某框支层梁柱节点施工空洞缺陷的原因分析及加固处理

林锋

（重庆市设计院，重庆 400015）

1 工程概况

重庆渝中区某高层转换层住宅楼，地下1层，地上31层，地面以上主体结构高度103.9m，为大底盘双塔部分框支剪立墙结构，在地上5层设置梁式转换层。结构的抗震等级：框支架二级，框支柱及落地剪力墙底部加强区一级，其它部位剪立墙三级。

在结构分步验收中，发现转换层的部分框支柱顶节点处外观蜂窝麻面，缺陷处位于柱顶施工缝处。考虑其位置的关键性，要求施工单位会同建设方和监理方采用钻孔及局部剔打对其检查。经检查发现，部分框支柱顶节点内有大面积空洞。转换层位于7.500m标高，转换层平面见图1。此时该工程塔楼一已施工至转换层以上9层（35.50m标高），塔楼二已施工至转换层以上10层（38.50m标高）。需对结构现状安全性进行评估，并进行加固处理。

2 现场调查

鉴于转换层梁柱节点钢筋密集，采用超声波等常规检测手段难以对其进行检测；梁柱节点的缺陷检查采用局部踢打后针孔摄像头可视化检查为主。按节点钢筋的密集程度，对转换层的梁柱节点进行分类：一类，柱顶梁的纵筋较少，混凝土浇筑容易，则仅采用钻孔的方法进行探测；二类，柱顶一方向梁纵筋较多，另一方向梁纵筋偏少，在柱的一侧的施工缝位置剔打检查孔（宽×高×深=200×400×500mm）；三类，柱顶梁的纵筋均较多，在经复算前提下，四侧均剔打检查孔。

经现场检查，共有8个梁柱节点存在不同程度的空洞，较典型的几个如图2。

图2 梁柱节点典型空洞缺陷示意图

空洞位置均位于梁底钢筋以下的梁柱节点的柱刚域内。空洞高度为5～15mm。

3 原因分析

该转换层分两次施工，在框支节点下部的框支柱顶位置设置一道施工缝。首次施工框支柱至节点下口，待转换层梁板钢筋施工后再进行梁板的混凝土浇筑。

结合现场检查情况，节点形成空洞的主要原因是钢筋在柱顶交错密集，浇筑时混凝土无法顺利下落，造成在施工缝与梁钢筋层间形成空洞。施工单位的两项明显失误造成钢筋交错过于密集。此两项失误如下。

（1）转换梁的钢筋在设计时，为了保证钢筋贯通通过节点，纵筋采用统一直径，且要求梁底筋出节点后机械连接；现场施工时，未按设计要求贯通设置梁底纵筋，而是所有梁底筋在节点处锚入柱内。

（2）转换梁纵筋分排钢筋间未设计支垫或支垫不善，造成分排钢筋完全贴紧，进一步减小钢筋间间隙。

由此造成节点处钢筋过于密集，未采取专门的混凝土浇筑措施，导致混凝土在梁底钢筋层上部堆积，无法达到柱顶施工缝与转换梁底筋之间的区域，形成空洞。

4 现状安全性评估

现状：转换层位于7.500m标高，此时该工程塔楼一已施工至转换层以上9层（35.50m标高），塔楼二已施工至转换层以上10层（38.50m标高）。结构尚处于主体结构施工阶段，梁、板、柱、剪立墙已施工，地坪层、填充墙及设备安装均未施工。现工程完全停工，顶层堆积部分建筑材料，同时其下一层设钢管支撑及模板体系。对其施工现状进行安全性评估，以验算是否需要在转换层上下若干层满层脚手架，确保施工现状的安全。

4.1 荷载

验算采用的荷载如下。

（1）恒荷载，楼板面荷载仅考虑混凝土板重，不考虑墙体线荷载。顶层堆载按标准层的单位用钢量(0.4kN/m2)用于其下一层的楼板上。钢管支撑及模板的荷载按1.5kN/m2。

