混凝土整体置换法在缺陷混凝土柱加固中的设计与应用

王迎春 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 引言

混凝土一直是主要的建筑材料之一，钢筋混凝土结构也是建筑工程中应用最为广泛的结构形式，而框架柱是影响整个结构安全的关键。当出现框架柱混凝土强度不合格时，需要对存在质量问题的混凝土柱进行加固处理。解决缺陷混凝土柱常用托梁换柱法，不改变柱截面，对缺陷混凝土部位实行整体或局部置换，用高等级混凝土还原柱截面[1]。如何针对工程各自的特点和共性，选择合理的加固方案，具有重大的现实意义[2]。本文通过某住宅楼的缺陷混凝土柱加固工程进行阐述。

1 工程概况

该住宅楼为框架-剪力墙结构，位于安徽省阜阳市，地下2层、地上9层，建筑总高度为26.75m。上部主体结构施工完成后，发现一层25 轴交E 轴框架柱柱根约400mm 高范围内混凝土出现缺陷（此部分混凝土主要为砂浆层），柱顶约1000mm 范围内混凝土完好（混凝土回弹值为C35 以上，设计值为C35），中间部分混凝土强度介于柱顶与柱底之间（回弹值为C30 左右），故须对此缺陷柱进行加固处理以满足强度设计要求。

2 加固处理方案比选

混凝土结构常用的加固方法有增大截面加固法、外粘型钢加固法、置换混凝土加固法等[3]，其适用范围及优缺点见表1。

表1 常用加固方案对比

3 加固设计方案

由于该住宅楼工期紧且结构已经封顶，为避免日后开发商与业主之间产生纠纷，房内结构不能再变动。经充分对比论证，决定对此缺陷柱采用托梁换柱置换法进行加固。置换材料为C60高强灌浆料，该材料因其早强、高强、微膨胀和自流性等特点，在结构加固中应用较广。方案拟对柱底砂浆层混凝土进行整体置换，中间过渡层混凝土进行部分置换，即凿除表面一定厚度的混凝土，保留中间混凝土柱芯及主筋，再浇筑C60 高强灌浆料还原柱截面。该法较经济、工期较短，但关键技术在于对原结构柱的支撑卸载。

3.1 技术原理

支撑卸载体系用以卸除该缺陷柱上部结构传来的荷载，从而保证置换过程中上部结构的安全。该体系将钢套安装在缺陷混凝土柱上一层的完好柱底上，并设置对穿螺栓及钢构件牛腿，将柱轴力通过剪力传递转移到钢柱支撑以达到卸载的目的，如图1、图2 所示。为确保施工安全，对柱混凝土进行整体置换时，分为两次进行，待前次置换的混凝土达到设计强度的75%时方可进行第二次的置换。

图1 缺陷柱卸载支撑体系图

图2 牛腿大样图

3.2 支撑设计计算

3.2.1 支撑内力分配

根据盈建科计算模型数据读取，待处理的框架柱在仅考虑结构自重实际荷载作用下的轴力标准值为1500kN。混凝土置换分两次进行，且每次置换时均用10#槽钢支托顶紧，槽钢与另一半混凝土柱中纵向钢筋承受的轴力和为（205×1270×2+360×1005）/1000=882.5kN，1500-882.5=617.5kN。考虑一定的安全储备，卸载支撑按分配800kN的轴力进行设计。

3.2.2 支撑计算

选择双轴对称工字型钢H300×300×10×15，材质Q235，型钢支撑内力设计值按轴力N=400kN，弯矩Mx=200kN∙m、My= 10kN∙m进行验算。

①强度验算（根据《钢结构设计标准》（GB 50015-2017）[4]8.1.1 条，满足要求）。

②稳定性验算（根据《钢结构设计标准》（GB 50015-2017）8.2.5 条，满足要求）。

3.3 加固施工方案

3.3.1 施工顺序

缺陷框架柱虽已设置临时型钢支撑，但若全部进行一次性置换，仍可能使柱钢筋变形过大或构件产生竖向变形而开裂[5]。为确保施工安全，对柱下部混凝土整体置换分两批次进行，待前次置换的混凝土达到设计强度的75%时进行第二次的置换，对柱中部局部混凝土则进行一次性置换。具体施工顺序为临时型钢支撑安装（图1、2）→柱下部混凝土第一次置换（详见3.3.2 节）→柱下部混凝土第二次置换（置换步骤同第一次）→柱中部局部混凝土一次性置换→支撑拆除。

