鄒勇，孫瀟文，姚雷，楊若愚

（1 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016； 2 重慶大學 土木工程學院，重慶 400044；3 中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071）

0 引言

混凝土作為一種人造材料，在工程結(jié)構(gòu)中的運用已超過150 年，因混凝土具有原料來源廣、造價低廉、工藝簡單等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)中[1]。 近年來，我國經(jīng)濟實力增長顯著，工程技術(shù)進步飛速，有力推動了我國城市化的進程。 商品房建設(shè)的速度不斷加快，施工工期的縮短提高了經(jīng)濟效益，但也為工程質(zhì)量問題埋下隱患。高層住宅建筑中最常見的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而混凝土的質(zhì)量是高層建筑安全性的直接影響因素之一。

在新建工程施工過程中，由于管理不當、澆筑不規(guī)范等原因經(jīng)常會導致混凝土強度嚴重偏低或不密實、疏松、離析等質(zhì)量缺陷，進而使鋼筋混凝土柱的承載力低于正常使用要求值，需進行加固提高。 目前，針對高層建筑中框架柱混凝土出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的常用加固方案包括：增大截面加固法、置換混凝土加固法、外包型鋼加固法等。 當框架柱混凝土強度嚴重偏低，或者缺陷情況嚴重時，置換混凝土加固法是最優(yōu)解，可以清除質(zhì)量差的混凝土，且加固后不影響建筑后續(xù)使用，如不減少建筑使用面積，不增加建筑后續(xù)維護難度等。

考慮到高層住宅建筑中鋼筋混凝土柱的豎向內(nèi)力通常較大， 如何對框架柱中缺陷混凝土進行全截面一次性置換仍是一大難點。 本文提出了一種整體置換混凝土加固法，該方法在原框架柱旁新增托換鋼柱，由新增托換鋼柱作為臨時支撐承擔原框架柱的內(nèi)力， 保障高強無收縮灌漿料整體置換缺陷混凝土時的結(jié)構(gòu)安全性；施工過程中基于智能監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測加固中受影響構(gòu)件的內(nèi)力、變形等情況，以保證結(jié)構(gòu)安全。實踐證明，該方法加固效果良好，能夠作為類似工程加固設(shè)計及施工方案選取的參考。

1 工程概況

某新建高層住宅建筑地下層數(shù)為3 層， 地上層數(shù)為33 層， 標準層層高為3.00m，屋面結(jié)構(gòu)標高為98.90m，結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為6 度，抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類(丙類)，抗震等級為三級。 圖1 為標準層結(jié)構(gòu)平面布置示意圖。

圖1 標準層結(jié)構(gòu)平面布置示意圖（mm）

該工程開工時間為2019 年3 月，主體結(jié)構(gòu)封頂時間為2019 年11 月。 2019年12 月， 相關(guān)單位在對結(jié)構(gòu)實體進行常規(guī)檢測時， 發(fā)現(xiàn)該工程第12 層（+32.900m～+35.900m）(7)/(J)、(19)/(J)軸框架柱混凝土強度偏低。 隨后建設(shè)單位委托第三方機構(gòu)檢測框架柱的混凝土強度，上述2 根柱的鉆芯法檢測結(jié)果為：混凝土強度推定等級僅為C15，遠小于設(shè)計強度等級C45。

根據(jù)混凝土強度實測值，對該工程第12 層(7)/(J)、(19)/(J)軸框架柱的承載力進行驗算， 驗算結(jié)果表明上述2 根框架柱的承載力、軸壓比等不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，影響結(jié)構(gòu)安全，需盡快進行有效加固。

2 加固方法選擇

2.1 工程特點

該工程具有以下特點：

（1） 框架柱混凝土強度缺陷的問題暴露時，該在建建筑的主體結(jié)構(gòu)工程已結(jié)束；

（2） 現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，框架柱全截面混凝土強度較低的問題在層高范圍內(nèi)均存在（強度推定等級僅為C15）；

