地下車庫柱頂劈裂的事故分析及加固處理技術

李明蕾，楊志剛, 李曉霞, 孫長征

(1.山東理工大學 建筑工程學院, 山東 淄博 255049；2.淄博職業學院 人工智能與大數據學院，山東 淄博255012；3.山東同科建筑科技有限公司, 山東 濟南250101)

中國建筑業經過近30年的粗放式發展，已逐步由高速發展進入穩定發展期，目前中國房屋建筑的平均壽命約為25～30年，且大量老舊建筑和工業建筑已不能滿足改造后的功能需求，在國家倡導建設節約型社會的大背景下，又不能大拆大建；因此，從可持續發展角度，建筑行業發展應由大量新建轉變為維修與加固改造為主，盡量延長建筑的使用壽命。目前建筑物的維修、改造和加固技術的研究已成成為工程領域的研究熱點[1]。

在既有建筑的維修、加固改造技術中，混凝土置換是一種不影響原構件尺寸，加固效果顯著的施工方法；但一般由于帶載施工，同時也存在較大風險[2]，尤其是地下車庫框架柱的置換，由于上部覆土較厚，施工安全風險更高。置換施工通常需借助于頂升托換技術，常用的托換技術有預應力托換、混凝土抱柱梁托換、全鋼支撐托換等[3]。預應力托換只有特定要求下才能使用，全鋼支撐托換安裝方便；但節點處理比較復雜，焊接質量要求較高，存在潛在的危險因素，因此應用不多。混凝土抱柱梁拖換施工成本較高，工期長，但施工安全可靠，應用范圍較廣。頂升托換時的關鍵是控制頂升位移，目前這方面的研究并不多。胡金鸞等曾對置換過程中的位移變化進行了分析，對頂升的控制位移值范圍提供了建議[3]，由于推薦的數值范圍較大，對施工的參考性不強。本文以某地下車庫大量柱頂出現劈裂事故為例，結合其出現事故的原因進行分析，提出了新的置換施工技術和工藝，降低了施工成本和安全風險，減少了工期，能夠為以后類似的項目提供參考。

1 工程概況

淄博某住宅樓地下車庫為地下一層，建筑面積5萬m2，層高3.80 m，基礎形式為：墻下鋼筋混凝土條形基礎、柱下鋼筋混凝土獨立基礎+抗水板。設計要求普通混凝土，強度等級為基礎墊層C15；基礎C35；上部柱、梁、板、擋土墻結構C35，該車庫頂樓面覆土厚1.80 m，覆土容重18 kN/m3,車庫頂面為種植屋面，活荷載4.00 kN/m2。

車庫主體施工過程中，施工單位為趕工期，減少支模和養護時間，在征求業主同意的情況下，修改了原施工方案中先澆柱、后澆梁的施工工藝，變更為柱梁板共同澆筑。實際澆筑施工時發現，梁柱節點處鋼筋密集，綁扎完后柱混凝土難以澆筑，且振搗困難；后自行將柱混凝土材料改為流動性強的自密實混凝土，強度變為C40，梁板仍按原設計C35普通混凝土。該車庫主體結構于2018年10月至11月施工完畢，2019年3月車庫頂覆土開始陸續施工，推土機、自卸汽車陸續在車庫頂板工作，后發現車庫部分混凝土框架柱出現凝土壓潰、劈裂，主筋壓彎、變形嚴重等質量問題，現場做了緊急支撐處理，如圖1所示，大量柱表面出現不規則的裂縫，如圖2所示。

