某框支層梁柱節(jié)點施工空洞缺陷的原因分析及加固處理

林鋒

（重慶市設(shè)計院，重慶 400015）

1 工程概況

重慶渝中區(qū)某高層轉(zhuǎn)換層住宅樓，地下1層，地上31層，地面以上主體結(jié)構(gòu)高度103.9m，為大底盤雙塔部分框支剪立墻結(jié)構(gòu)，在地上5層設(shè)置梁式轉(zhuǎn)換層。結(jié)構(gòu)的抗震等級：框支架二級，框支柱及落地剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)一級，其它部位剪立墻三級。

在結(jié)構(gòu)分步驗收中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換層的部分框支柱頂節(jié)點處外觀蜂窩麻面，缺陷處位于柱頂施工縫處?？紤]其位置的關(guān)鍵性，要求施工單位會同建設(shè)方和監(jiān)理方采用鉆孔及局部剔打?qū)ζ錂z查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，部分框支柱頂節(jié)點內(nèi)有大面積空洞。轉(zhuǎn)換層位于7.500m標(biāo)高，轉(zhuǎn)換層平面見圖1。此時該工程塔樓一已施工至轉(zhuǎn)換層以上9層（35.50m標(biāo)高），塔樓二已施工至轉(zhuǎn)換層以上10層（38.50m標(biāo)高）。需對結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀安全性進(jìn)行評估，并進(jìn)行加固處理。

2 現(xiàn)場調(diào)查

鑒于轉(zhuǎn)換層梁柱節(jié)點鋼筋密集，采用超聲波等常規(guī)檢測手段難以對其進(jìn)行檢測；梁柱節(jié)點的缺陷檢查采用局部踢打后針孔攝像頭可視化檢查為主。按節(jié)點鋼筋的密集程度，對轉(zhuǎn)換層的梁柱節(jié)點進(jìn)行分類：一類，柱頂梁的縱筋較少，混凝土澆筑容易，則僅采用鉆孔的方法進(jìn)行探測；二類，柱頂一方向梁縱筋較多，另一方向梁縱筋偏少，在柱的一側(cè)的施工縫位置剔打檢查孔（寬×高×深=200×400×500mm）；三類，柱頂梁的縱筋均較多，在經(jīng)復(fù)算前提下，四側(cè)均剔打檢查孔。

經(jīng)現(xiàn)場檢查，共有8個梁柱節(jié)點存在不同程度的空洞，較典型的幾個如圖2。

圖2 梁柱節(jié)點典型空洞缺陷示意圖

空洞位置均位于梁底鋼筋以下的梁柱節(jié)點的柱剛域內(nèi)。空洞高度為5～15mm。

3 原因分析

該轉(zhuǎn)換層分兩次施工，在框支節(jié)點下部的框支柱頂位置設(shè)置一道施工縫。首次施工框支柱至節(jié)點下口，待轉(zhuǎn)換層梁板鋼筋施工后再進(jìn)行梁板的混凝土澆筑。

結(jié)合現(xiàn)場檢查情況，節(jié)點形成空洞的主要原因是鋼筋在柱頂交錯密集，澆筑時混凝土無法順利下落，造成在施工縫與梁鋼筋層間形成空洞。施工單位的兩項明顯失誤造成鋼筋交錯過于密集。此兩項失誤如下。

（1）轉(zhuǎn)換梁的鋼筋在設(shè)計時，為了保證鋼筋貫通通過節(jié)點，縱筋采用統(tǒng)一直徑，且要求梁底筋出節(jié)點后機(jī)械連接；現(xiàn)場施工時，未按設(shè)計要求貫通設(shè)置梁底縱筋，而是所有梁底筋在節(jié)點處錨入柱內(nèi)。

（2）轉(zhuǎn)換梁縱筋分排鋼筋間未設(shè)計支墊或支墊不善，造成分排鋼筋完全貼緊，進(jìn)一步減小鋼筋間間隙。

由此造成節(jié)點處鋼筋過于密集，未采取專門的混凝土澆筑措施，導(dǎo)致混凝土在梁底鋼筋層上部堆積，無法達(dá)到柱頂施工縫與轉(zhuǎn)換梁底筋之間的區(qū)域，形成空洞。

4 現(xiàn)狀安全性評估

現(xiàn)狀：轉(zhuǎn)換層位于7.500m標(biāo)高，此時該工程塔樓一已施工至轉(zhuǎn)換層以上9層（35.50m標(biāo)高），塔樓二已施工至轉(zhuǎn)換層以上10層（38.50m標(biāo)高）。結(jié)構(gòu)尚處于主體結(jié)構(gòu)施工階段，梁、板、柱、剪立墻已施工，地坪層、填充墻及設(shè)備安裝均未施工?，F(xiàn)工程完全停工，頂層堆積部分建筑材料，同時其下一層設(shè)鋼管支撐及模板體系。對其施工現(xiàn)狀進(jìn)行安全性評估，以驗算是否需要在轉(zhuǎn)換層上下若干層滿層腳手架，確保施工現(xiàn)狀的安全。