（2）活荷载，目前现场已完全停工，不考虑施工人员活荷载。顶层堆载，其下一层的钢管支撑及模板的荷载作为恒荷载考虑。

（3）地震作用不考虑。

（4）风荷载，因建筑仅为镂空主体结构，因此风荷载体形系数取1.0，同时风荷载临时处理阶段的作用按10年一遇的基本风压进行计算，0.25 kN/m2。

4.2 荷载组合

承载力极限状态下的基本组合，采用永久荷载控制的组合。

采用PKPM系列软件的SATWE进行计算，计算时的主要结构计算参数：混凝土容重取25 kN/m3，不考虑地震作用下对框支柱内力的放大，荷载组合中γG＝1.35，风荷载的γL＝1.4，φL＝0.6。

选取较典型的L×④轴柱阐明计算过程，见图3。

图3 轴柱计算过程

柱的混凝土强度等级50。

经过计算得柱顶内力（单位：轴力和剪力为 kN，弯矩为kN·m）：

荷载工况：Axial SHEAR-X SHEAR-Y MX-BTM MYBTM MX-TOP MY-TOP

X向风力：8.0,-5.9,-2.1,5.4,-13.2,10.6,31.0

Y向风力：3.6,-0.2,-4.7,8.8,2.4 26.4,3.6

恒载作用：-3943.6,-6.0,-25.1,40.2,-3.7,148.4,41.3

剪力、弯矩值很小，可忽略不计，起控制作用的为轴向压力N=3944kN。

4.3 节点承载力验算

节点的竖向受压承载力验算：

[N]=[N1]+[N2]

节点的承载力考虑混凝土和柱纵筋的受压承载力之和。

混凝土的受压承载力，因节点处空洞面积较大，无法形成三向压力，偏安全的采用素混凝土受压承载力计算。按《混凝土结构设计规范》GB50010-2002[1]附录A的公式A.2.1-1。

[N1]=φfccA'c=1.00×0.85×23.1×(1200×1200－600×600)=2.12×107N=2.12×104kN

计算长度l0取0.5m，l0/b＜4，φ=1.00，fcc=0.85fc。

钢筋的受压承载力，忽略箍筋及混凝土对钢筋的支承作用，高度取节点空洞的高度0.5m，钢筋上下支承按嵌固考虑。

因此，现状结构在未施工隔墙及楼面地坪面层情况下，仅考虑施工阶段的支撑模板及施工荷载，结构是安全的。

5 加固处理方案

有缺陷的梁、柱节点采用混凝土脱换的方法，转换梁用临时支柱支撑，临时支柱通过柱侧植筋附于原结构框支柱上或直接支承于下部梁上，之后按规定顺序凿掉有缺陷的混凝土，采用高压灌浆法浇筑细石混凝土进行修补，待修补混凝土达到设计要求后，再采用密封空腔灌注法通过预先埋设的注入口对梁柱节点补浇中可能形成的孔洞内注入 “GROUT胶”，待灌注胶固化后，拆除两边支柱。见图4-图5。

图4 加固方案示意图

图5 剖面示意图

5.1 加固措施的验算

5.1.1 验算加固用临时支柱Z1、Z2承载力

临时支柱的截面按四方向转换梁的最大剪力确定，同时结合施工的便利。

考虑施工便利临时短柱截面取500×600mm，混凝土强度C40，其受压承载力取1.5Vmax=1600×1.5＝2400kN，按配筋率0.8%设置纵向钢筋，箍筋全高加密。

5.1.2 验算临时短柱与框支柱的传力

临时支柱的竖向力通过框支柱上植筋，传力至框支柱下部。植筋数量的计算，参考混凝土规范[1]预埋件的计算方法。参照规范，多排钢筋时

5.1.3 验算剔打后临时支柱与挖空柱共同受力的承载能力

开凿D1后，临时短柱+挖空柱应能承受上部的轴向压力。

[N]=[N1]+[N2]+[N3]