圖1 柱頂劈裂破壞圖

圖2 柱表面裂縫圖

2 檢測鑒定及原因分析

2.1 檢測與鑒定

鑒定檢測機構對車庫完成了現場調查、確認了結構布置及構件截面尺寸、用鋼筋定位儀查看鋼筋配置數量和間距，檢測結果均滿足設計要求，用回彈法和鉆芯法檢測了混凝土抗壓強度，以及用全站儀測量柱壓彎變形等其他內容。現場檢測共發現損傷柱110棵，集中分布在車庫南側區域，柱外觀顏色不一，上部為淺灰色，存不規則裂縫或壓碎鼓出；下部為深灰色，存在蜂窩麻面現象，所有柱表面出現明顯的分層。鉆芯取樣發現，上層、中層芯樣均無粗骨料、上層重量輕，中層易折斷，下層與正常芯樣無異，按民用建筑可靠性鑒定標準(GB 50292—2015)規定，25棵嚴重損傷的框架柱安全性等級評為du級，其安全性極不符合標準對au級的要求，已嚴重影響承載力，必須立即采取措施。30棵全柱裂縫和55顆僅柱頂有裂縫的框架柱，安全性不符合標準對au級的要求，其安全性等級評為cu級，應采取加固措施。主要檢測鑒定結果見表1。

表1 檢測結果

另外檢測中發現，該車庫與損傷框架柱相連的部分框架梁底部有框架柱流淌過來的浮漿層，該浮漿層與上部普通混凝土黏結力較差，導致浮漿層出現空鼓、脫落現象，致使梁底鋼筋保護層厚度減小，箍筋外露，影響鋼筋握裹力。該框架梁安全性等級評為cu級，即安全性不符合本標準對au級的要求，顯著影響承載力，應采取措施[4]。

2.2 事故原因分析

首要因素是考慮所用自密實混凝土材料是否具有高流動性和良好的穩定性，經調查，本次受損柱的混凝土均由同一商品混凝土供應商提供，相關的試驗證明材料完整，且其他相同批次的區域未出現質量問題，所以可排除材料方面的原因。

其次，該工程框架柱出現質量問題主要表現為澆筑后混凝土出現了嚴重不均勻現象，出現了明顯分層，上面一層為粉煤灰層，主要由粉煤灰和少量的水泥組成，無粗骨料，外觀類似加氣混凝土，質量輕，回彈強度較低，強度推定值<10.0 MPa；中間一層為水泥和少量砂子組成的水泥層，無粗骨料，回彈強度高，但抗折強度極低，取出的芯樣很容易折斷，下層為混凝土層，表面出現許多不規則裂縫。經查閱施工日志，本次受損柱的施工大部分由同一個混凝土施工班組完成，且存在部分夜間施工情況，施工速度較快，且在澆筑混凝土時普遍未使用溜槽等工具。

因此,出現質量事故的原因主要有以下幾方面：

1)更換混凝土材料后，施工班組人員未經技術交底，施工工藝不合理，高處澆筑混凝土未使用溜槽，造成粗骨料下移、細骨料和漿液上浮；柱頂強度過低而造成受壓破壞。

2)南側車庫頂板堆土過于集中，未及時攤平，施工機械過早到頂板施工，在強度未完全達到時，過大負載造成框架柱受壓破壞。

3)施工時氣溫低，養護條件達不到要求，致使柱表面出現微裂縫。

4)現場調查時還發現，柱頂出現質量事故后，現場頂板的覆土施工仍在繼續，更加劇了柱頂的破壞。

5)框架梁的質量問題主要是框架柱流淌過去的混凝土脫落而導致鋼筋外露。

3 加固設計方案

常見的加固設計方案對比見表2。本項目110顆框架柱的損傷特點具有共性，即上柱部分強度過低或壓碎，其余部位或強度不足，或存在裂縫，經甲方、監理及總包單位的共同研究和比較，最終采用多種加固方法共存的設計方案五。

表2 加固設計方案對比分析表

所有損傷柱柱頂部位采用置換方式處理，置換范圍為屋面板板頂至缺陷下邊緣外延500 mm，全柱裂縫均采用壓力注膠灌縫進行修補。強度檢測值小于35 MPa的采用外包型鋼加固，大于35 MPa則不考慮加固。

外包型鋼和壓力灌膠均為常規加固方法，施工工藝比較成熟，本文不再贅述，本文重點討論柱頂置換的相關技術問題。置換施工前要求停止頂板車輛和人員活動，由于柱頂已破壞嚴重，且覆土已經基本完成，難以大面積的清除上部覆土，現場只能帶負荷頂升置換，以框架柱KZ6為例，正常條件下其柱頂所受所受豎向荷載P為

