李明蕾，楊志剛, 李曉霞, 孫長(zhǎng)征

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.淄博職業(yè)學(xué)院 人工智能與大數(shù)據(jù)學(xué)院，山東 淄博255012；3.山東同科建筑科技有限公司, 山東 濟(jì)南250101)

中國(guó)建筑業(yè)經(jīng)過(guò)近30年的粗放式發(fā)展，已逐步由高速發(fā)展進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，目前中國(guó)房屋建筑的平均壽命約為25～30年，且大量老舊建筑和工業(yè)建筑已不能滿足改造后的功能需求，在國(guó)家倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的大背景下，又不能大拆大建；因此，從可持續(xù)發(fā)展角度，建筑行業(yè)發(fā)展應(yīng)由大量新建轉(zhuǎn)變?yōu)榫S修與加固改造為主，盡量延長(zhǎng)建筑的使用壽命。目前建筑物的維修、改造和加固技術(shù)的研究已成成為工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

在既有建筑的維修、加固改造技術(shù)中，混凝土置換是一種不影響原構(gòu)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(shí)也存在較大風(fēng)險(xiǎn)[2]，尤其是地下車(chē)庫(kù)框架柱的置換，由于上部覆土較厚，施工安全風(fēng)險(xiǎn)更高。置換施工通常需借助于頂升托換技術(shù)，常用的托換技術(shù)有預(yù)應(yīng)力托換、混凝土抱柱梁托換、全鋼支撐托換等[3]。預(yù)應(yīng)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(jié)點(diǎn)處理比較復(fù)雜，焊接質(zhì)量要求較高，存在潛在的危險(xiǎn)因素，因此應(yīng)用不多?；炷帘е和蠐Q施工成本較高，工期長(zhǎng)，但施工安全可靠，應(yīng)用范圍較廣。頂升托換時(shí)的關(guān)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(duì)置換過(guò)程中的位移變化進(jìn)行了分析，對(duì)頂升的控制位移值范圍提供了建議[3]，由于推薦的數(shù)值范圍較大，對(duì)施工的參考性不強(qiáng)。本文以某地下車(chē)庫(kù)大量柱頂出現(xiàn)劈裂事故為例，結(jié)合其出現(xiàn)事故的原因進(jìn)行分析，提出了新的置換施工技術(shù)和工藝，降低了施工成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，減少了工期，能夠?yàn)橐院箢?lèi)似的項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

淄博某住宅樓地下車(chē)庫(kù)為地下一層，建筑面積5萬(wàn)m2，層高3.80 m，基礎(chǔ)形式為：墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)、柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)+抗水板。設(shè)計(jì)要求普通混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為基礎(chǔ)墊層C15；基礎(chǔ)C35；上部柱、梁、板、擋土墻結(jié)構(gòu)C35，該車(chē)庫(kù)頂樓面覆土厚1.80 m，覆土容重18 kN/m3,車(chē)庫(kù)頂面為種植屋面，活荷載4.00 kN/m2。

車(chē)庫(kù)主體施工過(guò)程中，施工單位為趕工期，減少支模和養(yǎng)護(hù)時(shí)間，在征求業(yè)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(shí)際澆筑施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，梁柱節(jié)點(diǎn)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(dòng)性強(qiáng)的自密實(shí)混凝土，強(qiáng)度變?yōu)镃40，梁板仍按原設(shè)計(jì)C35普通混凝土。該車(chē)庫(kù)主體結(jié)構(gòu)于2018年10月至11月施工完畢，2019年3月車(chē)庫(kù)頂覆土開(kāi)始陸續(xù)施工，推土機(jī)、自卸汽車(chē)陸續(xù)在車(chē)庫(kù)頂板工作，后發(fā)現(xiàn)車(chē)庫(kù)部分混凝土框架柱出現(xiàn)凝土壓潰、劈裂，主筋壓彎、變形嚴(yán)重等質(zhì)量問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)做了緊急支撐處理，如圖1所示，大量柱表面出現(xiàn)不規(guī)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(cè)鑒定及原因分析