（3） 該工程為高層住宅建筑，加固施工的影響必須控制，工期應(yīng)盡量短，保證交付時間，施工后不能對建筑本身的功能和使用造成影響。

2.2 加固方法比選

目前，針對高層建筑中框架柱混凝土出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的常用加固方案包括增大截面加固法、置換混凝土加固法、外包型鋼加固法等。 不同方法適用范圍和優(yōu)缺點簡要列舉如下[2-3]：

（1） 增大截面加固法會壓縮建筑使用面積。 加固某樓層框架柱時，向上延伸一層、向下延伸至基礎(chǔ)頂面均屬于加固施工的影響范圍。 新舊混凝土之間因強度差異較大的問題，導致混凝土的彈性模量差異也較大，共同受力時會存在變形差的問題，難以實現(xiàn)良好的協(xié)同工作；

（2） 外粘型鋼加固法需采用結(jié)構(gòu)膠，存在耐久性（使用年限）問題。 加固某樓層框架柱時，向上延伸一層、向下延伸至基礎(chǔ)頂面均屬于加固施工的影響范圍，細節(jié)處理中，復雜的梁柱節(jié)點會帶來麻煩。 加固后構(gòu)件表面需設(shè)置較厚的保護層，否則鋼材容易出現(xiàn)銹蝕，對房屋后期裝飾裝修影響較大；

（3） 粘貼纖維復合材加固法需采用結(jié)構(gòu)膠，同樣存在耐久性（使用年限）問題。 加固提高的承載力大小的限制因素有二：一為受柱截面形狀，二為截面尺寸。 該方法是各種方法中提高承載力效果最不顯著的；

（4） 置換混凝土加固法可簡單分為兩種：分段（分批）置換混凝土加固法，一次性整體置換混凝土加固法。 兩種方法在置換施工前均應(yīng)采取有效的支撐措施，并且在施工前、施工中及完工后均需對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形進行監(jiān)測及控制；分段（分批）置換施工難度相對較小，支撐措施費用相對較低，但施工周期較長；一次性整體置換施工難度相對較大，支撐措施費用相對較高，但施工周期相對較短， 置換完成后構(gòu)件整體性相對較好。 當框架柱混凝土強度嚴重偏低，或者缺陷情況嚴重時，置換混凝土加固法是最優(yōu)解，可以徹底解決混凝土的質(zhì)量問題， 且加固后不影響建筑后續(xù)使用，如不減少建筑使用面積，不增加建筑后續(xù)維護難度等，負面影響較小。

經(jīng)過充分論證，結(jié)合該工程特點，從施工工期、加固費用、后續(xù)影響等方面進行綜合考慮，最終制定了一次性整體置換混凝土法的框架柱加固方案，對建筑存在的混凝土強度缺陷問題進行徹底解決。

3 混凝土置換加固設(shè)計

3.1 混凝土置換設(shè)計

考慮到該工程第12 層(7)/(J)、(19)/(J)軸框架柱的軸力較大，為保證置換方案的安全可靠，設(shè)計采用在原框架柱旁新增4 根托換鋼柱，由新增托換鋼柱作為臨時支撐承擔原框架柱的軸力，然后一次性整體置換原框架柱中的缺陷混凝土，置換材料采用高強無收縮灌漿料（Ⅳ類）。整體置換混凝土法加固框架柱大樣圖見圖2。該方法將原框架柱分為置換區(qū)、轉(zhuǎn)換區(qū)及保留區(qū)，置換區(qū)為原框架柱存在混凝土質(zhì)量缺陷的區(qū)域，轉(zhuǎn)換區(qū)為托換鋼柱上下柱頭與原框架柱搭接的區(qū)域 （用于將原框架柱中軸力轉(zhuǎn)換至托換鋼柱上），保留區(qū)為原框架柱上下兩端無需置換處理的區(qū)域。

