严重缺陷框架柱的置换补强技术

1 工程概况

衢州融金广场是一幢地下2层、地上5层的长方形钢筋混凝土框架结构建筑物,其南北长98 m,东西宽42 m,建筑物檐高22 m,单体总建筑面积31 000 m2。该建筑1F层高为5.10 m,2F层高为4.60 m,3F～5F层高均为3.9 m。该楼地下室-1F(楼面标高-4.80 m)和-2F(底板面标高-8.7 m)分别用作地下商场和车库、设备用房,地上5层均用于商业办公。

2 事故原因分析

2010年8月5日,该工程主体结构施工至4层梁板时,发现1层/⑥轴部位的混凝土框架柱(以下简称“该柱”)四周出现很多贯通裂纹(图1),凿除该柱表面刻意粉饰的砂浆层后发现其内部混凝土非常疏松。经查该柱浇筑时间为2010年6月12日上午,截面尺寸为650 mm×650 mm。同年8月7日经浙江省建筑物安全鉴定检测中心对该柱采用回弹加钻芯取样修正的方法全面检测后,推定该柱除了2层梁底以下1 200 mm长度范围的混凝土强度满足设计要求外,1层楼板面(结构标高-0.05 m)以上长约3 100 mm范围内的混凝土由于浇捣过程中冲洗泵管,大量的水流入该柱模板内,导致该柱下部浆体严重流失,其抗压强度推定值仅为12.0 MPa左右,远远低于该柱的设计强度值C40,因此随着上部荷载的不断增加,该柱混凝土的抗压强度已经达到临界值,致使该柱表面出现爆裂现象,若不及时处理后果不堪设想。

图1 柱支撑平面图

3 一层超低强度混凝土框架柱置换方案设计

3.1 处理原则

1)在该柱超低强度混凝土段未妥善置换之前,暂停该柱所在施工段的一切施工活动。

2)由于在发现该柱存在严重的质量问题时，4层梁板混凝土(结构面标高13.55 m)已经浇捣完成,且5层梁板支模架已搭好,所以该柱所承受的上部荷载较大。能否顺利实现超低强度混凝土框架柱置换的重点和难点是安全卸载工作[1],即在该柱置换的过程中应避免将其上部荷载传递到其下部水平构件上。

4)经综合考虑并结合施工现场实际情况,决定采用应变较小的刚性支撑系统将该柱缺陷段的上部荷载传递到其下部,利用1F缺陷框架柱上段完好部分(L=1 000 mm)和同部位-1F框架柱顶部作为传力结构,即采用严重缺陷框架柱上、下两端完好的框架柱外包现浇钢筋混凝土柱墩,并在上、下柱墩的4个角设立4根钢筋混凝土小柱作为支撑体系,同时在1F楼板上凿出400 mm×400 mm洞口以便300 mm×300 mm的小柱从中穿过直达-1F,从而使该缺陷柱上部的荷载通过该支撑体系完全传递到-1F框架柱上(图2),继而通过-1F框架柱传递至-2F框架柱独立承台基础上。

5)待支撑体系的混凝土强度达到设计要求后,即可凿除该柱缺陷段混凝土,然后再用比原设计强度高一级的混凝土(C45)重新浇筑。在该柱新浇筑的混凝土强度达到设计要求后,再将支撑体系拆除。

图2 柱支撑结构图

3.2 支撑体系方案

1)支撑体系采用强度等级为C30的商品混凝土浇筑。

2)为满足设计规范要求的承载力,经计算复核后确定上、下柱墩尺寸均为1 450 mm×1 450 mm×900 mm,柱墩内主筋采用HRB335级钢筋20Φ16双向闭合,水平箍筋采用Φ8@100。为增强柱墩与框架柱的握裹力,在柱墩与框架柱接触面的四周分别植入3排HRB335级3Φ16带肋钢筋[1],植入框架柱深度为160 mm,外露100 mm(图3)。

3)上、下柱墩之间4个角各设300mm×300mm4个支撑小柱,支撑小柱应从1F楼面预凿的400 mm×400 mm洞口中心穿过,柱内主筋采用HRB335级钢筋8Φ16,箍筋Φ8@150(图2)。