4.1 荷載

驗算采用的荷載如下。

（1）恒荷載，樓板面荷載僅考慮混凝土板重，不考慮墻體線荷載。頂層堆載按標(biāo)準(zhǔn)層的單位用鋼量(0.4kN/m2)用于其下一層的樓板上。鋼管支撐及模板的荷載按1.5kN/m2。

（2）活荷載，目前現(xiàn)場已完全停工，不考慮施工人員活荷載。頂層堆載，其下一層的鋼管支撐及模板的荷載作為恒荷載考慮。

（3）地震作用不考慮。

（4）風(fēng)荷載，因建筑僅為鏤空主體結(jié)構(gòu)，因此風(fēng)荷載體形系數(shù)取1.0，同時風(fēng)荷載臨時處理階段的作用按10年一遇的基本風(fēng)壓進(jìn)行計算，0.25 kN/m2。

4.2 荷載組合

承載力極限狀態(tài)下的基本組合，采用永久荷載控制的組合。

采用PKPM系列軟件的SATWE進(jìn)行計算，計算時的主要結(jié)構(gòu)計算參數(shù)：混凝土容重取25 kN/m3，不考慮地震作用下對框支柱內(nèi)力的放大，荷載組合中γG＝1.35，風(fēng)荷載的γL＝1.4，φL＝0.6。

選取較典型的L×④軸柱闡明計算過程，見圖3。

圖3 軸柱計算過程

柱的混凝土強(qiáng)度等級50。

經(jīng)過計算得柱頂內(nèi)力（單位：軸力和剪力為 kN，彎矩為kN·m）：

荷載工況：Axial SHEAR-X SHEAR-Y MX-BTM MYBTM MX-TOP MY-TOP

X向風(fēng)力：8.0,-5.9,-2.1,5.4,-13.2,10.6,31.0

Y向風(fēng)力：3.6,-0.2,-4.7,8.8,2.4 26.4,3.6

恒載作用：-3943.6,-6.0,-25.1,40.2,-3.7,148.4,41.3

剪力、彎矩值很小，可忽略不計，起控制作用的為軸向壓力N=3944kN。

4.3 節(jié)點承載力驗算

節(jié)點的豎向受壓承載力驗算：

[N]=[N1]+[N2]

節(jié)點的承載力考慮混凝土和柱縱筋的受壓承載力之和。

混凝土的受壓承載力，因節(jié)點處空洞面積較大，無法形成三向壓力，偏安全的采用素混凝土受壓承載力計算。按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2002[1]附錄A的公式A.2.1-1。

[N1]=φfccA'c=1.00×0.85×23.1×(1200×1200－600×600)=2.12×107N=2.12×104kN

計算長度l0取0.5m，l0/b＜4，φ=1.00，fcc=0.85fc。

鋼筋的受壓承載力，忽略箍筋及混凝土對鋼筋的支承作用，高度取節(jié)點空洞的高度0.5m，鋼筋上下支承按嵌固考慮。

因此，現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)在未施工隔墻及樓面地坪面層情況下，僅考慮施工階段的支撐模板及施工荷載，結(jié)構(gòu)是安全的。

5 加固處理方案

有缺陷的梁、柱節(jié)點采用混凝土脫換的方法，轉(zhuǎn)換梁用臨時支柱支撐，臨時支柱通過柱側(cè)植筋附于原結(jié)構(gòu)框支柱上或直接支承于下部梁上，之后按規(guī)定順序鑿掉有缺陷的混凝土，采用高壓灌漿法澆筑細(xì)石混凝土進(jìn)行修補，待修補混凝土達(dá)到設(shè)計要求后，再采用密封空腔灌注法通過預(yù)先埋設(shè)的注入口對梁柱節(jié)點補澆中可能形成的孔洞內(nèi)注入 “GROUT膠”，待灌注膠固化后，拆除兩邊支柱。見圖4-圖5。

圖4 加固方案示意圖

圖5 剖面示意圖

5.1 加固措施的驗算

5.1.1 驗算加固用臨時支柱Z1、Z2承載力

臨時支柱的截面按四方向轉(zhuǎn)換梁的最大剪力確定，同時結(jié)合施工的便利。

考慮施工便利臨時短柱截面取500×600mm，混凝土強(qiáng)度C40，其受壓承載力取1.5Vmax=1600×1.5＝2400kN，按配筋率0.8%設(shè)置縱向鋼筋，箍筋全高加密。

5.1.2 驗算臨時短柱與框支柱的傳力

臨時支柱的豎向力通過框支柱上植筋，傳力至框支柱下部。植筋數(shù)量的計算，參考混凝土規(guī)范[1]預(yù)埋件的計算方法。參照規(guī)范，多排鋼筋時

