筑泵将搅拌好的混凝土浆液浇筑到模板内，在浇筑过程中要控制好泵压，泵压过大浇筑的混凝土内部容易产生气泡，从而影响到混凝土加固效果，而泵压过小则会降低施工效率，因此在混凝土浇筑施工过程中将泵压控制在4.46～4.76Pa 之间[9]。混凝土浇筑完成后，对新增的混凝土进行植筋，将直径为15mmC35 钢筋植入到混凝土内部，植筋深度为100mm，植入的钢筋间距不能超过25cm，扩增混凝土配筋率要不低于35%，以此保证植筋加固效果。将顶部的钢筋头使用直径为25mmC25 钢筋对其进行锚固，锚固后的钢筋表面用混凝土覆盖，禁止钢筋裸露在外，待混凝土达到初凝时间后将模板拆卸掉[10]。为了保证混凝土截面扩增施工质量，对扩增的混凝土进行浇水湿润养护8～10d。

2.4 混凝土碳纤维加固

为了进一步增加高层建筑混凝土构件的稳定性，在混凝土表面粘结碳纤维布，有效抵制高层建筑混凝土的张力，达到混凝土加固的目的，具体如图1 所示。

图1 混凝土碳纤维加固示意图

如图1 所示，首先使用角磨机对混凝土进行打磨，对于存在裂缝的区域要加重打磨，将混凝土打磨平整后，用水将表面的灰尘冲洗掉，并使用烘干机将混凝土进行烘干处理，使表面保持干燥状态。然后在混凝土表面涂抹一层粘接胶，粘结胶的选择要与碳纤维布出自同一个品牌，并采用A 类胶。粘结胶的涂抹量为5.62g/m2。由于粘结胶具有一定的挥发性，因此粘结胶涂抹完毕后，需要立即将碳纤维布粘贴到混凝土表面。根据该高层建筑实际情况，本次采用450g/m2碳纤维布，将碳纤维布一端固定在混凝土构件上后，将其拉直，伸长率控制在2.5%以上。在铺贴过程中要尽量保证铺贴的碳纤维布平整，如果出现褶皱现象，需要立即将其拉起重新铺贴，铺贴厚度为0.35mm，如果铺贴一层碳纤维布后厚度没有得到设计值，需要再对其铺贴一层。碳纤维布接缝使用环氧树脂胶水处理，在碳纤维布接缝表面涂抹一层环氧树脂胶水，防止空气和水沿着接缝进入到碳纤维布内部，从而导致铺贴后的碳纤维布开裂，进而响应到加固效果。加固施工完成后，对所有混凝土加固区域进行检验，检验是否存在遗漏区域，以此完成高层建筑工程项目混凝土加固施工。

3 加固效果检验

为了检验本次研究技术的可靠性与适用性，对加固后的混凝土的力学性能进行检验。首先对加固后的混凝土结构的裂缝宽度、长度以及深度进行验算。《高层建筑工程混凝土结构设计规范》（GB56423-2010）中明确规定，在潮湿环境下高层建筑工程中梁构件混凝土最大裂缝宽度不能超过15.55mm；柱构件混凝土最大裂缝宽度不能超过10.55mm。将以上规定作为该高层建筑工程项目混凝土加固后抗裂性能检验标准一。在理想状态下，根据混凝土加固设计，混凝土会存在一个最大裂缝宽度，其计算公式为：

式中，h表示理想状态下高层建筑工程混凝土裂缝最大宽度；α表示混凝土构件受力特征系数，通常情况下该系数取值为0.01；μ表示混凝土裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；r表示混凝土构件受拉区钢筋截面面积；y表示混凝土构件钢筋的弹性模量；w表示混凝土构件最外层纵向受拉钢筋边缘到顶部的距离；p表示混凝土构件受拉区钢筋的有效直径；κ表示混凝土构件纵向钢筋配筋率。利用上述公式计算出混凝土构件理想状态下最大裂缝宽度，将其作为混凝土加固后抗裂性能检验标准二。随机选择5 个梁构件与5 个柱构件作为试件，每天向试件喷洒水，喷水量为100L/m2，令试件始终保持潮湿状态。每隔7d 使用IYHF-A5RF 测量仪对试件表面的裂缝宽度进行测量，使用电子表格对测量数据记录，将其与以上两个检验标准比对，评价高层建筑工程项目混凝土加固后抗裂性能，具体数据如下表所示。

从表1 中数据可以看出，加固后的混凝土裂缝宽度在潮湿环境下随着时间的增加而不断增长，初期增长幅度比较大，但是在21d 后混凝土裂缝宽度基本稳定，在第28d 时柱构件混凝土最大裂缝宽度为5.47mm，梁构件混凝土最大裂缝宽度为6.75，非常贴近理想状态下混凝土裂缝最大宽度，并且符合相关规范要求，说明加固后高层建筑混凝土抗裂强度有了明显的提升。为了进一步检验本次混凝土加固施工质量，对加固前后混凝土受剪承载力与抗压强度进行对比，随机选择10 个混凝土构件作为试件，对试件加固后的受剪承载力和抗压强度进行测算，其中受剪承载力计算公式为：

式中，N表示高层建筑混凝土受剪承载力；β表示混凝土受剪承载力系数，通常情况下该系数取值为0.56；q表示加固前混凝土轴心抗剪强度；b表示混凝土矩形截面的宽度值；c表示加固前矩形截面的有效高度；σ表示新增混凝土强度系数；e表示新增混凝土的轴芯抗剪强度；x表示加固后矩形截面的有效高度；ς表示混凝土原箍筋抗拉强度；R表示同一截面内原箍筋各肢截面面积之和；S表示新增钢筋沿混凝土构件长度方向的间距。混凝土抗压强度计算公式为：

式中，V表示加固后混凝土抗压强度；X表示混凝土强度影响系数；P表示混凝土构件环向围束有效约束系数；M表示混凝土有效约束应力值；表示混凝土应变截面变形系数；τ表示混凝土矩形截面和加固处理后的矩形截面的倒角半径；η表示混凝土的弹性模量。利用以上两个公式计算出加固后的混凝土受剪承载力和抗压强度，使用电子表格对数据进行记录，为了保证数据与结论具有一定的说明性，将其与加固前混凝土受剪承载力与抗压强度对比，具体数据如表2 所示。