3.3 该柱缺陷段上部荷载计算[3]

3.3.1 2层结构梁、板荷载计算

2层楼板厚B=110 mm；⑤～⑦/轴KL1和⑥/～轴KL2截面尺寸均为350 mm×800 mm；⑥/～轴KL3截面尺寸为350 mm×700 mm。支模架施工荷载取2 kN/m2。

由图1知B1、B4楼板荷载传递至KL1再传递至该柱荷载为：

N1=(1.2×0.11×11/2×25+1.4×2×11/2)×18/2=301.95 kN

同理求得B2、B3楼板荷载传递至KL1再传递至该柱荷载为：N2=190 kN

KL1、KL2、KL3自重对该柱荷载为：

N3=(0.35×0.8×18/2+0.35×0.8×11/2+0.35×0.7×6.92/2)×25=122.69 kN

则2层结构梁板荷载值共为：N1+N2+N3=614.64 kN

3.3.2 3层和4层结构梁、板荷载计算

3层和4层结构相同,楼板厚B=110 mm；⑤～⑦/轴KL1和⑥/～轴KL2截面尺寸均为350 mm×750 mm；⑥/～轴KL3截面尺寸为350 mm×700 mm。支模架施工荷载取2 kN/m2。

由图1知B1、B4楼板荷载传递至KL1再传递至该柱荷载为：

N1=(1.2×0.11×11/2×25+1.4×2×11/2)×

18/2=301.95 kN

同理求得B2、B3楼板荷载传递至KL1再传递至该柱荷载为：N2=190 kN

KL1、KL2、KL3自重对该柱荷载为：

N3=(0.35×0.75×18/2+0.35×0.75×

11/2+0.35×0.7×6.92/2)×25=116.35 kN

则3层和4层结构梁板荷载值共为：(N1+N2+N3)×2=1 216.6 kN

3.3.3 5层梁板柱支模架施工荷载

同上,支模架施工荷载取2 kN/m2。

1.4×2×(11+6.92)/2×(9+9)/2=225.8 kN

3.3.4 首层缺陷框架柱上部柱墩和2层及3层 框架柱自重

[1.45×1.45×0.90+0.60×0.60×(4.60+3.90)]m3×25 kN/m3=123.8 kN

综上所述,首层缺陷框架柱所承受的上部荷载总共为：

614.64+1 216.6+225.8+123.8=2 180.84 kN。

3.4 支撑体系方案可靠性复核[2]

