混凝土結構置換施工技術應用

劉 歡

(安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥 230601)

1 工程背景

某高層建筑為地上32層，地下1層，建筑高度99 m,建筑面積約2萬m2，鋼筋混凝土剪力墻結構。項目建成以后對其進行了混凝土強度檢測，經(jīng)檢測鑒定：從第9層開始，以上部分樓層的部分墻肢混凝土強度等級為C20至C30不等，與原設計強度C40相差較大，質量問題嚴重。經(jīng)檢測分析，造成其質量問題的原因可能有：混凝土配合比不合理、外加劑的摻加量過大、攪拌站用石粉代替了黃沙等。造成每片墻肢強度略有不同的原因有不同墻肢所用混凝土不是一罐料、攪拌時間的差異、混凝土的振搗差異、養(yǎng)護時間差異等。

本文通過高層建筑的加固工程，對施工方案的比選、施工前的結構計算、原結構墻肢的置換施工工藝、施工監(jiān)控實測、置換后的加固效果進行了分析。

2 方案選擇

2.1 施工方案選擇

目前常用的結構加固方法有加大截面法、外包型鋼法、碳纖維加固法、置換加固法等。

本項目出現(xiàn)的問題是混凝土強度不足，通常采用拆除原結構重新施工、加大截面法和置換加固法3種方案處理。

(1)拆除原結構重新施工。本項目部分墻肢強度不足，若全部拆除會造成巨大的經(jīng)濟損失，且會嚴重影響工期。

(2)加大截面法。會增加自重，加大截面尺寸，減少使用面積，影響外觀和使用，增大尺寸的范圍及產(chǎn)生的效果沒有明確的結論[1]。

(3)置換加固法。對于強度達不到設計要求或者破壞嚴重的混凝土結構，加固效果較明顯，較為適合本項目出現(xiàn)的強度不足等問題。

2.2 置換施工設計

(1)采用PKPM結構計算軟件對整體結構進行建模計算，按原設計荷載分析軸壓比，根據(jù)墻肢軸壓比是否超限，結合墻肢混凝土強度，判斷墻肢是否需要進行加固[2]。本工程抗震等級為3級，規(guī)范中墻肢軸壓比的規(guī)定限值為0.6[3]。

(2)考慮到施工成本和工期限制，結合工程實際情況，在置換施工方案中，放棄了傳統(tǒng)的全托換一次置換法，采用分批置換法。由于加固工期較短，在置換施工過程中上部結構禁止施工，僅考慮結構自重及較少的施工活荷載，不考慮地震作用。進行墻肢分批寬度及批次數(shù)量設計，以剩余構件能支撐上部荷載為標準。

(3)在置換施工前后，進行監(jiān)控是為了觀察墻肢構件狀態(tài)，保證施工安全。

(4)新澆筑的混凝土達到設計強度后，要與原有結構共同受力，共同受力的關鍵在于結合面的處理[4]?；炷猎诮Y合面處的粘結強度是低于其本身強度的，所以二次組合結構承載能力低于整澆結構。但在實際工程中空腔兩側有端柱約束，且新舊混凝土有鋼筋網(wǎng)相連。新老混凝土結合面處的界面處理和施工質量符合規(guī)范要求時，可按整體受力計算[5]。

3 結構加固計算

3.1 置換施工前計算

回彈儀檢測剪力墻混凝土強度等級為C25，軸心抗壓強度設計值取11.9 MPa[6]。在原設計條件下，荷載按規(guī)范取值[7]，由PKPM結構計算墻肢內(nèi)力:N=8.4×106N。實際荷載條件下，僅考慮結構自重及隔墻自重，施工活荷載適當折減取1 kN/m2，PKPM結構計算墻肢內(nèi)力:N=4.07×106N。混凝土軸心抗壓強度設計值如表1所示。

表1 混凝土軸心抗壓強度設計值 單位：MPa

3.2 構件剔除

剔除墻肢第一批次構件后，由PKPM結構計算墻肢內(nèi)力合計為:N=4.04×106N，其中a端墻396 000 N，其余構件3 648 000 N。

由PKPM計算墻肢軸壓比?？梢姡诋斍昂奢d條件下，墻肢剩余構件軸壓比均不超限，其中a端墻肢0.32，其余構件0.24，僅靠剩余構件可以支持上部荷載。

3.3 置換完工后計算

置換軸心受壓構件時，其正截面承載力應符合下式規(guī)定：

(1)

