胡金鸞，王靜民，熊海豐，趙皓青

（1.浙江省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012；2.杭州市紅十字會(huì)醫(yī)院，浙江 杭州 310005）

當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，建筑業(yè)欣欣向榮，但是工程質(zhì)量問題也隨之而來。其中作為主要建筑材料的混凝土經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量不合格的情況，如混凝土離析、混凝土強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求等。有些質(zhì)量問題可以在混凝土出廠或澆筑前發(fā)現(xiàn)從而避免工程事故，但有些質(zhì)量問題卻要在工程驗(yàn)收階段才能發(fā)現(xiàn)。對(duì)于混凝土澆筑后強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量問題，在工程實(shí)踐中一般采用增大截面加固法、置換混凝土加固法、外包型鋼加固法等方法進(jìn)行補(bǔ)救［1］。

在采用置換混凝土加固法對(duì)框架柱進(jìn)行頂升時(shí)就要涉及到如何控制頂升位移的問題。目前對(duì)于建筑物托換頂升控制位移的研究并不多，涂強(qiáng)［2］和李長山等［3］均對(duì)大軸力樁基托換的控制變形值進(jìn)行了分析，而框架柱置換過程中頂升位移控制值的相關(guān)研究相對(duì)較少。本文結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和工程實(shí)際對(duì)框架柱的混凝土置換頂升位移進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 框架柱置換位移分析

1.1 頂升托換系統(tǒng)

混凝土框架柱置換常用方法為：抱柱梁-鋼支撐頂升系統(tǒng)［4］。其設(shè)計(jì)原理主要基于新舊混凝土結(jié)合面抗剪理論，目前國內(nèi)主要的設(shè)計(jì)規(guī)范有《建（構(gòu)）筑物托換技術(shù)規(guī)程（CECS 295∶2011）》《建（構(gòu)）筑物移位工程技術(shù)規(guī)程（JGJ／T 239—2011）》。頂升系統(tǒng)見圖1。

此頂升托換系統(tǒng)通過新舊混凝土結(jié)合面的混凝土摩擦抗剪及結(jié)合面上的抗剪鋼筋，將框架柱軸力轉(zhuǎn)移到抱柱梁上，再通過上下抱柱梁之間的支撐鋼管，將上部框架柱的軸力越過被置換樓層向下傳遞。隨著上部框架柱軸力的轉(zhuǎn)移，被置換構(gòu)件的軸力不斷減小，這個(gè)過程中被置換構(gòu)件的壓縮變形也逐漸恢復(fù)。當(dāng)被置換構(gòu)件的軸力被完全卸除時(shí)，即達(dá)到置換施工的理想狀態(tài)；若此時(shí)繼續(xù)頂升，會(huì)使構(gòu)件受拉，上部梁柱會(huì)產(chǎn)生次應(yīng)力，影響支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.2 頂升控制位移分析

框架柱置換頂升過程主要由頂升力和頂升位移兩個(gè)指標(biāo)來控制，頂升力可以通過結(jié)構(gòu)整體建模，合理選擇荷載工況進(jìn)行估算。頂升位移受現(xiàn)場條件和施工工藝影響較大，需要結(jié)合框架柱頂升施工的不同階段進(jìn)行分析。

1.2.1 柱頂升施工過程

混凝土置換頂升過程分為如下幾個(gè)階段。

第一階段：抱柱梁澆筑完成，混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求，進(jìn)行預(yù)頂緊至置換柱開始產(chǎn)生初始位移。

第二階段：預(yù)頂緊后，柱繼續(xù)加載頂升，頂升至預(yù)定位移量，鎖定荷載，開始鑿除柱混凝土。

第三階段：柱混凝土重新澆筑完成，待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后支撐鋼管拆除，觀測柱變形情況。

第一階段的預(yù)頂升主要為了使抱柱梁與置換柱之間結(jié)合緊密，消除抱柱梁與置換柱之間的相對(duì)位移，保證第二階段的頂升順利進(jìn)行。

第二階段的頂升需根據(jù)置換柱的受力情況確定頂升位移控制值。此階段的頂升位移量可根據(jù)材料力學(xué)的胡克定律計(jì)算得到。

第三階段的位移根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測確定，作為混凝土置換施工是否合格的評(píng)判依據(jù)。

1.2.2 位移計(jì)算分析

柱置換頂升過程應(yīng)由施工第二階段的位移控制，該位移值應(yīng)保證柱頂升過程中避免過度頂升或頂升不足。頂升位移計(jì)算值可根據(jù)胡克-布朗定律計(jì)算得到：