圖2 整體置換混凝土法加固框架柱大樣圖

該方法的基本施工順序為：①施工托換鋼柱上下轉(zhuǎn)換柱頭（如植抗剪鋼筋、綁扎鋼筋、埋設(shè)錨板、澆筑混凝土等）； ②待上下轉(zhuǎn)換柱頭混凝土強度達到設(shè)計要求后，在原框架柱旁安裝托換鋼柱（鋼柱底部應(yīng)采用鋼楔頂緊，頂緊后將各鋼板焊牢）；③待托換鋼柱安裝完成并檢查合格后，鑿除原框架柱置換區(qū)的缺陷混凝土；④鋼筋修復、界面處理及支模，重新澆注混凝土（或高強灌漿料）；⑤拆除托換鋼柱及上下轉(zhuǎn)換柱頭應(yīng)在新澆筑混凝土強度達到設(shè)計要求后進行。

該方法采用高性能灌漿料（Ⅳ類）作為置換原缺陷混凝土的材料，主要由水泥基膠結(jié)材料、粗骨料、細骨料組成，澆筑后，3 天左右達到30～50MPa 的早強高強特點，自流動性良好，還具有收縮或膨脹極小的優(yōu)異性能，因此加固施工所需時長得以縮短。

3.2 臨時支撐設(shè)計

該工程為在建工程，發(fā)現(xiàn)問題時主體結(jié)構(gòu)剛封頂，此時該房屋內(nèi)部還未砌筑填充墻及進行裝修，故托換鋼柱設(shè)計時可不考慮使用荷載、墻體荷載及裝修荷載等；考慮到該工程置換加固施工的工期較短，故托換鋼柱設(shè)計時不考慮地震作用；置換施工過程中應(yīng)暫停置換框架柱上部樓層的施工作業(yè)，并嚴禁在受荷范圍內(nèi)堆載。 綜上，臨時支撐設(shè)計時僅考慮上部主體結(jié)構(gòu)的實際自重，荷載計算中選用基本組合值。

支撐方案部分，選用YJK 程序計算分析現(xiàn)有荷載下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，以此確定需置換的混凝土框架柱內(nèi)力。 臨時支撐設(shè)計包含托換鋼柱及上下轉(zhuǎn)換柱頭兩部分設(shè)計內(nèi)容。

3.2.1 托換鋼柱設(shè)計

根據(jù)內(nèi)力計算分析結(jié)果選用4 根托換鋼柱承擔置換框架柱的軸力，每根托換鋼柱承擔的軸力為750kN，設(shè)計選用200×200×10mm 方鋼管，鋼材型號為Q345B，驗算托換鋼柱的強度、長細比、穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定等參數(shù)，結(jié)果均符合規(guī)范要求。 鋼柱穿越上下層樓板時需先開洞，待鋼柱安裝到位后，樓板洞口應(yīng)填實固定鋼柱。

3.2.2 轉(zhuǎn)換柱頭設(shè)計

轉(zhuǎn)換柱頭的作用是將原框架柱中軸力轉(zhuǎn)換至托換鋼柱上，轉(zhuǎn)換柱頭與原框架柱之間存在新舊混凝土結(jié)合面，必須采取有效措施提高新舊混凝土結(jié)合面的抗剪性能，這是新舊混凝土工作協(xié)同性的基礎(chǔ)，保證剪力能在結(jié)合面上有效傳遞。

措施一：對轉(zhuǎn)換區(qū)原框架柱表面進行鑿毛處理，凹槽深度應(yīng)大于10mm。措施二：在結(jié)合面上布設(shè)抗剪筋，抗剪筋選用C14，間距為200mm， 呈梅花狀布置， 抗剪筋植入原框架柱的深度為150mm，新混凝土內(nèi)錨固長度為400mm；另外在上下柱頭底部、頂部原框架柱范圍內(nèi)設(shè)置穿柱鋼筋（兩個方向各3 道C25）。

