置換混凝土法加固地下車庫柱設計分析

李彥輝，張 鵬，鄭世奪

（河北省建筑工程質量檢測中心有限公司，河北 石家莊 050021）

0 引言

當前混凝土結構最常用的加固方法有增大截面加固法、置換混凝土加固法、體外預應力加固法、外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼碳纖維復合材加固法［1］。加固方法應該根據建筑物的使用環境、結構本身的質量現狀、受荷載情況、工期的要求和成本控制要求選擇合適的加固方法。許多學者和工程技術人員對常用的加固方法進行了研究并在工程中加以應用［2-8］。河北某板柱結構地下車庫負二層框架柱在使用過程中出現了混凝土剝落現象。經檢測，框架柱混凝土強度遠達不到設計強度。框架柱存在安全隱患，需進行加固處理，經過比較分析，最終確定采用置換混凝土方法對框架柱進行加固處理，加固前對柱進行卸荷，并制定了置換加固的工藝流程，為類似的工程提供了參考。

1 工程概況

地下車庫建于 2010 年，為地下二層板柱結構（無梁樓蓋），建筑面積約 19 347 m2，基礎型式為獨立基礎+防水板，負二層層高 3.8 m，負一層層高 4.7 m。地下車庫所在區域抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度值為 0.10 g，設計地震分組為第三組，場地類別Ⅲ類。柱混凝土設計強度等級 C 40，現澆樓板混凝土設計強度等級為 C 30，車庫平面圖如圖1 所示。2012 年投入使用，車庫在使用過程中，發現該負二層 X-7×X-F 框架柱局部混凝土疏松脫落，鋼筋彎曲，如圖2 所示。檢測單位對負二層 X-7×X-F 框架柱相關區域進行了檢測，結果表明：鉆芯法檢測負二層 X-7×X-F 框架柱混凝土強度時，無法鉆取成型芯樣。采用回彈法檢測柱混凝土強度，回彈檢測結果表明，柱混凝土強度小于 10 MPa。

圖1 負二層車庫局部平面圖（單位：mm）

圖2 柱縱向鋼筋彎曲

圖3 柱內部混凝土疏松

2 加固方案

車庫負二層 X-7×X-F 框架柱內部混凝土呈松散狀態，如圖3 所示，框架柱混凝土強度明顯低于 GB 50010－2010《混凝土結構設計規范》［9］（2015 年版）（以下簡稱《混規》）規定的鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不低于 C 20 的要求。GB 50367－2013《混凝土結構加固設計規范》（以下簡稱《加固規范》）常用的框架柱加固方法中對原結構混凝土等級進行了規定，如表1 所示。

表1 各加固方法對混凝土強度等級的要求

由表1 可知，能夠滿足《加固規范》要求的加固方法為置換混凝土加固法和外包型鋼加固法，從《加固規范》的計算方法和負二層 X-7×X-F 框架柱實際情況綜合分析，最后決定采用置換混凝土加固法進行加固。

3 加固設計

3.1 負二層 X-7×X-F 柱卸荷設計

按照結構的實際狀況，依據 GB 50009－2012《建筑結構荷載規范》對 X-7×X-F 框架柱相關范圍內的荷載進行統計，采用中國建筑科學研究院開發的 PKPM 計算軟件建立模型進行計算。經計算，負二層 X-7×X-F 柱承受上部傳來的軸向力 5 967 kN。采用 8 根圓鋼管在柱帽處進行支頂，每根鋼管承受上部荷載 746 kN，負一層、負二層均設置支頂卸荷鋼管。柱卸荷示意圖如圖4、5 所示。

圖4 柱卸荷立面圖（單位：mm）

3.1.1 支撐鋼管強度和穩定性計算

支頂鋼管選用 203 mm×10 mm，截面面積 A=6 063 mm2，回轉半徑 i=68.3 mm，鋼管計算高度高度 H=3 300 mm，則鋼管長細比 λ=H/i=48.3。依據 GB 50017－2017《鋼結構設計標準》對支承鋼管選型進行設計計算。圓鋼管 b 類截面，穩定系數φ=0.864。

1）強度計算

N=fA=215×6 063×10-3=1 302.5 kN＞746 kN

2）穩定計算

豎井掘進機在進行破巖掘進時，其機體姿態受到現場環境多種因素的共同作用。在實際工況下，各種影響因素之間相互耦合，且難以實現精確的量化，針對所有影響因素而建立精確的糾偏數學模型比較困難。若要實現對機體姿態的控制，防止豎井掘進機偏離設計運行軌跡，則需要基于豎井掘進機運行中的實際狀態進行糾偏操作。

