嚴(yán)重缺陷框架柱的置換補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

1 工程概況

衢州融金廣場是一幢地下2層、地上5層的長方形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑物,其南北長98 m,東西寬42 m,建筑物檐高22 m,單體總建筑面積31 000 m2。該建筑1F層高為5.10 m,2F層高為4.60 m,3F～5F層高均為3.9 m。該樓地下室-1F(樓面標(biāo)高-4.80 m)和-2F(底板面標(biāo)高-8.7 m)分別用作地下商場和車庫、設(shè)備用房,地上5層均用于商業(yè)辦公。

2 事故原因分析

2010年8月5日,該工程主體結(jié)構(gòu)施工至4層梁板時,發(fā)現(xiàn)1層/⑥軸部位的混凝土框架柱(以下簡稱“該柱”)四周出現(xiàn)很多貫通裂紋(圖1),鑿除該柱表面刻意粉飾的砂漿層后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部混凝土非常疏松。經(jīng)查該柱澆筑時間為2010年6月12日上午,截面尺寸為650 mm×650 mm。同年8月7日經(jīng)浙江省建筑物安全鑒定檢測中心對該柱采用回彈加鉆芯取樣修正的方法全面檢測后,推定該柱除了2層梁底以下1 200 mm長度范圍的混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計要求外,1層樓板面(結(jié)構(gòu)標(biāo)高-0.05 m)以上長約3 100 mm范圍內(nèi)的混凝土由于澆搗過程中沖洗泵管,大量的水流入該柱模板內(nèi),導(dǎo)致該柱下部漿體嚴(yán)重流失,其抗壓強(qiáng)度推定值僅為12.0 MPa左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該柱的設(shè)計強(qiáng)度值C40,因此隨著上部荷載的不斷增加,該柱混凝土的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到臨界值,致使該柱表面出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象,若不及時處理后果不堪設(shè)想。

圖1 柱支撐平面圖

3 一層超低強(qiáng)度混凝土框架柱置換方案設(shè)計

3.1 處理原則

1)在該柱超低強(qiáng)度混凝土段未妥善置換之前,暫停該柱所在施工段的一切施工活動。

2)由于在發(fā)現(xiàn)該柱存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題時，4層梁板混凝土(結(jié)構(gòu)面標(biāo)高13.55 m)已經(jīng)澆搗完成,且5層梁板支模架已搭好,所以該柱所承受的上部荷載較大。能否順利實現(xiàn)超低強(qiáng)度混凝土框架柱置換的重點和難點是安全卸載工作[1],即在該柱置換的過程中應(yīng)避免將其上部荷載傳遞到其下部水平構(gòu)件上。

4)經(jīng)綜合考慮并結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況,決定采用應(yīng)變較小的剛性支撐系統(tǒng)將該柱缺陷段的上部荷載傳遞到其下部,利用1F缺陷框架柱上段完好部分(L=1 000 mm)和同部位-1F框架柱頂部作為傳力結(jié)構(gòu),即采用嚴(yán)重缺陷框架柱上、下兩端完好的框架柱外包現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱墩,并在上、下柱墩的4個角設(shè)立4根鋼筋混凝土小柱作為支撐體系,同時在1F樓板上鑿出400 mm×400 mm洞口以便300 mm×300 mm的小柱從中穿過直達(dá)-1F,從而使該缺陷柱上部的荷載通過該支撐體系完全傳遞到-1F框架柱上(圖2),繼而通過-1F框架柱傳遞至-2F框架柱獨(dú)立承臺基礎(chǔ)上。

5)待支撐體系的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后,即可鑿除該柱缺陷段混凝土,然后再用比原設(shè)計強(qiáng)度高一級的混凝土(C45)重新澆筑。在該柱新澆筑的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后,再將支撐體系拆除。

圖2 柱支撐結(jié)構(gòu)圖

3.2 支撐體系方案

1)支撐體系采用強(qiáng)度等級為C30的商品混凝土澆筑。

2)為滿足設(shè)計規(guī)范要求的承載力,經(jīng)計算復(fù)核后確定上、下柱墩尺寸均為1 450 mm×1 450 mm×900 mm,柱墩內(nèi)主筋采用HRB335級鋼筋20Φ16雙向閉合,水平箍筋采用Φ8@100。為增強(qiáng)柱墩與框架柱的握裹力,在柱墩與框架柱接觸面的四周分別植入3排HRB335級3Φ16帶肋鋼筋[1],植入框架柱深度為160 mm,外露100 mm(圖3)。