轉(zhuǎn)換柱頭采用高強無收縮灌漿料（Ⅳ類）澆筑，待灌漿料強度達到40MPa 時，即可進行托換鋼柱的安裝施工。

4 混凝土置換施工技術(shù)要求

整體置換混凝土法加固施工流程圖見圖3， 施工過程中應(yīng)嚴格按以下技術(shù)要求進行控制。

圖3 整體置換混凝土法加固施工流程圖

（1） 現(xiàn)場勘查及復核

加固設(shè)計一般基于現(xiàn)存數(shù)據(jù)和現(xiàn)場檢測結(jié)果。 但由于一些結(jié)構(gòu)的不易觀察性，抽樣檢測也具有局限性，材料強度可能估測不準，結(jié)構(gòu)性能評估可能存在問題，相關(guān)單位需在加固施工前進行二次檢查，包括框架柱的軸線位置是否準確、缺陷混凝土的豎向長度等。 避免與設(shè)計數(shù)據(jù)不符的情況發(fā)生，如有問題，應(yīng)立即調(diào)整加固工程的設(shè)計。

（2） 卸載

置換施工過程中應(yīng)暫停置換框架柱上部樓層的施工作業(yè)，并嚴禁在受荷范圍內(nèi)堆載；同時對需置換處理框架柱周邊影響范圍內(nèi)的梁、板采用鋼管架進行支撐，以確保相鄰梁、板結(jié)構(gòu)的安全性。

（3） 架設(shè)托換鋼柱

轉(zhuǎn)換柱頭混凝土澆筑完成后， 待混凝土強度達到40MPa 時，才可進行托換鋼柱的安裝施工， 鋼柱的垂直度應(yīng)在允許范圍之內(nèi)；鋼柱所用材料的規(guī)格、厚度等應(yīng)符合設(shè)計及規(guī)范要求，鋼柱安裝完畢后應(yīng)及時進行檢查驗收；嚴禁在托換鋼柱未驗收合格的情況下進行混凝土剔鑿。 鋼柱穿越上下層樓板時需先開洞，待鋼柱安裝到位后，樓板洞口應(yīng)填實固定鋼柱。 鋼柱頂部應(yīng)與上部轉(zhuǎn)換柱頭內(nèi)預埋板M1 焊牢，底部采用鋼楔塊頂緊后，將鋼楔塊與柱腳底板、下部轉(zhuǎn)換柱頭內(nèi)預埋板M2 焊牢。 鋼柱拼接采用焊接，要求焊縫為全熔透類型，且為高于二級的焊縫質(zhì)量等級。

（4） 安裝監(jiān)測設(shè)備

混凝土置換施工前， 應(yīng)在相關(guān)構(gòu)件上安裝智能監(jiān)測系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測相關(guān)構(gòu)件的內(nèi)力、變形等，以便更好地指導加固施工，確保結(jié)構(gòu)安全。

（5） 鑿除缺陷混凝土

采用人工鑿除缺陷混凝土，可使用小功率電鎬，嚴禁使用重型設(shè)備。 剔鑿混凝土時，應(yīng)鑿除缺陷部位混凝土至密實部位，并保證保留邊界橫平、豎直，剔鑿完成后邊界面必須垂直于構(gòu)件表面。剔鑿混凝土時盡量不要損傷原有鋼筋。

（6） 鋼筋修復

混凝土剔鑿過程中應(yīng)注意對原有鋼筋進行保護，若縱筋出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，應(yīng)及時進行調(diào)直處理。 缺陷混凝土剔鑿完成后，應(yīng)按設(shè)計要求對置換區(qū)鋼筋進行重新調(diào)直、綁扎或增補，若原鋼筋出現(xiàn)損傷，應(yīng)采用相同規(guī)格鋼筋進行補強，步驟順序應(yīng)為：重新完成綁扎鋼筋工程，符合相關(guān)規(guī)范下驗收隱蔽工程，完成模板工程。