P=γsBH+γcBHh+γcAl,

(1)

式中:γs=18 kN/m3為上部覆土重度；γc=25 kN/m3為鋼筋混凝土重度；B=8.4 m,H=6 m分別為柱兩方向柱距，h=0.2 m為頂板厚度；A為框架梁橫截面面積；l為對應A的框架梁長度。代入后得到P=2 100 kN。

由于上部荷載較大，且柱頂已經產生下撓變形，如何將梁板頂升至原設計標高，安全卸載后置換是施工成功與否的關鍵[5]。本項目采取的方案如圖3所示。

圖3 支撐卸載平面布置圖

1)頂升方案：鋼柱加千斤頂支撐周邊主梁，柱周邊設置12棵250*12方管鋼支撐，每棵鋼柱受力為F=2 100/12=175 kN,支撐頂部設50 t千斤頂，上下均用20 mm厚鋼板作為千斤頂支撐底座，頂升荷載分階段施加，分別為10%F,35%F,55%F,80%F,100%F。

2)監測方案：為掌握鋼支撐柱和混凝土置換柱在頂升過程中的變形情況，本工程進行了實時施工監測，在4根鋼柱中間粘貼應變片，在相同材料表面粘貼溫度補償應變片以消除溫度影響。在四周梁端底面放置4個量程為0～10 mm(精度0.01 mm)的百分表，指針與梁頂面接觸，使其產生8 mm變形，頂升過程中根據變形差判斷頂升位移。放置2臺全站儀，觀測梁的水平度[6]。

圖4 支撐卸載立面布置圖

3)支撐支座方案：車庫地面為已經完成的剛性地面，強度較低,若地面承載力按180 kPa計算，每個柱腳底板面積約需要1 m2，不僅費工廢料，且由于地面不均勻，若其中一個因為沉陷退出工作，勢必引起其他支撐構件的破壞。為保證施工安全，加強支座整體性，設計采用HW400*400*13*21 H型鋼制作長條形支座，為防止支座滑動，采用M12錨栓與地面固定。利用有限元分析軟件MIDAS GEN 對型鋼支座與地面的接觸壓力按彈性地基梁法進行了力學分析，分析結果見圖 梁支座的最大應力為25.8 MPa,支座給地面的最大壓力出現在支座端部，折算壓力為147 kPa，能保證地面安全。

4 置換監測及施工要點

4.1 梁頂升恢復變形

以ZHZ6為例，用千斤頂按頂升方案中設定的分段數值依次進行加載，加載應對稱進行，同時記錄各階段百分表讀數，每階段加載至設定載荷時，保持加載值維持5 min，觀測梁變形和支撐穩定性[7]，頂升階段梁端頂升力與頂升位移曲線如圖5所示。

圖5 頂升力與梁端頂升位移曲線圖

圖5中1號至4號分別指柱四周框架梁梁端編號，從圖5中可以看出：

1)梁端位移變化與頂升力大致呈線性關系，符合基本的力學變化規律。

2)頂升加載初期，梁端未出現頂升位移，初始觀察到的千斤頂位移主要是支撐裝置之間未預頂緊產生的壓緊變形，因此頂升施工前應施加預頂力。

3)實際頂升力還未達到計算頂升力，大約為計算頂升力的0.6倍時，百分表指針開始轉動，梁端開現變形。

4)隨頂升力增加，梁端變形逐漸增大，1號、2號梁的截面尺寸大于3號、4號梁，在相同頂升力作用下，梁端變形值偏小，其中2號梁某幾個采集數值發生突變，主要原因是固定百分表裝置發生松動所致。

