高層建筑工程項(xiàng)目混凝土加固施工技術(shù)研究

常 亮

（北京遠(yuǎn)達(dá)國(guó)際工程管理咨詢有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程推進(jìn)，高層建筑項(xiàng)目數(shù)量增長(zhǎng)?；炷磷鳛樾滦筒牧媳粡V泛應(yīng)用，但易出現(xiàn)腐蝕、裂縫等問(wèn)題，存在一定安全隱患[1]。高層建筑規(guī)模大且復(fù)雜，混凝土加固難度大。我國(guó)的技術(shù)起步較晚，存在差距。研究人員正在探索多種施工技術(shù)和方法。

陳安英[2]等人提出了對(duì)有缺陷剪力墻的分層分段拆除置換加固法，基于力學(xué)計(jì)算和構(gòu)件置換工藝的分析，設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)分級(jí)卸載控制剪力墻置換型鋼卸載裝置，明確了加固施工的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)全過(guò)程進(jìn)行了位移、應(yīng)力、裂縫監(jiān)測(cè)，該方法對(duì)于混凝土質(zhì)量缺陷具有較好的處理效果。陜婷婷[3]等人基于信息技術(shù)模型設(shè)計(jì)了土木工程混凝土加固施工方法，使用護(hù)筒埋設(shè)、鋼筋籠安裝、模板測(cè)量、混凝土澆筑和外粘型鋼安裝等方法，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的加固性能，實(shí)現(xiàn)土木工程的加固目標(biāo)，該方法下混凝土結(jié)構(gòu)的荷載強(qiáng)度，截面剛度與承載能力均得到了一定的提升。

上述兩種混凝土加固技術(shù)在實(shí)際工程中存在加固后混凝土抗裂強(qiáng)度、受剪承載力以及抗壓強(qiáng)度仍舊較低的問(wèn)題，難以達(dá)到預(yù)期的加固效果，還有較大的優(yōu)化空間，故本文針對(duì)高層建筑工程項(xiàng)目中的混凝土加固施工技術(shù)進(jìn)行研究。

在本文中采取的加固方案為剪力墻混凝土置換、擴(kuò)增混凝土截面面積、植筋錨固以及混凝土碳纖維加固方法的結(jié)合。通過(guò)剪力墻混凝土置換和混凝土擴(kuò)增截面面積等方法，增加了混凝土的抗剪、抗彎承載能力；通過(guò)植筋錨固和混凝土碳纖維加固等方法，增強(qiáng)了混凝土的抗拉、抗壓性能。綜合多種加固方案，可以全面提高混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)混凝土加固效果的最大化。

1 工程概況

本文研究以某高層建筑工程項(xiàng)目為背景，該工程結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樓層總數(shù)為32 層，地下2 層為停車(chē)場(chǎng)，層高為35.16m，地上總占地面積約3 253.51m2。距今為止，該高層建筑已經(jīng)使用10 年，由于工程所在區(qū)域年降雨量較大，約1 100mm，加上使用時(shí)間比較長(zhǎng)，部分區(qū)域混凝土已經(jīng)出現(xiàn)貫穿裂縫，最大裂縫寬度已經(jīng)達(dá)到45.26mm，最大裂縫長(zhǎng)度為1.45m，最大裂縫深度為56.41mm。當(dāng)前建筑混凝土狀態(tài)比較差，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到該高層建筑安全性與穩(wěn)定性，故對(duì)該高層建筑開(kāi)展混凝土加固施工，提高高層建筑混凝土抗裂強(qiáng)度、受剪承載力以及抗壓強(qiáng)度，以下將結(jié)合該工程實(shí)際情況采取相應(yīng)的加固技術(shù)。

2 高層建筑工程混凝土加固施工

2.1 施工前準(zhǔn)備

在加固施工前，首先在施工現(xiàn)場(chǎng)周?chē)荚O(shè)施工隔擋，防止加固施工過(guò)程中非工作人員進(jìn)入到施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)，并且減少施工對(duì)周?chē)用裨斐傻挠绊?。其次將施工過(guò)程中需要使用的設(shè)備與材料運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地內(nèi)，本次采取的加固方案為：剪力墻混凝土置換+擴(kuò)增混凝土截面面積+植筋錨固+混凝土碳纖維加固，需要使用的設(shè)備包括混凝土攪拌機(jī)、千斤頂、焊機(jī)、切割機(jī)、電鎬等，使用的材料包括鋼筋、水泥、粗細(xì)石料、碳纖維布等，按照要求和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所有材料質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，并且對(duì)所有機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)合格后將其運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)。