3.4.1 计算支撑柱和钢筋截面面积

3.4.2 求稳定性系数φ

根据支撑柱受力情况,取ψ=1.25,则l0=ψH=1.25×4 800=6 000 mm,

l0/b=6 000/300=20,查表得：φ=0.75。

3.4.3 复核支撑柱正截面受压承载力

由于支撑柱断面尺寸为300 mm,

4个支撑柱正截面受压承载力共为：1 020.7 kN×4=4 082.8 kN>2 371.2 kN

因此该支撑体系方案安全可靠。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

施工工艺流程如下：与柱墩接触柱面凿毛→化学植筋→支撑体系浇筑C30混凝土→混凝土养护→凿除该柱超低强度混凝土→浇捣C45混凝土→混凝土养护→凿除支撑体系混凝土。

4.2 与柱墩接触柱面凿毛和植筋操作要点

1)该柱与用作传力结构的柱墩结合面凿毛要有足够的粗糙度,以增强新、老混凝土接合面的摩擦力和粘聚力,确保支撑体系稳定不变形。

2)按设计要求在与柱墩接触的框架柱4个面布设孔位,每个面3排,每排3个孔。各孔要与布孔面垂直,且确保植筋深度不小于160 mm[1](图3)。

图3 支撑柱和支撑增配筋图

3)用高压气流吹净植筋孔内的残渣和粉尘,然后用丙酮液擦洗孔内壁。

4)注入A级改性环氧类或改性乙烯基脂类植筋胶[1],注胶量应控制在孔深的2/3左右。

5)钢筋插入前应将钢筋表面清理干净,然后徐徐旋进,钢筋插入后应采用快速堵漏剂封堵孔口。

6)植筋胶固化前严禁扰动钢筋,植筋用的工具,尤其是植筋枪,每一个植筋作业循环都要采用清洗剂擦洗干净,以防结垢。

4.3 钢筋混凝土支撑体系浇筑要点

1)支撑体系混凝土浇筑前,应将原结构混凝土表面清洗干净,并刷界面剂以增加粘结力。

2)为缩短工期,支撑体系使用的C30混凝土采用早强型硅酸盐水泥拌制,混凝土浇筑后应及时浇水养护不少于7 d[4],待混凝土强度达到设计要求后进入下一道施工程序。

3)支撑墩及支撑小柱浇筑过程中应避免与主体结构梁、板等水平构件粘结。

4.4 原框架柱超低强度混凝土凿除操作要点

1)必须在支撑体系的混凝土强度达到设计要求后再凿除超低强度混凝土。

2)因空隙较小,故凿除超低强度混凝土的过程中应避免对柱内纵筋的损坏。

3)凿除超低强度混凝土过程中要仔细观察上下柱墩的位移情况,并做好记录。

4.5 该柱原配筋及支模操作要点

2)立模前应在主筋上悬挂垫块用以控制主筋的保护层厚度。为方便浇捣混凝土,立模时应在距柱底1.5 m高度开300 mm×650 mm浇捣口一个,并在其上部形成角度为45°的喇叭口,起坡面宜位于上界面下侧约300 mm处,模板上口应超过上界面不小于100 mm(图4)。

图4 柱支撑模板图

4.6 该柱补浇混凝土操作要点

1)混凝土浇筑前应清除原框架柱上下界面松散的砂石及粉尘,并将模板浇水润湿,但模板内不应有积水。

2)采用无收缩快硬硅酸盐水泥拌制C45混凝土,并掺加占胶凝材料总质量10%的UEA抗裂膨胀剂。

3)混凝土浇捣前柱底部应先填以50～100 mm厚与混凝土内砂浆成分相同的水泥砂浆[4],然后分层灌注混凝土,每层高度不大于500 mm,且振捣必须充分使新旧混凝土结合紧密,混凝土浇筑面应高出新浇的框架柱顶面约100～150 mm。

4)在浇筑混凝土过程中应观察模板有无堵塞、变形或漏浆等情况,发现问题应立即处理,并应在已浇筑的混凝土初凝前处理好。

5)用于检查结构构件混凝土强度的试件,应在混凝土的浇筑地点随机抽取[4],并与现浇构件同条件养护,作为该柱的验收依据。

6)拆模后在新浇捣的混凝土框架柱上包裹土工布,多频次浇水保湿养护不少于7 d[4]。待新浇筑的框架柱混凝土强度达到设计强度的100%后方可拆除支撑体系和凿除柱子上浇捣口混凝土。

5 结 语

由于该缺陷框架柱下方是两层地下室,若采用砖柱或钢结构等传统支撑方法进行托梁换柱,支撑点须落至-2层地梁上方能满足受力要求。又因砖柱采用砖和砂浆等不同材料砌筑而成容易收缩变形,而钢结构必须采用多只千斤顶配合同步进行才能顶紧,两者均整体性差、操作繁琐,刚度也不够,容易变形从而对水平构件造成不利影响。

实践表明,采用钢筋混凝土刚性支撑系统,巧妙地利用该柱缺陷段上部完好部分和其-1层框架柱顶部,通过在上、下两段完好框架柱上外包支撑墩,并在两支撑墩之间加设支撑小柱的方法,安全地将该缺陷框架柱上部荷载完全传递到-1层框架柱上,从而顺利地实现了1层/⑥轴部位超低混凝土框架柱的置换工作,安全可靠,施工简便。该工程自竣工验收合格后投入使用至今已逾5年,期间曾多次观测置换处梁柱未发现任何质量问题,均满足设计要求和使用功能。

参 考 文 献

[1] 四川省建筑科学研究院. GB 50367—2006混凝土结构加固设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2006.

[2] 中国建筑科学研究院. GB 50010—2002混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2002.

[3] 中国建筑科学研究院.GB 50009—2001建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2002.

[4] 中国建筑科学研究院. GB 50204—2002混凝土结构工程施工质量验收规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2002.