混凝土整體置換法在缺陷混凝土柱加固中的設計與應用

王迎春 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 引言

混凝土一直是主要的建筑材料之一，鋼筋混凝土結構也是建筑工程中應用最為廣泛的結構形式，而框架柱是影響整個結構安全的關鍵。當出現框架柱混凝土強度不合格時，需要對存在質量問題的混凝土柱進行加固處理。解決缺陷混凝土柱常用托梁換柱法，不改變柱截面，對缺陷混凝土部位實行整體或局部置換，用高等級混凝土還原柱截面[1]。如何針對工程各自的特點和共性，選擇合理的加固方案，具有重大的現實意義[2]。本文通過某住宅樓的缺陷混凝土柱加固工程進行闡述。

1 工程概況

該住宅樓為框架-剪力墻結構，位于安徽省阜陽市，地下2層、地上9層，建筑總高度為26.75m。上部主體結構施工完成后，發現一層25 軸交E 軸框架柱柱根約400mm 高范圍內混凝土出現缺陷（此部分混凝土主要為砂漿層），柱頂約1000mm 范圍內混凝土完好（混凝土回彈值為C35 以上，設計值為C35），中間部分混凝土強度介于柱頂與柱底之間（回彈值為C30 左右），故須對此缺陷柱進行加固處理以滿足強度設計要求。

2 加固處理方案比選

混凝土結構常用的加固方法有增大截面加固法、外粘型鋼加固法、置換混凝土加固法等[3]，其適用范圍及優缺點見表1。

表1 常用加固方案對比

3 加固設計方案

由于該住宅樓工期緊且結構已經封頂，為避免日后開發商與業主之間產生糾紛，房內結構不能再變動。經充分對比論證，決定對此缺陷柱采用托梁換柱置換法進行加固。置換材料為C60高強灌漿料，該材料因其早強、高強、微膨脹和自流性等特點，在結構加固中應用較廣。方案擬對柱底砂漿層混凝土進行整體置換，中間過渡層混凝土進行部分置換，即鑿除表面一定厚度的混凝土，保留中間混凝土柱芯及主筋，再澆筑C60 高強灌漿料還原柱截面。該法較經濟、工期較短，但關鍵技術在于對原結構柱的支撐卸載。

3.1 技術原理

支撐卸載體系用以卸除該缺陷柱上部結構傳來的荷載，從而保證置換過程中上部結構的安全。該體系將鋼套安裝在缺陷混凝土柱上一層的完好柱底上，并設置對穿螺栓及鋼構件牛腿，將柱軸力通過剪力傳遞轉移到鋼柱支撐以達到卸載的目的，如圖1、圖2 所示。為確保施工安全，對柱混凝土進行整體置換時，分為兩次進行，待前次置換的混凝土達到設計強度的75%時方可進行第二次的置換。

圖1 缺陷柱卸載支撐體系圖

圖2 牛腿大樣圖

3.2 支撐設計計算

3.2.1 支撐內力分配

根據盈建科計算模型數據讀取，待處理的框架柱在僅考慮結構自重實際荷載作用下的軸力標準值為1500kN。混凝土置換分兩次進行，且每次置換時均用10#槽鋼支托頂緊，槽鋼與另一半混凝土柱中縱向鋼筋承受的軸力和為（205×1270×2+360×1005）/1000=882.5kN，1500-882.5=617.5kN。考慮一定的安全儲備，卸載支撐按分配800kN的軸力進行設計。

3.2.2 支撐計算

選擇雙軸對稱工字型鋼H300×300×10×15，材質Q235，型鋼支撐內力設計值按軸力N=400kN，彎矩Mx=200kN?m、My= 10kN?m進行驗算。

①強度驗算（根據《鋼結構設計標準》（GB 50015-2017）[4]8.1.1 條，滿足要求）。

②穩定性驗算（根據《鋼結構設計標準》（GB 50015-2017）8.2.5 條，滿足要求）。

3.3 加固施工方案

3.3.1 施工順序

缺陷框架柱雖已設置臨時型鋼支撐，但若全部進行一次性置換，仍可能使柱鋼筋變形過大或構件產生豎向變形而開裂[5]。為確保施工安全，對柱下部混凝土整體置換分兩批次進行，待前次置換的混凝土達到設計強度的75%時進行第二次的置換，對柱中部局部混凝土則進行一次性置換。具體施工順序為臨時型鋼支撐安裝（圖1、2）→柱下部混凝土第一次置換（詳見3.3.2 節）→柱下部混凝土第二次置換（置換步驟同第一次）→柱中部局部混凝土一次性置換→支撐拆除。