2.2 剪力墻混凝土置換

考慮到高層建筑剪力墻是建筑的主要受力混凝土構(gòu)件，對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)損壞的剪力墻混凝土構(gòu)件采用置換加固工藝，即將原有的混凝土置換新的混凝土，本次置換混凝土剪力墻共16 個(gè)。首先使用切割機(jī)和電鎬將剪力墻外層的混凝土去掉，切割厚度為20cm，最大長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)50cm。由于在該施工過(guò)程中高層建筑整體的受力荷載會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而會(huì)影響到整個(gè)建筑的穩(wěn)定性，因此在去除舊混凝土施工時(shí)，需要分批次完成，置換混凝土構(gòu)件需要優(yōu)先對(duì)空間對(duì)稱分布的混凝土剪力墻構(gòu)件進(jìn)行分批次置換，如果同時(shí)對(duì)對(duì)稱分布的混凝土剪力墻進(jìn)行置換，容易出現(xiàn)坍塌事故[4]。在混凝土切割過(guò)程中盡量避開(kāi)內(nèi)部鋼筋，如果置換區(qū)域內(nèi)部分鋼筋出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，可以將腐蝕的鋼筋切割掉，施工焊機(jī)將新的鋼筋與原鋼筋銜接[5]。剪力墻表層混凝土切割完成后，使用千斤頂對(duì)其支撐，保證建筑在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性[6]。按照標(biāo)準(zhǔn)配比使用混凝土攪拌機(jī)拌制混凝土混合料，將其填補(bǔ)到置換區(qū)域內(nèi)，使用抹平工具將新混凝土表面抹平，使其與舊混凝土持平。

2.3 擴(kuò)增混凝土截面面積及植筋錨固

高層建筑柱構(gòu)件是承載整個(gè)建筑縱向應(yīng)力的主要構(gòu)件，因此采用增大截面加固法對(duì)高層建筑混凝土柱構(gòu)件加固[7]。將新混凝土與舊混凝土接觸部位進(jìn)行鑿毛處理，在原混凝土構(gòu)件外圍使用墨斗繪制出擴(kuò)增后混凝土外圍邊界，根據(jù)該高層建筑實(shí)際情況，混凝土擴(kuò)增厚度為15cm[8]。截面放線完成后在外圍搭建模板，使用混凝土澆筑泵將攪拌好的混凝土漿液澆筑到模板內(nèi)，在澆筑過(guò)程中要控制好泵壓，泵壓過(guò)大澆筑的混凝土內(nèi)部容易產(chǎn)生氣泡，從而影響到混凝土加固效果，而泵壓過(guò)小則會(huì)降低施工效率，因此在混凝土澆筑施工過(guò)程中將泵壓控制在4.46～4.76Pa 之間[9]?；炷翝仓瓿珊?，對(duì)新增的混凝土進(jìn)行植筋，將直徑為15mmC35 鋼筋植入到混凝土內(nèi)部，植筋深度為100mm，植入的鋼筋間距不能超過(guò)25cm，擴(kuò)增混凝土配筋率要不低于35%，以此保證植筋加固效果。將頂部的鋼筋頭使用直徑為25mmC25 鋼筋對(duì)其進(jìn)行錨固，錨固后的鋼筋表面用混凝土覆蓋，禁止鋼筋裸露在外，待混凝土達(dá)到初凝時(shí)間后將模板拆卸掉[10]。為了保證混凝土截面擴(kuò)增施工質(zhì)量，對(duì)擴(kuò)增的混凝土進(jìn)行澆水濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)8～10d。

2.4 混凝土碳纖維加固

為了進(jìn)一步增加高層建筑混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定性，在混凝土表面粘結(jié)碳纖維布，有效抵制高層建筑混凝土的張力，達(dá)到混凝土加固的目的，具體如圖1 所示。