3.3.2 混凝土整体置换步骤

对柱下部需整体置换的混凝土采用边拆边支托顶紧的方法进行，具体施工步骤如图3 所示。①凿除下部缺陷柱体右上角混凝土，形成第一凿除区域，保留柱体内纵向受力主筋；②在凿除区域放置第一根10#槽钢支托，支托两端设置支撑垫板，分别抵住凿除区域的上下端面；③凿除下部缺陷柱体右下角混凝土，形成第二凿除区域，保留柱体内纵向受力主筋；④在凿除区域放置第二根10#槽钢支托；⑤继续凿除已放置两根支托的混凝土柱体同侧剩余部分混凝土，形成第一置换区域，该区域为整个待置换混凝土柱体的一半；⑥采用C60 高强灌浆料进行第一次浇筑施工，完成第一次混凝土置换。

图3 混凝土整体置换顺序示意图

待上述步骤的灌浆料强度达到设计强度的75%，缺陷混凝土柱体的左侧通过同样的步骤依次凿除产生第三凿除区域。在第三凿除区域内放置第三根槽钢支托，凿除产生第四凿除区域，在该区域内放置第四根槽钢支托，然后继续凿除左侧剩余部分混凝土形成第二置换区域，最后浇筑形成第二浇筑体，完成缺陷柱体下部混凝土的整体置换工作。

3.3.3 混凝土局部置换

该缺陷柱顶仅约1m 范围内混凝土完好，柱中部混凝土强度介于柱顶与柱底之间（回弹检测值为C30左右，设计强度C35），故对柱中部混凝土进行一次性局部置换。根据《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2013）第6.3.2 条规定，混凝土的置换深度，板不应小于40mm，梁、柱采用人工浇筑时不应小于60mm，采用喷射法施工时不应小于50mm。故对该缺陷柱中部混凝土取置换深度60mm，原柱截面面积为500×400=200000mm2，置换混凝土面积为93600mm2，柱芯混凝土保留面积为380×280=106400mm2，如图4 所示。根据6.2.1 条规定，由混凝土等强原理，如式（3）所示：

图4 混凝土局部置换示意图

原C35混凝土轴心抗压强度设计值为16.7N/mm2，经局部置换后柱的混凝土平均强度为17.9N/mm2＞16.7N/mm2，满足设计要求。

3.4 施工注意事项

临时型钢支撑的设置。为分担缺陷柱部分内力并增加结构加固时多重安全储备，在缺陷柱四周需布置临时支撑，本加固工程采用双轴对称工字型钢柱H300×300×10×15。为了保证与型钢支撑接触面处混凝土的局部承压能力[6]，在型钢支撑顶部设置钢垫板，支撑钢柱底部的钢垫板与楼层之间设置千斤顶。钢垫板与混凝土的接触面用A 级结构胶砂浆找平，待结构胶砂浆硬化后才能操作千斤顶顶紧型钢支撑。考虑到千斤顶顶伸原理，同时也会对下层结构施加作用力，故本加固工程在该缺陷柱体同层和水平高度下至基础层的各楼层相同位置均设置有临时型钢支撑。

缺陷混凝土的凿除与置换。严格按照设计好的置换步骤和置换量进行每一区域缺陷混凝土的凿除工作。为确保施工安全，柱底部区域每次凿除面积不宜过大，以恰好能安装下槽钢支托为度；柱中部局部混凝土凿除时，为减小对柱芯混凝土的损伤，须由人工凿钻，轻敲轻凿。对柱进行分块对称凿除，先从一侧凿至预留柱芯面，再凿除另一侧混凝土，凿除过程中应尽量减小对柱中钢筋的损伤和扰动。整个置换过程采取分部分批次进行。

置换材料采用早期强度高、自流性好、自密实强度高、微膨胀的C60高强灌浆料。为确保灌浆料的整体浇筑质量，模板安装应坚固、稳定、密实，顶面喇叭口须高出设计置换端100mm 左右，采取边浇筑边用小锤敲击外模板振捣密实。

对缺陷柱置换施工期间，必须对周围相关梁板柱构件进行结构监测。一旦发现相关构件的裂缝、应力或变形有异常值或发出警报，应立即停止施工，查找出原因后及时处理。

待施工结束，所有置换部分混凝土达到设计强度的80%后，应对原结构空间进行恢复。如牛腿、支撑的拆除，对各支撑和牛腿节点处的结构进行修复，清理施工现场。

4 结语

本加固工程的卸载装置是通过在缺陷柱上层完好柱的根部设置牛腿来实现荷载转移，在缺陷柱体同层和水平高度下至基础层的各楼层相同位置均设置临时型钢支撑。在对缺陷混凝土置换过程中使用凿除+支托的施工组合，可以保证整个施工过程的安全。当缺陷柱只是混凝土材料强度不合格时，不需要置换原来的钢筋，节约了柱体整体置换成本。并且在凿除过程中，柱体内部的主筋也起到了支撑作用，使得缺陷柱体上方的结构更加稳定，从而达到安全替换的目的。本次加固方案在不改变缺陷柱原有尺寸、使用功能和美观的前提下，成功有效地解决了缺陷混凝土柱整体置换所带来的安全隐患，取得良好的技术经济效益和社会效益。