3.3.2 混凝土整體置換步驟

對柱下部需整體置換的混凝土采用邊拆邊支托頂緊的方法進行，具體施工步驟如圖3 所示。①鑿除下部缺陷柱體右上角混凝土，形成第一鑿除區域，保留柱體內縱向受力主筋；②在鑿除區域放置第一根10#槽鋼支托，支托兩端設置支撐墊板，分別抵住鑿除區域的上下端面；③鑿除下部缺陷柱體右下角混凝土，形成第二鑿除區域，保留柱體內縱向受力主筋；④在鑿除區域放置第二根10#槽鋼支托；⑤繼續鑿除已放置兩根支托的混凝土柱體同側剩余部分混凝土，形成第一置換區域，該區域為整個待置換混凝土柱體的一半；⑥采用C60 高強灌漿料進行第一次澆筑施工，完成第一次混凝土置換。

圖3 混凝土整體置換順序示意圖

待上述步驟的灌漿料強度達到設計強度的75%，缺陷混凝土柱體的左側通過同樣的步驟依次鑿除產生第三鑿除區域。在第三鑿除區域內放置第三根槽鋼支托，鑿除產生第四鑿除區域，在該區域內放置第四根槽鋼支托，然后繼續鑿除左側剩余部分混凝土形成第二置換區域，最后澆筑形成第二澆筑體，完成缺陷柱體下部混凝土的整體置換工作。

3.3.3 混凝土局部置換

該缺陷柱頂僅約1m 范圍內混凝土完好，柱中部混凝土強度介于柱頂與柱底之間（回彈檢測值為C30左右，設計強度C35），故對柱中部混凝土進行一次性局部置換。根據《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367-2013）第6.3.2 條規定，混凝土的置換深度，板不應小于40mm，梁、柱采用人工澆筑時不應小于60mm，采用噴射法施工時不應小于50mm。故對該缺陷柱中部混凝土取置換深度60mm，原柱截面面積為500×400=200000mm2，置換混凝土面積為93600mm2，柱芯混凝土保留面積為380×280=106400mm2，如圖4 所示。根據6.2.1 條規定，由混凝土等強原理，如式（3）所示：

圖4 混凝土局部置換示意圖

原C35混凝土軸心抗壓強度設計值為16.7N/mm2，經局部置換后柱的混凝土平均強度為17.9N/mm2＞16.7N/mm2，滿足設計要求。

3.4 施工注意事項

臨時型鋼支撐的設置。為分擔缺陷柱部分內力并增加結構加固時多重安全儲備，在缺陷柱四周需布置臨時支撐，本加固工程采用雙軸對稱工字型鋼柱H300×300×10×15。為了保證與型鋼支撐接觸面處混凝土的局部承壓能力[6]，在型鋼支撐頂部設置鋼墊板，支撐鋼柱底部的鋼墊板與樓層之間設置千斤頂。鋼墊板與混凝土的接觸面用A 級結構膠砂漿找平，待結構膠砂漿硬化后才能操作千斤頂頂緊型鋼支撐。考慮到千斤頂頂伸原理，同時也會對下層結構施加作用力，故本加固工程在該缺陷柱體同層和水平高度下至基礎層的各樓層相同位置均設置有臨時型鋼支撐。

缺陷混凝土的鑿除與置換。嚴格按照設計好的置換步驟和置換量進行每一區域缺陷混凝土的鑿除工作。為確保施工安全，柱底部區域每次鑿除面積不宜過大，以恰好能安裝下槽鋼支托為度；柱中部局部混凝土鑿除時，為減小對柱芯混凝土的損傷，須由人工鑿鉆，輕敲輕鑿。對柱進行分塊對稱鑿除，先從一側鑿至預留柱芯面，再鑿除另一側混凝土，鑿除過程中應盡量減小對柱中鋼筋的損傷和擾動。整個置換過程采取分部分批次進行。

置換材料采用早期強度高、自流性好、自密實強度高、微膨脹的C60高強灌漿料。為確保灌漿料的整體澆筑質量，模板安裝應堅固、穩定、密實，頂面喇叭口須高出設計置換端100mm 左右，采取邊澆筑邊用小錘敲擊外模板振搗密實。

對缺陷柱置換施工期間，必須對周圍相關梁板柱構件進行結構監測。一旦發現相關構件的裂縫、應力或變形有異常值或發出警報，應立即停止施工，查找出原因后及時處理。

待施工結束，所有置換部分混凝土達到設計強度的80%后，應對原結構空間進行恢復。如牛腿、支撐的拆除，對各支撐和牛腿節點處的結構進行修復，清理施工現場。

4 結語

本加固工程的卸載裝置是通過在缺陷柱上層完好柱的根部設置牛腿來實現荷載轉移，在缺陷柱體同層和水平高度下至基礎層的各樓層相同位置均設置臨時型鋼支撐。在對缺陷混凝土置換過程中使用鑿除+支托的施工組合，可以保證整個施工過程的安全。當缺陷柱只是混凝土材料強度不合格時，不需要置換原來的鋼筋，節約了柱體整體置換成本。并且在鑿除過程中，柱體內部的主筋也起到了支撐作用，使得缺陷柱體上方的結構更加穩定，從而達到安全替換的目的。本次加固方案在不改變缺陷柱原有尺寸、使用功能和美觀的前提下，成功有效地解決了缺陷混凝土柱整體置換所帶來的安全隱患，取得良好的技術經濟效益和社會效益。