2.1 檢測(cè)與鑒定

鑒定檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)車(chē)庫(kù)完成了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、確認(rèn)了結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)件截面尺寸、用鋼筋定位儀查看鋼筋配置數(shù)量和間距，檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，用回彈法和鉆芯法檢測(cè)了混凝土抗壓強(qiáng)度，以及用全站儀測(cè)量柱壓彎變形等其他內(nèi)容?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)損傷柱110棵，集中分布在車(chē)庫(kù)南側(cè)區(qū)域，柱外觀顏色不一，上部為淺灰色，存不規(guī)則裂縫或壓碎鼓出；下部為深灰色，存在蜂窩麻面現(xiàn)象，所有柱表面出現(xiàn)明顯的分層。鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)，上層、中層芯樣均無(wú)粗骨料、上層重量輕，中層易折斷，下層與正常芯樣無(wú)異，按民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)(GB 50292—2015)規(guī)定，25棵嚴(yán)重?fù)p傷的框架柱安全性等級(jí)評(píng)為du級(jí)，其安全性極不符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)au級(jí)的要求，已嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)au級(jí)的要求，其安全性等級(jí)評(píng)為cu級(jí)，應(yīng)采取加固措施。主要檢測(cè)鑒定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 檢測(cè)結(jié)果

另外檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，該車(chē)庫(kù)與損傷框架柱相連的部分框架梁底部有框架柱流淌過(guò)來(lái)的浮漿層，該浮漿層與上部普通混凝土黏結(jié)力較差，導(dǎo)致浮漿層出現(xiàn)空鼓、脫落現(xiàn)象，致使梁底鋼筋保護(hù)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(jí)評(píng)為cu級(jí)，即安全性不符合本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)au級(jí)的要求，顯著影響承載力，應(yīng)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(shí)混凝土材料是否具有高流動(dòng)性和良好的穩(wěn)定性，經(jīng)調(diào)查，本次受損柱的混凝土均由同一商品混凝土供應(yīng)商提供，相關(guān)的試驗(yàn)證明材料完整，且其他相同批次的區(qū)域未出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，所以可排除材料方面的原因。

其次，該工程框架柱出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題主要表現(xiàn)為澆筑后混凝土出現(xiàn)了嚴(yán)重不均勻現(xiàn)象，出現(xiàn)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(wú)粗骨料，外觀類(lèi)似加氣混凝土，質(zhì)量輕，回彈強(qiáng)度較低，強(qiáng)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(wú)粗骨料，回彈強(qiáng)度高，但抗折強(qiáng)度極低，取出的芯樣很容易折斷，下層為混凝土層，表面出現(xiàn)許多不規(guī)則裂縫。經(jīng)查閱施工日志，本次受損柱的施工大部分由同一個(gè)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?xí)r普遍未使用溜槽等工具。

因此,出現(xiàn)質(zhì)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(jīng)技術(shù)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(xì)骨料和漿液上浮；柱頂強(qiáng)度過(guò)低而造成受壓破壞。

2)南側(cè)車(chē)庫(kù)頂板堆土過(guò)于集中，未及時(shí)攤平，施工機(jī)械過(guò)早到頂板施工，在強(qiáng)度未完全達(dá)到時(shí)，過(guò)大負(fù)載造成框架柱受壓破壞。

3)施工時(shí)氣溫低，養(yǎng)護(hù)條件達(dá)不到要求，致使柱表面出現(xiàn)微裂縫。

4)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)還發(fā)現(xiàn)，柱頂出現(xiàn)質(zhì)量事故后，現(xiàn)場(chǎng)頂板的覆土施工仍在繼續(xù)，更加劇了柱頂?shù)钠茐摹?/p>