3)上、下柱墩之間4個角各設(shè)300mm×300mm4個支撐小柱,支撐小柱應(yīng)從1F樓面預(yù)鑿的400 mm×400 mm洞口中心穿過,柱內(nèi)主筋采用HRB335級鋼筋8Φ16,箍筋Φ8@150(圖2)。

3.3 該柱缺陷段上部荷載計算[3]

3.3.1 2層結(jié)構(gòu)梁、板荷載計算

2層樓板厚B=110 mm；⑤～⑦/軸KL1和⑥/～軸KL2截面尺寸均為350 mm×800 mm；⑥/～軸KL3截面尺寸為350 mm×700 mm。支模架施工荷載取2 kN/m2。

由圖1知B1、B4樓板荷載傳遞至KL1再傳遞至該柱荷載為：

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

同理求得B2、B3樓板荷載傳遞至KL1再傳遞至該柱荷載為：N2=190 kN

KL1、KL2、KL3自重對該柱荷載為：

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

則2層結(jié)構(gòu)梁板荷載值共為：N1+N2+N3=614.64 kN

3.3.2 3層和4層結(jié)構(gòu)梁、板荷載計算

3層和4層結(jié)構(gòu)相同,樓板厚B=110 mm；⑤～⑦/軸KL1和⑥/～軸KL2截面尺寸均為350 mm×750 mm；⑥/～軸KL3截面尺寸為350 mm×700 mm。支模架施工荷載取2 kN/m2。

由圖1知B1、B4樓板荷載傳遞至KL1再傳遞至該柱荷載為：

N1=(1.2×0.11×11/2×25+1.4×2×11/2)×

18/2=301.95 kN

同理求得B2、B3樓板荷載傳遞至KL1再傳遞至該柱荷載為：N2=190 kN

KL1、KL2、KL3自重對該柱荷載為：

N3=(0.35×0.75×18/2+0.35×0.75×

11/2+0.35×0.7×6.92/2)×25=116.35 kN

則3層和4層結(jié)構(gòu)梁板荷載值共為：(N1+N2+N3)×2=1 216.6 kN

3.3.3 5層梁板柱支模架施工荷載

同上,支模架施工荷載取2 kN/m2。

1.4×2×(11+6.92)/2×(9+9)/2=225.8 kN

3.3.4 首層缺陷框架柱上部柱墩和2層及3層 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

綜上所述,首層缺陷框架柱所承受的上部荷載總共為：

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

3.4 支撐體系方案可靠性復(fù)核[2]

3.4.1 計算支撐柱和鋼筋截面面積

3.4.2 求穩(wěn)定性系數(shù)φ

根據(jù)支撐柱受力情況,取ψ=1.25,則l0=ψH=1.25×4 800=6 000 mm,

l0/b=6 000/300=20,查表得：φ=0.75。

3.4.3 復(fù)核支撐柱正截面受壓承載力

由于支撐柱斷面尺寸為300 mm,

4個支撐柱正截面受壓承載力共為：1 020.7 kN×4=4 082.8 kN>2 371.2 kN

因此該支撐體系方案安全可靠。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程如下：與柱墩接觸柱面鑿毛→化學(xué)植筋→支撐體系澆筑C30混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)→鑿除該柱超低強(qiáng)度混凝土→澆搗C45混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)→鑿除支撐體系混凝土。

4.2 與柱墩接觸柱面鑿毛和植筋操作要點

1)該柱與用作傳力結(jié)構(gòu)的柱墩結(jié)合面鑿毛要有足夠的粗糙度,以增強(qiáng)新、老混凝土接合面的摩擦力和粘聚力,確保支撐體系穩(wěn)定不變形。

2)按設(shè)計要求在與柱墩接觸的框架柱4個面布設(shè)孔位,每個面3排,每排3個孔。各孔要與布孔面垂直,且確保植筋深度不小于160 mm[1](圖3)。

圖3 支撐柱和支撐增配筋圖

3)用高壓氣流吹凈植筋孔內(nèi)的殘渣和粉塵,然后用丙酮液擦洗孔內(nèi)壁。

4)注入A級改性環(huán)氧類或改性乙烯基脂類植筋膠[1],注膠量應(yīng)控制在孔深的2/3左右。

5)鋼筋插入前應(yīng)將鋼筋表面清理干凈,然后徐徐旋進(jìn),鋼筋插入后應(yīng)采用快速堵漏劑封堵孔口。

6)植筋膠固化前嚴(yán)禁擾動鋼筋,植筋用的工具,尤其是植筋槍,每一個植筋作業(yè)循環(huán)都要采用清洗劑擦洗干凈,以防結(jié)垢。

4.3 鋼筋混凝土支撐體系澆筑要點

1)支撐體系混凝土澆筑前,應(yīng)將原結(jié)構(gòu)混凝土表面清洗干凈,并刷界面劑以增加粘結(jié)力。

2)為縮短工期,支撐體系使用的C30混凝土采用早強(qiáng)型硅酸鹽水泥拌制,混凝土澆筑后應(yīng)及時澆水養(yǎng)護(hù)不少于7 d[4],待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后進(jìn)入下一道施工程序。

