地下車庫柱頂劈裂的事故分析及加固處理技術(shù)

李明蕾，楊志剛, 李曉霞, 孫長征

(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)

中國建筑業(yè)經(jīng)過近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，在國家倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會的大背景下，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，同時也存在較大風(fēng)險[2]，尤其是地下車庫框架柱的置換，由于上部覆土較厚，施工安全風(fēng)險更高。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，存在潛在的危險因素，因此應(yīng)用不多?；炷帘е和蠐Q施工成本較高，工期長，但施工安全可靠，應(yīng)用范圍較廣。頂升托換時的關(guān)鍵是控制頂升位移，目前這方面的研究并不多。胡金鸞等曾對置換過程中的位移變化進(jìn)行了分析，對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，對施工的參考性不強(qiáng)。本文以某地下車庫大量柱頂出現(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，減少了工期，能夠?yàn)橐院箢愃频捻?xiàng)目提供參考。

1 工程概況

淄博某住宅樓地下車庫為地下一層，建筑面積5萬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)計要求普通混凝土，強(qiáng)度等級為基礎(chǔ)墊層C15；基礎(chǔ)C35；上部柱、梁、板、擋土墻結(jié)構(gòu)C35，該車庫頂樓面覆土厚1.80 m，覆土容重18 kN/m3,車庫頂面為種植屋面，活荷載4.00 kN/m2。

車庫主體施工過程中，施工單位為趕工期，減少支模和養(yǎng)護(hù)時間，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C35普通混凝土。該車庫主體結(jié)構(gòu)于2018年10月至11月施工完畢，2019年3月車庫頂覆土開始陸續(xù)施工，推土機(jī)、自卸汽車陸續(xù)在車庫頂板工作，后發(fā)現(xiàn)車庫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)量問題，現(xiàn)場做了緊急支撐處理，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 檢測鑒定及原因分析

2.1 檢測與鑒定

鑒定檢測機(jī)構(gòu)對車庫完成了現(xiàn)場調(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，檢測結(jié)果均滿足設(shè)計要求，用回彈法和鉆芯法檢測了混凝土抗壓強(qiáng)度，以及用全站儀測量柱壓彎變形等其他內(nèi)容。現(xiàn)場檢測共發(fā)現(xiàn)損傷柱110棵，集中分布在車庫南側(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、中層芯樣均無粗骨料、上層重量輕，中層易折斷，下層與正常芯樣無異，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評為du級，其安全性極不符合標(biāo)準(zhǔn)對au級的要求，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au級的要求，其安全性等級評為cu級，應(yīng)采取加固措施。主要檢測鑒定結(jié)果見表1。

表1 檢測結(jié)果

另外檢測中發(fā)現(xiàn)，該車庫與損傷框架柱相連的部分框架梁底部有框架柱流淌過來的浮漿層，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評為cu級，即安全性不符合本標(biāo)準(zhǔn)對au級的要求，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，無粗骨料，外觀類似加氣混凝土，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)度過低而造成受壓破壞。

2)南側(cè)車庫頂板堆土過于集中，未及時攤平，施工機(jī)械過早到頂板施工，在強(qiáng)度未完全達(dá)到時，過大負(fù)載造成框架柱受壓破壞。

3)施工時氣溫低，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)場調(diào)查時還發(fā)現(xiàn)，柱頂出現(xiàn)質(zhì)量事故后，現(xiàn)場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)量問題主要是框架柱流淌過去的混凝土脫落而導(dǎo)致鋼筋外露。

3 加固設(shè)計方案

常見的加固設(shè)計方案對比見表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)計方案五。

表2 加固設(shè)計方案對比分析表

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)問題。置換施工前要求停止頂板車輛和人員活動，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為對應(yīng)A的框架梁長度。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)測方案：為掌握鋼支撐柱和混凝土置換柱在頂升過程中的變形情況，本工程進(jìn)行了實(shí)時施工監(jiān)測，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，頂升過程中根據(jù)變形差判斷頂升位移。放置2臺全站儀，觀測梁的水平度[6]。

圖4 支撐卸載立面布置圖

3)支撐支座方案：車庫地面為已經(jīng)完成的剛性地面，強(qiáng)度較低,若地面承載力按180 kPa計算，每個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，若其中一個因?yàn)槌料萃顺龉ぷ?，勢必引起其他支撐?gòu)件的破壞。為保證施工安全，加強(qiáng)支座整體性，設(shè)計采用HW400*400*13*21 H型鋼制作長條形支座，為防止支座滑動，采用M12錨栓與地面固定。利用有限元分析軟件MIDAS GEN 對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)對稱進(jìn)行，同時記錄各階段百分表讀數(shù)，每階段加載至設(shè)定載荷時，保持加載值維持5 min，觀測梁變形和支撐穩(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號至4號分別指柱四周框架梁梁端編號，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)到計算頂升力，大約為計算頂升力的0.6倍時，百分表指針開始轉(zhuǎn)動，梁端開現(xiàn)變形。

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

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

4.2 鑿除混凝土柱監(jiān)測及分析

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

表3 支撐鋼柱監(jiān)測數(shù)據(jù)表

由表3監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，混凝土柱卸載后的在鑿除過程中，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，說明已經(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)場上部覆土比較重，為確保施工安全，現(xiàn)場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，頂緊四周后開始剔鑿內(nèi)部混凝土，如此可把梁上的荷載通過鋼柱傳給下部柱，避免梁懸空下垂的風(fēng)險。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)場圖

5 施工效果

本項(xiàng)目地下車庫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)抱柱梁置換成本對比見表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，支撐鋼柱可循環(huán)使用，亦能降低施工成本。

表4 施工成本對比表

鑿除混凝土柱頭時，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，原計劃50 d的工期，實(shí)際用時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)度過低的混凝土柱僅局部高度需要置換時，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)，社會效益顯著。

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

3)現(xiàn)場條件不允許鋼支撐下部設(shè)置混凝土基礎(chǔ)時，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。