5)框架梁的質(zhì)量問(wèn)題主要是框架柱流淌過(guò)去的混凝土脫落而導(dǎo)致鋼筋外露。

3 加固設(shè)計(jì)方案

常見(jiàn)的加固設(shè)計(jì)方案對(duì)比見(jiàn)表2。本項(xiàng)目110顆框架柱的損傷特點(diǎn)具有共性，即上柱部分強(qiáng)度過(guò)低或壓碎，其余部位或強(qiáng)度不足，或存在裂縫，經(jīng)甲方、監(jiān)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(shè)計(jì)方案五。

表2 加固設(shè)計(jì)方案對(duì)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(jìn)行修補(bǔ)。強(qiáng)度檢測(cè)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(guī)加固方法，施工工藝比較成熟，本文不再贅述，本文重點(diǎn)討論柱頂置換的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。置換施工前要求停止頂板車(chē)輛和人員活動(dòng)，由于柱頂已破壞嚴(yán)重，且覆土已經(jīng)基本完成，難以大面積的清除上部覆土，現(xiàn)場(chǎng)只能帶負(fù)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(duì)應(yīng)A的框架梁長(zhǎng)度。代入后得到P=2 100 kN。

由于上部荷載較大，且柱頂已經(jīng)產(chǎn)生下?lián)献冃?，如何將梁板頂升至原設(shè)計(jì)標(biāo)高，安全卸載后置換是施工成功與否的關(guān)鍵[5]。本項(xiàng)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(shè)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(shè)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(jiān)測(cè)方案：為掌握鋼支撐柱和混凝土置換柱在頂升過(guò)程中的變形情況，本工程進(jìn)行了實(shí)時(shí)施工監(jiān)測(cè)，在4根鋼柱中間粘貼應(yīng)變片，在相同材料表面粘貼溫度補(bǔ)償應(yīng)變片以消除溫度影響。在四周梁端底面放置4個(gè)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(chǎn)生8 mm變形，頂升過(guò)程中根據(jù)變形差判斷頂升位移。放置2臺(tái)全站儀，觀測(cè)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(chē)庫(kù)地面為已經(jīng)完成的剛性地面，強(qiáng)度較低,若地面承載力按180 kPa計(jì)算，每個(gè)柱腳底板面積約需要1 m2，不僅費(fèi)工廢料，且由于地面不均勻，若其中一個(gè)因?yàn)槌料萃顺龉ぷ鳎瑒?shì)必引起其他支撐構(gòu)件的破壞。為保證施工安全，加強(qiáng)支座整體性，設(shè)計(jì)采用HW400*400*13*21 H型鋼制作長(zhǎng)條形支座，為防止支座滑動(dòng)，采用M12錨栓與地面固定。利用有限元分析軟件MIDAS GEN 對(duì)型鋼支座與地面的接觸壓力按彈性地基梁法進(jìn)行了力學(xué)分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖 梁支座的最大應(yīng)力為25.8 MPa,支座給地面的最大壓力出現(xiàn)在支座端部，折算壓力為147 kPa，能保證地面安全。

4 置換監(jiān)測(cè)及施工要點(diǎn)

4.1 梁頂升恢復(fù)變形

以ZHZ6為例，用千斤頂按頂升方案中設(shè)定的分段數(shù)值依次進(jìn)行加載，加載應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行，同時(shí)記錄各階段百分表讀數(shù)，每階段加載至設(shè)定載荷時(shí)，保持加載值維持5 min，觀測(cè)梁變形和支撐穩(wěn)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(hào)至4號(hào)分別指柱四周框架梁梁端編號(hào)，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(guān)系，符合基本的力學(xué)變化規(guī)律。

2)頂升加載初期，梁端未出現(xiàn)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(yù)頂緊產(chǎn)生的壓緊變形，因此頂升施工前應(yīng)施加預(yù)頂力。

3)實(shí)際頂升力還未達(dá)到計(jì)算頂升力，大約為計(jì)算頂升力的0.6倍時(shí)，百分表指針開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，梁端開(kāi)現(xiàn)變形。