（7） 界面處理

新舊混凝土的界面應(yīng)有處理步驟，在置換區(qū)缺陷混凝土鑿除完成后，應(yīng)對原構(gòu)件保留區(qū)表面進行鑿毛處理（露出骨料新面或鑿成鋸齒狀），以增加混凝土結(jié)合面摩擦力及抗剪強度；鑿毛處理后，需使用加壓力的水槍將表面自由移動的顆粒清理干凈，進行表面處理；檢查鋼筋的銹蝕程度，對較嚴重的銹蝕及時去除。 應(yīng)按照設(shè)計及規(guī)范要求對上述結(jié)合面進行處理。

（8） 支模

支立架設(shè)模板的方案應(yīng)與實際情況符合，滿足堅固、穩(wěn)定、不漏漿的支模版要求。 沿模板高度方向應(yīng)均勻設(shè)置澆筑口，豎向間距不大于1.0m，澆筑口應(yīng)設(shè)置成喇叭形。

（9） 澆筑混凝土

置換混凝土采用具有出廠合格證明的高強無收縮水泥基灌漿料，經(jīng)過重復檢驗合格后方能使用。 混凝土應(yīng)分段澆搗密實，且混凝土澆筑口應(yīng)設(shè)置成凸出的楔形， 澆筑口應(yīng)高于原樓面300mm，澆筑混凝土時，為了新混凝土與上方柱子能保證較好粘接，達到無縫連接，第一步用混凝土澆滿澆筑口，待成形拆模后，剔鑿由于澆滿混凝土而凸出的一部分混凝土，使之與樓面齊平為止。 為了混凝土的密實度達標，混凝土澆筑中用手錘進行振搗，擊打模板外邊緣，澆筑和敲打同步進行。 按規(guī)范要求，澆筑時應(yīng)留置100×100×100mm 的正方體試塊，并進行同條件養(yǎng)護，直至達到設(shè)計強度要求。

（10） 拆模及養(yǎng)護

按施工技術(shù)方案，澆筑完的混凝土應(yīng)及時養(yǎng)護，結(jié)合相關(guān)規(guī)范的要求制定養(yǎng)護措施。 若采用高強無收縮灌漿料，拆模后，應(yīng)立即用塑料薄膜包裹構(gòu)件表面，然后澆水養(yǎng)護，以保證養(yǎng)護期內(nèi)構(gòu)件表面有充足的水分。

（11） 拆除臨時支撐

置換區(qū)混凝土抗壓強度達到設(shè)計值后，開始進行托換鋼柱拆除工程。 托換鋼柱應(yīng)分次拆除，每次僅能拆除1 根托換鋼柱；拆除過程中需用智能化監(jiān)測系統(tǒng)對構(gòu)件變形情況進行監(jiān)測，無異常情況后，才可拆除下一根托換鋼柱。 拆除上下轉(zhuǎn)換柱頭時不得損傷原框架柱的混凝土。

（12） 檢查與驗收

先按相關(guān)規(guī)范要求驗收隱蔽工程，再澆筑混凝土，記錄好相關(guān)檢查與驗收工作內(nèi)容。 結(jié)構(gòu)拆模后需進行構(gòu)件實體檢測（包含構(gòu)件截面尺寸、混凝土強度及密實性、外觀質(zhì)量、新舊混凝土交接處質(zhì)量等），新混凝土應(yīng)在澆筑質(zhì)量上把控嚴格，避免嚴重缺陷，應(yīng)控制尺寸偏差，不能影響結(jié)構(gòu)性能或建筑使用功能。 按照相關(guān)規(guī)范要求檢查時，質(zhì)量從外部觀察合格，新舊混凝土接觸界面具有不錯的粘結(jié)效果。

5 置換施工監(jiān)測

一次性全截面整體置換施工的難度較大且風險較高，因此在置換施工過程中， 必須做好受施工影響構(gòu)件的參數(shù)監(jiān)測工作，控制內(nèi)力大小，保證變形在限制范圍內(nèi)，以確保上部結(jié)構(gòu)安全。

