某工程混凝土柱施工缺陷置換加固設計

皇垚華 余鑫海 張 濤

陜西省建筑科學研究院有限公司 陜西 西安 710082

隨著新技術、新工藝的不斷發展，為了更好地提高建筑物的整體質量，保證加固技術的創新和質量至關重要。目前常見的加固方法有：增大截面法、外包型鋼法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維復合材料法、置換混凝土法、增設支點加固法、增設構件加固法和卸荷法等[1]。

置換混凝土加固法是采用高性能灌漿料對構件受壓區強度偏低、有嚴重質量缺陷的混凝土進行置換處理[2]。該方法受力可靠，工藝簡單，加固費用相對偏低，應用面較廣，不增加構件截面尺寸，不影響建筑物的凈空和使用功能，施工時需有可靠支撐措施。

本文以某工程項目為例，總結了置換混凝土加固法在不同工程的實際應用[3-6]，對不同加固方法進行綜合對比分析，提出了適用于該工程的置換混凝土加固法和外包型鋼加固法，并對原構件進行了有效的支頂，最終對該工程的加固效果進行了分析評價。研究成果可為類似加固改造項目提供借鑒。

1 工程概況

某工程主體結構為框架剪力墻結構，設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，抗震設防烈度為8度，抗震設防分類為丙類。地下1層為車庫，層高為4.5 m，地下車庫為框架結構，基礎形式為獨立基礎加防水板，混凝土強度等級為C35，柱網尺寸為8 100 mm×8 100 mm。

工程投入使用一段時間后，發現地下室部分柱的柱頂存在施工缺陷，柱頂混凝土出現鼓脹、局部混凝土不密實、露筋等現象。建設單位為防止框架梁出現變形，使用千斤頂進行臨時支撐。為確保結構的安全性，需對該工程出現問題的混凝土柱進行加固處理。

2 加固方案

針對本項目實際情況，結合常用的加固技術，制定比較合適的加固方案。加固方案不能影響地下車庫的正常使用，要充分重視節點核心區的抗剪承載力，并考慮施工過程的安全性及加固的經濟性、工期等綜合因素的影響。

本工程由于施工問題，部分柱頭混凝土有嚴重缺陷，且對建筑空間的使用要求較高。通過對增大截面、粘貼鋼板、外包型鋼、粘貼纖維復合材料、置換混凝土加固等幾種常規加固方法進行對比論證，發現采用置換混凝土加固法有較好的施工可行性，可從根本上解決上述問題。考慮到該工程在實際施工時操作難度較大，新舊混凝土結合面的處理效果很難達到協同工作的程度，在混凝土置換完成后，采用外包型鋼加固法進行加固，可將弱柱轉變為強柱，從而增加構件承載力，也可部分降低柱核心混凝土的軸壓比。

3 加固設計

3.1 置換方法

采用置換法加固混凝土構件，需對結構加以有效的支頂。本工程采用托梁換柱法、分期置換法將整個混凝土構件進行全部置換[7]。

1）采用YJK軟件進行結構內力計算分析，確定置換構件的荷載，確定支撐方案，對加固柱四周進行可靠支撐，加固期間柱受荷范圍內應取消全部活荷載，并嚴禁新增恒荷載。

2）鑿除節點核心區具有缺陷的混凝土至密實部位，保留梁柱鋼筋，盡量避免破壞原結構鋼筋。

3）對原結構鋼筋進行清理及修復，原結構表面不得有浮漿、浮灰、油污等雜物，對新舊混凝土結合面進行處理。

4）按相關技術規范支設模板，模板邊緣用密封膠封堵，采用C40高強灌漿料按壓力注漿法灌注密實，對構件進行養護，混凝土強度達到設計強度后，拆除模板、支撐，使新舊混凝土黏結成一個整體。

5）采用外包型鋼加固法進行加固，提高結構承載力及延性，使結構更安全可靠。

對混凝土柱進行置換時，應采用分期置換法，即將混凝土柱分4期進行置換，先置換一個角的混凝土，待其強度達到要求后，再置換對角直至完成，每個區域需重疊不小于50 mm。

每階段混凝土鑿除完畢后，應對上一階段混凝土界面進行鑿毛處理，并清理界面及碎渣[8]。施工期間應加強對結構變形的監測，若有異常變形情況，應立即停止施工。置換順序如圖1所示。

圖1 柱混凝土置換順序

本工程柱置換部分采用分層施工，每層厚度不超過100 mm，待每層新灌漿料達到設計強度后，方可進行下一層施工。柱置換部分立面如圖2所示。

圖2 柱置換部分立面

3.2 材料性能

本工程采用高強無收縮灌漿料來保證施工質量，其具有高強、無收縮、微膨脹、自流平、保水性好等特點。在澆筑混凝土柱時留置40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試塊，并與混凝土柱同條件養護。外包型鋼加固法鋼材型號為Q345B。

3.3 支撐驗算

采用YJK軟件進行計算分析，通過去掉置換柱，四周加鋼支撐，支撐兩端需設置鋼墊板，每個鋼支撐承擔的軸力為950 kN。

支撐選用Q235的300 mm×300 mm×10 mm×16 mm工字鋼，如圖3所示。

圖3 鋼支撐示意

經計算，鋼支撐選用300 mm×300 mm×10 mm×16 mm工字鋼，其強度、長細比、穩定性、局部穩定均滿足規范要求。

3.4 外包型鋼加固

對置換完成的混凝土柱及梁柱節點進一步采用外包型鋼加固法進行加固，柱外包型鋼加固后，原柱與型鋼構架共同承擔荷載，可大幅提高柱的承載和抗震能力。節點核心區外包型鋼加固后，可達到“強節點”的設計目標。

4 結語

本文以某工程實際為背景，對混凝土存在嚴重缺陷的加固方法進行了詳細介紹，通過分析對比不同加固方法的特點，對置換混凝土加固法、外包型鋼加固法在類似工程中的應用進行分析研究，并對原構件進行了有效的支頂，可得到以下結論：

1）置換混凝土加固法可從根本上解決混凝土有嚴重缺陷的問題，考慮到新舊混凝土結合面的處理效果很難達到協同工作的程度，置換完成后采用外包型鋼加固法進行加固。

2）為了提高結合面的黏結性能，采用高強無收縮灌漿料作為置換材料，高強無收縮灌漿料具有高強、無收縮、微膨脹、自流平、保水性好等特點，可以較簡單、高效地提高原混凝土結構的承載能力。

3）本工程采用托梁換柱法、分期置換法將整個混凝土構件進行全部置換，技術可行性較高，降低了加固工程的施工成本。

4）由于被置換的構件為結構中的主要受力構件，通過理論計算，建立了安全可靠的支撐體系來支撐上部結構的安全，同時避免了結構梁產生豎向變形、裂縫。

本工程采用的混凝土置換加固法、外包型鋼加固法的施工效果較好，新置換的混凝土較密實，新老混凝土之間的黏結效果較好，加固質量滿足設計要求，具有良好的推廣應用價值，對其他類似項目具有一定的指導意義，可在施工過程中參考應用。