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

5)當(dāng)梁端頂升位移達(dá)到7 ～8 mm時(shí)，梁端恢復(fù)到原位置，結(jié)束頂升，此時(shí)頂升力約為計(jì)算頂升荷載的0.9～1.05倍。

4.2 鑿除混凝土柱監(jiān)測(cè)及分析

頂升卸載施工完畢后開(kāi)始人工鑿除和置換，共分四批依次進(jìn)行，每次沿鑿除1/4柱截面，完成一次鑿除后對(duì)鋼柱應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)行下一次監(jiān)測(cè)前將應(yīng)變儀調(diào)零[8]，測(cè)得的鋼柱應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 支撐鋼柱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

由表3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，混凝土柱卸載后的在鑿除過(guò)程中，鋼柱支撐的應(yīng)力變化逐漸變小，應(yīng)力值未出現(xiàn)較大波動(dòng)，說(shuō)明已經(jīng)成功卸載。

4.3 加固柱施工流程

為確保工程安全，對(duì)初始加固的框架柱周邊樓板進(jìn)行滿堂腳手架支撐，腳手架鋼管型號(hào)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(guò)可調(diào)節(jié)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(diǎn)

剔除被置換的混凝土?xí)r，應(yīng)采用電動(dòng)機(jī)械設(shè)備結(jié)合人工剔除的方法，嚴(yán)禁采用風(fēng)鎬及重錘夯擊，并應(yīng)避免損傷鋼筋。剔除范圍應(yīng)在達(dá)到缺陷邊沿后，再向邊沿外擴(kuò)不小于50 mm。新舊混凝土接觸面應(yīng)鑿毛，并用鋼絲刷等工具清除原構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)上部覆土比較重，為確保施工安全，現(xiàn)場(chǎng)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(xiàng)附加安全處理措施，如圖7、圖8所示。施工時(shí)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(fā)生劈裂破壞，鋼柱下部放置150*150*20鋼墊板，頂緊四周后開(kāi)始剔鑿內(nèi)部混凝土，如此可把梁上的荷載通過(guò)鋼柱傳給下部柱，避免梁懸空下垂的風(fēng)險(xiǎn)。在澆筑混凝土前，將縱筋與鋼柱焊接，表面涂刷一層結(jié)構(gòu)膠后支模澆筑。

圖7 鋼柱替換示意圖

圖8 鋼柱替換現(xiàn)場(chǎng)圖

5 施工效果

本項(xiàng)目地下車(chē)庫(kù)柱頂置換施工整體進(jìn)展順利，施工中未出現(xiàn)任何安全事故。本方案的單柱置換施工成本與傳統(tǒng)抱柱梁置換成本對(duì)比見(jiàn)表4。從表4可以看出，雖然本方案的支撐卸載工藝費(fèi)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(jié)約了20%。當(dāng)置換柱數(shù)量較多時(shí)，支撐鋼柱可循環(huán)使用，亦能降低施工成本。

表4 施工成本對(duì)比表

鑿除混凝土柱頭時(shí)，本方案采用邊剔鑿邊支撐的方式比傳統(tǒng)的分段剔鑿分段澆筑節(jié)省了養(yǎng)護(hù)時(shí)間，減掉抱柱梁的植筋、澆筑工序后更加快了施工進(jìn)度，原計(jì)劃50 d的工期，實(shí)際用時(shí)35 d，節(jié)省了28%的工期。柱頂置換完成后，未影響原結(jié)構(gòu)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(jié)論

1)混凝土強(qiáng)度過(guò)低的混凝土柱僅局部高度需要置換時(shí)，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(jīng)濟(jì)，社會(huì)效益顯著。

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

3)現(xiàn)場(chǎng)條件不允許鋼支撐下部設(shè)置混凝土基礎(chǔ)時(shí)，可采用大尺寸型鋼梁作為條基。

4)該技術(shù)方案較傳統(tǒng)置換技術(shù)能節(jié)省28%工期，降低20%的成本。