針對該工程特點，擬采用智能監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，以便更好指導加固施工。 智能監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是收集監(jiān)測信息，其反饋數(shù)據(jù)具有實時、連續(xù)、高精度性的特性，且該自動化系統(tǒng)具有豐富的數(shù)據(jù)量，通過數(shù)據(jù)分析計算結(jié)構(gòu)變形，結(jié)合監(jiān)測信息評估結(jié)構(gòu)整體安全狀況，預警系統(tǒng)會在數(shù)據(jù)信息異常時及時上報[4]。工程中用到的傳感器是靜力水準儀，具有較高精度，依靠連通器原理工作，即不同點處的液體會因其豎向位置相對于其他點的變化而發(fā)生流動，總能形成一種平衡狀態(tài)。 因此，某一監(jiān)測點的沉降（即豎向位置變化） 數(shù)值改變后， 經(jīng)過基于某平衡狀態(tài)的液體交換，該監(jiān)測點的液體位置相應(yīng)變化，進而引起傳感器中的信號傳遞，最后針對該點的豎向位移進行計算[4]。

混凝土置換施工前，在上一層中確定置換加固構(gòu)件的對應(yīng)構(gòu)件，受置換施工影響，這些構(gòu)件可能產(chǎn)生的相對豎向位移可被靜力水準儀監(jiān)測獲取，因此，在拉開一段較遠的距離后，再布置兩個基準點（注意控制該點位置不受加固施工影響），用于監(jiān)測上部結(jié)構(gòu)；還應(yīng)在每根托換鋼柱上設(shè)置應(yīng)力傳感器，用于監(jiān)測托換鋼柱在置換過程中的受力情況。 置換施工過程中的異常情況應(yīng)小心避免，如若發(fā)現(xiàn)，應(yīng)立即停工并解決風險。

根據(jù)全過程監(jiān)測結(jié)果顯示，該工程置換施工過程中，相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向變形非常微小，且托換鋼柱內(nèi)的應(yīng)力在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，表明本文設(shè)計的臨時支撐方案（托換鋼柱）安全可靠。

6 結(jié)語

本文結(jié)合實際工程案例，詳細介紹了整體置換混凝土加固法在新建高層住宅建筑中的應(yīng)用，該方法具有以下特點：

（1） 整體置換混凝土加固法從本質(zhì)上解決了框架柱中存在的混凝土質(zhì)量缺陷問題，可靠性高，原有構(gòu)件在加固后保持尺寸基本不變，不影響建筑后續(xù)功能性、使用性要求及建筑效果；

（2） 托換鋼柱（臨時支撐）設(shè)計時可僅考慮上部主體結(jié)構(gòu)的實際自重，不考慮樓面活荷載，但須驗算所選托換鋼柱的關(guān)鍵指標，包括強度、長細比、穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定等。轉(zhuǎn)換柱頭與原框架柱之間存在的新舊混凝土結(jié)合面是內(nèi)力有效傳遞的關(guān)鍵， 必須采取有效措施提高新舊混凝土結(jié)合面的抗剪性能；

（3） 采用高性能灌漿料置換原缺陷混凝土， 其具有3 天左右達到30～50MPa 的早強高強特點，自流動性良好，還具有收縮或膨脹極小的優(yōu)異性能，因此加固施工所需時長得以縮短；

（4） 整體置換施工的難度大且風險高， 置換施工過程中應(yīng)采用高精度實時自動智能監(jiān)測系統(tǒng)對相關(guān)構(gòu)件的內(nèi)力、 變形等進行實時監(jiān)測，以更好地指導加固施工，確保上部結(jié)構(gòu)安全。

該工程已完成置換施工，交付使用的結(jié)果顯示加固效果良好，能夠作為類似工程加固設(shè)計及施工方案選取的參考。