式中：u1為頂升位移計(jì)算值，mm；

P為柱軸力標(biāo)準(zhǔn)值，N；

L為柱壓高度，取上下抱柱梁中心距，mm；

E1為混凝土彈性模量，MPa；

A為柱截面面積，mm2。

實(shí)際工程中，框架柱置換頂升時(shí)的頂升力和頂升位移可通過預(yù)埋應(yīng)變監(jiān)測儀進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，見圖2。

圖2 預(yù)埋應(yīng)變儀監(jiān)測系統(tǒng)

對(duì)一般的頂升置換項(xiàng)目，可采用壓力傳感器對(duì)頂升力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；頂升位移的監(jiān)測可采用位移傳感器或千分表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，見圖3。

圖3 壓力和位移傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

本文結(jié)合3個(gè)實(shí)際工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)框架柱頂升位移進(jìn)行了分析。工程概況如下：

工程一：地下2層，地上22層，建筑高度96.6 m，結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒，建筑平面尺寸35.6 m×35.6 m，主要柱跨9.1 m×8.7 m，建筑功能為辦公樓。主體結(jié)構(gòu)施工完成后發(fā)現(xiàn)中部樓層的部分框架柱混凝土實(shí)測強(qiáng)度遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40的要求，需對(duì)柱混凝土進(jìn)行置換加固。

工程二：大底盤地下室2層，地上5層，建筑高度23.16 m，框架結(jié)構(gòu)，主要柱跨9.0 m×8.4 m。建筑功能為上部食堂和生產(chǎn)用房等，地下室主要為停車庫。主體結(jié)構(gòu)施工完成后發(fā)現(xiàn)地下一層部分框架柱混凝土強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度超過兩個(gè)等級(jí)，未能滿足設(shè)計(jì)要求，于是采用混凝土置換法進(jìn)行加固。

工程三：地下1層，地上5層，建筑高度23.55 m，框架結(jié)構(gòu)。建筑功能為教學(xué)樓，主要柱跨為8.4 m×8.4 m。主體結(jié)構(gòu)施工完成后發(fā)現(xiàn)地下1層部分框架柱混凝土強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度超過兩個(gè)等級(jí)，未滿足設(shè)計(jì)要求，故采用混凝土置換法進(jìn)行加固。

以上3個(gè)工程在設(shè)計(jì)階段采用胡克-布朗定律對(duì)柱置換頂升位移進(jìn)行了理論計(jì)算，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 柱頂升位移實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比

從表1的數(shù)據(jù)可以看出置換計(jì)算位移與實(shí)測位移存在差異。分析其原因如下：

1）混凝土材料不均勻。一般在整個(gè)構(gòu)件長度范圍內(nèi)的混凝土強(qiáng)度存在離散性，理論計(jì)算時(shí)彈性模量按均勻材料取值，與實(shí)際不符。從頂升加載過程的變形曲線也能看出實(shí)際柱變形不是按線性變化，見圖4～6。

圖4 柱1-4實(shí)測位移與計(jì)算位移對(duì)比

圖5 柱3-1實(shí)測位移與計(jì)算位移對(duì)比

圖6 柱3-2實(shí)測位移與計(jì)算位移對(duì)比

2）施工誤差的影響。由于支撐鋼管和抱柱梁施工存在偏心或接觸面不均勻，會(huì)引起頂升位移的非線性變化。

3）施工環(huán)境的影響。從實(shí)際觀測中發(fā)現(xiàn)，由于一天中氣溫變化，實(shí)測位移也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)?；蛘呦噜彉菍邮┕ひ鸬氖┕ふ饎?dòng)也會(huì)使位移值發(fā)生變化。

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，柱置換施工的頂升位移實(shí)測值約為計(jì)算值的0.7～1.3倍。柱軸力較小時(shí)，實(shí)測位移與計(jì)算值相對(duì)接近；柱軸力較大時(shí)，實(shí)測值偏離計(jì)算值也會(huì)相應(yīng)變大。

從已實(shí)施的工程來看，采用本文方法控制框架柱頂升位移，在框架柱混凝土置換的施工過程中及施工完成后建筑物均未出現(xiàn)明顯裂縫或位移變化，說明按照，頂升位移計(jì)算值的0.7～1.3倍控制實(shí)際頂升位移是具有一定可行性的。

2 結(jié)語

框架柱頂升置換施工屬風(fēng)險(xiǎn)性較大的施工工藝，需由頂升力和頂升位移雙重控制，并加強(qiáng)對(duì)位移和頂升力的監(jiān)測，若出現(xiàn)異常情況需分析原因，不能盲目施工。

頂升位移可根據(jù)理論計(jì)算結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，一般情況下，當(dāng)實(shí)測頂升力達(dá)到計(jì)算值時(shí)，框架柱置換頂升控制位移可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取計(jì)算值的0.7～1.3倍，當(dāng)實(shí)測位移與計(jì)算位移偏差超過此范圍時(shí)，須查找原因以保證施工安全。