节点的承载力考虑柱内剩余素混凝土、柱纵筋和临时短柱的受压承载力之和。

[N1]=φfccA'c=1.00×0.85×23.1×(1200×1200－600×600－400×300)=1.88×107N=1.88×104kN

[N2]=4.88×103kN

[N3]＝2.4×103kN

[N]=[N1]+[N2]+[N3]=2.61×104kN＞3944kN

因此采用设计的支撑加固方案是安全可行的。

5.2 加固施工步骤

5.2.1 灌注临时支柱Z1、Z2，截面采用验算结果

（1）凿掉临时支柱对应位置转换梁底的混凝土保护层，凿除深度以梁底第一排纵筋一半外露为准。凿掉临时支柱对应位置框支柱的混凝土保护层，凿除深度以柱纵筋一半外露为准。

（2）框支柱上植筋，柱两侧植筋交错排列，避免同一截面削弱过多。植筋按根数计算。

（3） Z1、Z2纵筋弯折后（弯折水平段不小于10d），将钢筋顶部水平段定位于KZL-21梁底第一排纵筋之间，按附图配筋绑扎Z1、Z2钢筋。

（4）用钢丝刷加高压净水清洗混凝土的结合表面，并使其充分湿润，用环氧树脂水泥分两次涂刷混凝土的结合面，见表1。

（5）采用压力灌浆法浇筑C50细石混凝土，并在混凝土中添加15%的UEA－H微膨胀剂，为便于混凝土的浇筑，必要时可在楼板上打洞，从上口浇筑混凝土。

表1 环氧树脂水泥参考配合比（重量比）

5.2.2 待Z1、Z2满足设计要求，凿除节点有缺陷混凝土并进行修补

（1）在框支柱未设临时短柱的两侧，转换梁下方凿一个宽×高＝1/3框支柱宽×500mm的洞口 （代号D1），D1贯通框支柱。

（2）清除浮块并清洁混凝土和钢筋表面，预埋注入“GROUT胶”所需的注入管和排气管。采用压力灌浆法向D1及其上方浇筑C50细石混凝土，混凝土中添加15%的UEA－H微膨胀剂，浇筑完成后应加强养护。

（3）采用密封空腔灌注法，通过预先埋设的注入口对梁柱节点补浇中可能形成的孔洞内压力注入“GROUT胶”。

（4） 待灌注胶固化后，采用相同方法分步置换D2、D3区域。

待加固完成并达设计要求后拆除临时支柱Z1、Z2。

6 加固工程质量的检验

加固施工时，采取的压力灌浆的施工方式，采用低位压力注入，高位排气孔出浆，确保孔洞内压力灌注细石混凝土浇筑密实。

同时在养护期间，节点周边浇水全湿润环境对混凝土进行养护。

加强加固节点的观测，采用节点外贴玻璃条的方式，密切观测节点处的变形情况；同时在住宅楼层向上施工期间及工程竣工后加强沉降观测。经检测未发现节点变形导致所贴玻璃条破裂的情况，也进一步证明加固节点的可靠性。

7 结论及建议

（1）该工程框支层梁柱节点钢筋过于密集，在采用超声波手段无法检测的情况下，局部剔打后，采用针孔摄像头进行可视化检测节点缺陷是可行且有效的。

（2）采用设置短柱支撑后，剔除缺陷区域，压力浇筑细石混凝土的加固方式，能保证工程的施工安全，加固后的节点混凝土密实。

（3）该工程竣工投入使用已7年有余，且期间经汶川地震，整体结构性能良好。

（4）对转换层的框支梁柱节点，由于钢筋过于密集，应采取有效措施确保混凝土浇筑密实，如梁钢筋尽量贯通，混凝土采用细石混凝土等措施。

[1]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.