5.1.3 驗算剔打后臨時支柱與挖空柱共同受力的承載能力

開鑿D1后，臨時短柱+挖空柱應(yīng)能承受上部的軸向壓力。

[N]=[N1]+[N2]+[N3]

節(jié)點的承載力考慮柱內(nèi)剩余素混凝土、柱縱筋和臨時短柱的受壓承載力之和。

[N1]=φfccA'c=1.00×0.85×23.1×(1200×1200－600×600－400×300)=1.88×107N=1.88×104kN

[N2]=4.88×103kN

[N3]＝2.4×103kN

[N]=[N1]+[N2]+[N3]=2.61×104kN＞3944kN

因此采用設(shè)計的支撐加固方案是安全可行的。

5.2 加固施工步驟

5.2.1 灌注臨時支柱Z1、Z2，截面采用驗算結(jié)果

（1）鑿掉臨時支柱對應(yīng)位置轉(zhuǎn)換梁底的混凝土保護(hù)層，鑿除深度以梁底第一排縱筋一半外露為準(zhǔn)。鑿掉臨時支柱對應(yīng)位置框支柱的混凝土保護(hù)層，鑿除深度以柱縱筋一半外露為準(zhǔn)。

（2）框支柱上植筋，柱兩側(cè)植筋交錯排列，避免同一截面削弱過多。植筋按根數(shù)計算。

（3） Z1、Z2縱筋彎折后（彎折水平段不小于10d），將鋼筋頂部水平段定位于KZL-21梁底第一排縱筋之間，按附圖配筋綁扎Z1、Z2鋼筋。

（4）用鋼絲刷加高壓凈水清洗混凝土的結(jié)合表面，并使其充分濕潤，用環(huán)氧樹脂水泥分兩次涂刷混凝土的結(jié)合面，見表1。

（5）采用壓力灌漿法澆筑C50細(xì)石混凝土，并在混凝土中添加15%的UEA－H微膨脹劑，為便于混凝土的澆筑，必要時可在樓板上打洞，從上口澆筑混凝土。

表1 環(huán)氧樹脂水泥參考配合比（重量比）

5.2.2 待Z1、Z2滿足設(shè)計要求，鑿除節(jié)點有缺陷混凝土并進(jìn)行修補

（1）在框支柱未設(shè)臨時短柱的兩側(cè)，轉(zhuǎn)換梁下方鑿一個寬×高＝1/3框支柱寬×500mm的洞口 （代號D1），D1貫通框支柱。

（2）清除浮塊并清潔混凝土和鋼筋表面，預(yù)埋注入“GROUT膠”所需的注入管和排氣管。采用壓力灌漿法向D1及其上方澆筑C50細(xì)石混凝土，混凝土中添加15%的UEA－H微膨脹劑，澆筑完成后應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

（3）采用密封空腔灌注法，通過預(yù)先埋設(shè)的注入口對梁柱節(jié)點補澆中可能形成的孔洞內(nèi)壓力注入“GROUT膠”。

（4） 待灌注膠固化后，采用相同方法分步置換D2、D3區(qū)域。

待加固完成并達(dá)設(shè)計要求后拆除臨時支柱Z1、Z2。

6 加固工程質(zhì)量的檢驗

加固施工時，采取的壓力灌漿的施工方式，采用低位壓力注入，高位排氣孔出漿，確?？锥磧?nèi)壓力灌注細(xì)石混凝土澆筑密實。

同時在養(yǎng)護(hù)期間，節(jié)點周邊澆水全濕潤環(huán)境對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

加強(qiáng)加固節(jié)點的觀測，采用節(jié)點外貼玻璃條的方式，密切觀測節(jié)點處的變形情況；同時在住宅樓層向上施工期間及工程竣工后加強(qiáng)沉降觀測。經(jīng)檢測未發(fā)現(xiàn)節(jié)點變形導(dǎo)致所貼玻璃條破裂的情況，也進(jìn)一步證明加固節(jié)點的可靠性。

7 結(jié)論及建議

（1）該工程框支層梁柱節(jié)點鋼筋過于密集，在采用超聲波手段無法檢測的情況下，局部剔打后，采用針孔攝像頭進(jìn)行可視化檢測節(jié)點缺陷是可行且有效的。

（2）采用設(shè)置短柱支撐后，剔除缺陷區(qū)域，壓力澆筑細(xì)石混凝土的加固方式，能保證工程的施工安全，加固后的節(jié)點混凝土密實。

（3）該工程竣工投入使用已7年有余，且期間經(jīng)汶川地震，整體結(jié)構(gòu)性能良好。

（4）對轉(zhuǎn)換層的框支梁柱節(jié)點，由于鋼筋過于密集，應(yīng)采取有效措施確?；炷翝仓軐?，如梁鋼筋盡量貫通，混凝土采用細(xì)石混凝土等措施。

[1]GB50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.