5)當梁端頂升位移達到7 ～8 mm時，梁端恢復到原位置，結束頂升，此時頂升力約為計算頂升荷載的0.9～1.05倍。

4.2 鑿除混凝土柱監測及分析

頂升卸載施工完畢后開始人工鑿除和置換，共分四批依次進行，每次沿鑿除1/4柱截面，完成一次鑿除后對鋼柱應變進行監測，進行下一次監測前將應變儀調零[8]，測得的鋼柱應變結果見表3。

表3 支撐鋼柱監測數據表

由表3監測數據可知，混凝土柱卸載后的在鑿除過程中，鋼柱支撐的應力變化逐漸變小，應力值未出現較大波動，說明已經成功卸載。

4.3 加固柱施工流程

為確保工程安全，對初始加固的框架柱周邊樓板進行滿堂腳手架支撐，腳手架鋼管型號為Φ48*3.5，立管縱橫向間距為0.6 m，水平橫管間距為1.2 m，頂部通過可調節支托與樓板頂緊，具體加固施工流程如圖6所示。

圖6 施工流程圖

4.4 置換施工要點

剔除被置換的混凝土時，應采用電動機械設備結合人工剔除的方法，嚴禁采用風鎬及重錘夯擊，并應避免損傷鋼筋。剔除范圍應在達到缺陷邊沿后，再向邊沿外擴不小于50 mm。新舊混凝土接觸面應鑿毛，并用鋼絲刷等工具清除原構件表面疏松的骨料、砂礫、浮渣和粉塵，后用清潔壓力水沖洗干凈，涂刷一道界面劑。

4.5 鑿除柱頂混凝土后的附加安全處理

理論上完全卸載后可以直接鑿除和澆筑，考慮現場上部覆土比較重，為確保施工安全，現場分段鑿除柱混凝土后，立即采用附加短鋼柱支撐，逐步替換剔鑿混凝土，作為一項附加安全處理措施，如圖7、圖8所示。施工時首先切斷柱頂箍筋，后剔鑿周邊混凝土，深度約150 mm，用H100*100短鋼柱塞入柱頭，為防止局部荷載下柱頂發生劈裂破壞，鋼柱下部放置150*150*20鋼墊板，頂緊四周后開始剔鑿內部混凝土，如此可把梁上的荷載通過鋼柱傳給下部柱，避免梁懸空下垂的風險。在澆筑混凝土前，將縱筋與鋼柱焊接，表面涂刷一層結構膠后支模澆筑。

圖7 鋼柱替換示意圖

圖8 鋼柱替換現場圖

5 施工效果

本項目地下車庫柱頂置換施工整體進展順利，施工中未出現任何安全事故。本方案的單柱置換施工成本與傳統抱柱梁置換成本對比見表4。從表4可以看出，雖然本方案的支撐卸載工藝費用較高，但混凝土剔鑿施工和支撐底座施工的成本明顯降低，且減掉了抱柱梁鑿毛、植筋及澆筑等工序，整體成本節約了20%。當置換柱數量較多時，支撐鋼柱可循環使用，亦能降低施工成本。

表4 施工成本對比表

鑿除混凝土柱頭時，本方案采用邊剔鑿邊支撐的方式比傳統的分段剔鑿分段澆筑節省了養護時間，減掉抱柱梁的植筋、澆筑工序后更加快了施工進度，原計劃50 d的工期，實際用時35 d，節省了28%的工期。柱頂置換完成后，未影響原結構的使用功能，未降低建筑物的整體使用壽命，成功解決了工程的巨大隱患。

6 結論

1)混凝土強度過低的混凝土柱僅局部高度需要置換時，不建議采用抱柱梁支撐卸載置換方案，采用本文介紹的加固方案更安全、經濟，社會效益顯著。

2)因柱破壞引起梁端下垂變形，且撓度值不超過10 mm時，建議采用本文方案進行頂升卸載，頂升力為0.6F時梁端開始回升，頂升力在0.9F～1.05F之間時，梁端基本能恢復到原位置。

3)現場條件不允許鋼支撐下部設置混凝土基礎時，可采用大尺寸型鋼梁作為條基。

4)該技術方案較傳統置換技術能節省28%工期，降低20%的成本。