3)支撐墩及支撐小柱澆筑過程中應(yīng)避免與主體結(jié)構(gòu)梁、板等水平構(gòu)件粘結(jié)。

4.4 原框架柱超低強(qiáng)度混凝土鑿除操作要點

1)必須在支撐體系的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后再鑿除超低強(qiáng)度混凝土。

2)因空隙較小,故鑿除超低強(qiáng)度混凝土的過程中應(yīng)避免對柱內(nèi)縱筋的損壞。

3)鑿除超低強(qiáng)度混凝土過程中要仔細(xì)觀察上下柱墩的位移情況,并做好記錄。

4.5 該柱原配筋及支模操作要點

2)立模前應(yīng)在主筋上懸掛墊塊用以控制主筋的保護(hù)層厚度。為方便澆搗混凝土,立模時應(yīng)在距柱底1.5 m高度開300 mm×650 mm澆搗口一個,并在其上部形成角度為45°的喇叭口,起坡面宜位于上界面下側(cè)約300 mm處,模板上口應(yīng)超過上界面不小于100 mm(圖4)。

圖4 柱支撐模板圖

4.6 該柱補(bǔ)澆混凝土操作要點

1)混凝土澆筑前應(yīng)清除原框架柱上下界面松散的砂石及粉塵,并將模板澆水潤濕,但模板內(nèi)不應(yīng)有積水。

2)采用無收縮快硬硅酸鹽水泥拌制C45混凝土,并摻加占膠凝材料總質(zhì)量10%的UEA抗裂膨脹劑。

3)混凝土澆搗前柱底部應(yīng)先填以50～100 mm厚與混凝土內(nèi)砂漿成分相同的水泥砂漿[4],然后分層灌注混凝土,每層高度不大于500 mm,且振搗必須充分使新舊混凝土結(jié)合緊密,混凝土澆筑面應(yīng)高出新澆的框架柱頂面約100～150 mm。

4)在澆筑混凝土過程中應(yīng)觀察模板有無堵塞、變形或漏漿等情況,發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)立即處理,并應(yīng)在已澆筑的混凝土初凝前處理好。

5)用于檢查結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度的試件,應(yīng)在混凝土的澆筑地點隨機(jī)抽取[4],并與現(xiàn)澆構(gòu)件同條件養(yǎng)護(hù),作為該柱的驗收依據(jù)。

6)拆模后在新澆搗的混凝土框架柱上包裹土工布,多頻次澆水保濕養(yǎng)護(hù)不少于7 d[4]。待新澆筑的框架柱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的100%后方可拆除支撐體系和鑿除柱子上澆搗口混凝土。

5 結(jié) 語

由于該缺陷框架柱下方是兩層地下室,若采用磚柱或鋼結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)支撐方法進(jìn)行托梁換柱,支撐點須落至-2層地梁上方能滿足受力要求。又因磚柱采用磚和砂漿等不同材料砌筑而成容易收縮變形,而鋼結(jié)構(gòu)必須采用多只千斤頂配合同步進(jìn)行才能頂緊,兩者均整體性差、操作繁瑣,剛度也不夠,容易變形從而對水平構(gòu)件造成不利影響。

實踐表明,采用鋼筋混凝土剛性支撐系統(tǒng),巧妙地利用該柱缺陷段上部完好部分和其-1層框架柱頂部,通過在上、下兩段完好框架柱上外包支撐墩,并在兩支撐墩之間加設(shè)支撐小柱的方法,安全地將該缺陷框架柱上部荷載完全傳遞到-1層框架柱上,從而順利地實現(xiàn)了1層/⑥軸部位超低混凝土框架柱的置換工作,安全可靠,施工簡便。該工程自竣工驗收合格后投入使用至今已逾5年,期間曾多次觀測置換處梁柱未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題,均滿足設(shè)計要求和使用功能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 四川省建筑科學(xué)研究院. GB 50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2] 中國建筑科學(xué)研究院. GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[4] 中國建筑科學(xué)研究院. GB 50204—2002混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002.