式中：N為構件加固后的軸向壓力設計值；N′為構件加固后的承載力設計值；φ為受壓構件穩(wěn)定系數(shù)，取0.9；αc為置換部分新增混凝土強度利用系數(shù)，置換過程無支頂時，取0.8，置換過程有支頂時，取0.9，本工程置換過程無支頂，取0.8；fc0、fc為原構件混凝土和置換部分新混凝土的抗壓強度設計值；分別取11.9 N/mm2、27.5 N/mm2；Aco、Ac為原構件混凝土剩余截面面積和置換部分截面面積。

墻肢加固后的承載力設計值：

N′=0.9×0.9×(11.9×0.212 5×106+0.8×27.5×0.512 5×106)

N′=1.12×107N

(2)

墻肢加固后承載力設計值是N=1.12×107N，遠遠大于原設計荷載即軸向壓力設計值N=8.41×106N，認為達到預期的加固效果。

4 施工要點

4.1 施工流程

第一批次構件剔除、鋼筋整理、交界面處理、模板搭設、混凝土澆筑、養(yǎng)護完成后，進行下一批次構件施工，如此循環(huán)，將墻肢各構件依次置換,如圖1所示。墻肢構件的剔除如圖2所示。

圖1 墻肢置換施工順序 圖2 墻肢構件的剔除

4.2 施工要點

(1)構件剔除。鑿除工具嚴禁使用大錘，防止破壞鋼筋網(wǎng)和相鄰部位。前一批次澆筑的混凝土達到設計強度后，再進行后一批次構件的剔除。各批次置換區(qū)的澆筑一次性完成，澆筑時間控制在初凝時間內(nèi)，不留施工縫。

(2)鋼筋整理。構件剔除后對鋼筋網(wǎng)上殘留混凝土顆粒清潔干凈，保證鋼筋與混凝土之間的握裹力。

(3)交界面處理。交界面處采用小型電鉆，以免振動過大造成交界面處破壞。鑿毛1 cm-2 cm以增加結合面，交界面清潔干凈并保持濕潤狀態(tài)[8]。

(4)模板搭設。模板按構件尺寸制作，兩側模板采用鋼筋卡扣連接緊固，以減少作業(yè)面，便于施工。

(5)混凝土澆筑。在本層剔除構件對應的上層地面與墻體結合處開洞，采用微膨脹的C60高強灌漿料進行澆筑。為避免置換區(qū)域頂面與上層構件連接處形成冷縫，在澆筑口設置喇叭口，使?jié)仓瓿擅娓哂谶B接面10 cm，待混凝土初凝后鑿除[9]。

(6)置換施工。應自下而上，下部樓層需要置換的墻肢全部完工并達到設計強度后，再進行上一樓層墻肢的置換施工。置換區(qū)域模板搭設圖3所示，置換區(qū)域上部灌漿圖4所示。

圖3 置換區(qū)域模板搭設 圖4 置換區(qū)域上部灌漿

5 施工監(jiān)測

(1)監(jiān)控目的。在置換施工過程中觀察剩余構件的數(shù)據(jù)變化，保證施工安全；在置換完工后進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，觀察加固效果。

(2)應變計算。在應變計安裝完成，結構體穩(wěn)定后讀取初值，在結構體被受力或者其他情況時讀取測量值，其與初值的差值即為結構體的應變情況。

為了計算墻肢置換完工后的應變，將應變計安裝后的數(shù)值作為初值，在埋入式傳感器被埋入墻肢各構件中，新澆混凝土達到設計強度并受力穩(wěn)定后讀取測量值。差值=測量值—初值，結構置換完工后的應變值即可得出。埋入式應變傳感器如圖5所示， 墻肢置換完工后如圖6所示。

圖5 埋入式應變傳感器 圖6 墻肢置換完工后

6 結 語

(1)置換施工前，在實際荷載條件下，結構計算內(nèi)力與監(jiān)測內(nèi)力誤差為7%，屬于合理范圍，認為取值可靠。其誤差主要是因為現(xiàn)場環(huán)境影響、數(shù)據(jù)取值偏差等因素影響。

(2)置換完工后，通過公式計算墻肢承載力設計值與軸向壓力設計值比較可知，達到預期的加固效果。

(3)本工程采用的無支撐依次置換，免去了設置臨時支撐，從而避免了支撐體系失效的風險，也避免了支撐桿件對原結構集中力過大造成的局部破壞，降低了加固施工的難度和成本。

(4)通過一系列的結構計算及施工監(jiān)測證明，采用該方法可有效解決墻肢混凝土強度不足的問題，對于類似工程問題具有參考意義。