N=φfA=0.864×215×6 063×10-3=1 126.2kN ＞746 kN

支撐鋼管柱軸向受壓承載力滿足規范要求。

3.1.2 局部承壓計算

支撐鋼管頂部和底部詳圖如 6～7 所示。

按照柱頂（底）鋼墊板邊長為 350 mm×350 mm 計算，根據《混規》對鋼管頂部進行局部受壓計算。

1.35βcβlfcAln=1.35×1.0×1.0×14.3×350×350×10-3=2 365 kN＞746 kN

局部受壓承載力能夠滿足要求。

3.1.3 支撐鋼管柱底抗沖切計算

按照柱底鋼墊板邊長為350 mm×350 mm 計算，根據《混規》對支撐鋼管柱底抗沖切承載力進行計算。

0.7βhηumh0=0.7×0.954×1.43×1×6 280×1 285×10-3=7 706 kN＞746 kN

鋼管柱底抗沖切承載力滿足規范要求。

3.2 負二層 X-7×X-F 柱置換設計

圖5 柱卸荷詳圖（單位：mm）

圖6 卸荷鋼管底面做法（單位：mm）

圖7 卸荷鋼管頂面做法（單位：mm）

柱卸荷以后，為保證安全，對負二層 X-7×X-F 相關區域現澆板采用滿堂紅腳手架進行了支頂，支頂區域如圖8 所示，樓板支頂完成后，拆除負二層柱帽以下框架柱混凝土，剔除柱帽局部疏松部位至密實處，柱置換采用 C 45 高強無收縮灌漿料，原有柱縱向鋼筋保留，除銹以后繼續使用，新增豎向鋼筋及箍筋，新增豎向鋼筋上部彎折后錨入柱帽內，新增豎向鋼筋下部采用植筋方式錨入基礎，如圖9 所示。

3.3 卸載工藝流程

1）制作并安裝負二層卸載所用的鋼柱及其墊板

圖8 X-7×X-F支頂區域（單位：mm）

圖9 柱置換立面圖（單位：mm）

2）采用調節鋼板將支撐與樓板之間頂緊，使鋼管充分受力。

3）制作并安裝負一層卸載所用的鋼柱及其墊板。

4）采用調節鋼板將支撐與樓板之間頂緊，使鋼管充分受力。

5）搭設負二層 X-6～X-8×X-E～X-G 范圍內滿堂紅腳手架。

6）搭設負一層 X-6～X-8×X-E～X-G 范圍內滿堂紅腳手架。

3.4 置換工藝流程

1）按照卸荷方案的要求，對負二層及負一層相關部位進行有效卸荷，卸除柱承受的恒荷載。

2）卸載 X-7×X-F 柱相關區域活荷載。

3）拆除需置換框架柱混凝土，保留鋼筋，并將銹蝕鋼筋進行打磨，露出光茬。

4）依據設計要求，對置換柱新增鋼筋進行植筋。

5）清除灰塵及雜質，涂刷界面劑，支模，澆筑無收縮灌漿料。

6）混凝土養護，當混凝土強度達到 30 MPa 時，拆除柱模板。

7）當混凝土強度達到 40 MPa 時，拆除負一層滿堂紅腳手架。

8）當混凝土強度達到 40 MPa 時，拆除負二層滿堂紅腳手架。

9）當混凝土強度達到 45 MPa 時，拆除負一層卸荷鋼管柱。

10）當混凝土強度達到 45 MPa 時，拆除負二層卸荷鋼管柱。

4 結論

1）工程中結構局部混凝土強度不足導致的結構構件存在安全隱患時，必須進行加固處理，構件實際強度特別低的時候，置換混凝土加固法是非常合理并有效的加固方法。

2）置換混凝土法加固結構前，采取有效的支頂措施對被加固構件進行卸荷，待被加固構件加固完成后，再拆除支撐。對支頂鋼管軸向受壓承載力進行了計算，對鋼管支撐部位混凝土局部受壓和抗沖切進行了計算，能夠滿足《混規》要求。

3）置換混凝土加固設計，拆除強度較低部位的混凝土，保留原有鋼筋，新增豎向鋼筋和箍筋，使新增鋼筋和原有鋼筋共同受力工作。加固施工開始前，制定合理的支頂方案和施工順序，保證了置換過程的結構安全。

本文的處理方法可對工程出現類似問題的處理提供了很好的借鑒作用。