圖1 混凝土碳纖維加固示意圖

如圖1 所示，首先使用角磨機(jī)對(duì)混凝土進(jìn)行打磨，對(duì)于存在裂縫的區(qū)域要加重打磨，將混凝土打磨平整后，用水將表面的灰塵沖洗掉，并使用烘干機(jī)將混凝土進(jìn)行烘干處理，使表面保持干燥狀態(tài)。然后在混凝土表面涂抹一層粘接膠，粘結(jié)膠的選擇要與碳纖維布出自同一個(gè)品牌，并采用A 類膠。粘結(jié)膠的涂抹量為5.62g/m2。由于粘結(jié)膠具有一定的揮發(fā)性，因此粘結(jié)膠涂抹完畢后，需要立即將碳纖維布粘貼到混凝土表面。根據(jù)該高層建筑實(shí)際情況，本次采用450g/m2碳纖維布，將碳纖維布一端固定在混凝土構(gòu)件上后，將其拉直，伸長(zhǎng)率控制在2.5%以上。在鋪貼過(guò)程中要盡量保證鋪貼的碳纖維布平整，如果出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，需要立即將其拉起重新鋪貼，鋪貼厚度為0.35mm，如果鋪貼一層碳纖維布后厚度沒(méi)有得到設(shè)計(jì)值，需要再對(duì)其鋪貼一層。碳纖維布接縫使用環(huán)氧樹(shù)脂膠水處理，在碳纖維布接縫表面涂抹一層環(huán)氧樹(shù)脂膠水，防止空氣和水沿著接縫進(jìn)入到碳纖維布內(nèi)部，從而導(dǎo)致鋪貼后的碳纖維布開(kāi)裂，進(jìn)而響應(yīng)到加固效果。加固施工完成后，對(duì)所有混凝土加固區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)是否存在遺漏區(qū)域，以此完成高層建筑工程項(xiàng)目混凝土加固施工。

3 加固效果檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本次研究技術(shù)的可靠性與適用性，對(duì)加固后的混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)。首先對(duì)加固后的混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫寬度、長(zhǎng)度以及深度進(jìn)行驗(yàn)算?！陡邔咏ㄖこ袒炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB56423-2010）中明確規(guī)定，在潮濕環(huán)境下高層建筑工程中梁構(gòu)件混凝土最大裂縫寬度不能超過(guò)15.55mm；柱構(gòu)件混凝土最大裂縫寬度不能超過(guò)10.55mm。將以上規(guī)定作為該高層建筑工程項(xiàng)目混凝土加固后抗裂性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)一。在理想狀態(tài)下，根據(jù)混凝土加固設(shè)計(jì)，混凝土?xí)嬖谝粋€(gè)最大裂縫寬度，其計(jì)算公式為：

式中，h表示理想狀態(tài)下高層建筑工程混凝土裂縫最大寬度；α表示混凝土構(gòu)件受力特征系數(shù)，通常情況下該系數(shù)取值為0.01；μ表示混凝土裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；r表示混凝土構(gòu)件受拉區(qū)鋼筋截面面積；y表示混凝土構(gòu)件鋼筋的彈性模量；w表示混凝土構(gòu)件最外層縱向受拉鋼筋邊緣到頂部的距離；p表示混凝土構(gòu)件受拉區(qū)鋼筋的有效直徑；κ表示混凝土構(gòu)件縱向鋼筋配筋率。利用上述公式計(jì)算出混凝土構(gòu)件理想狀態(tài)下最大裂縫寬度，將其作為混凝土加固后抗裂性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)二。隨機(jī)選擇5 個(gè)梁構(gòu)件與5 個(gè)柱構(gòu)件作為試件，每天向試件噴灑水，噴水量為100L/m2，令試件始終保持潮濕狀態(tài)。每隔7d 使用IYHF-A5RF 測(cè)量?jī)x對(duì)試件表面的裂縫寬度進(jìn)行測(cè)量，使用電子表格對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄，將其與以上兩個(gè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，評(píng)價(jià)高層建筑工程項(xiàng)目混凝土加固后抗裂性能，具體數(shù)據(jù)如下表所示。

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，加固后的混凝土裂縫寬度在潮濕環(huán)境下隨著時(shí)間的增加而不斷增長(zhǎng)，初期增長(zhǎng)幅度比較大，但是在21d 后混凝土裂縫寬度基本穩(wěn)定，在第28d 時(shí)柱構(gòu)件混凝土最大裂縫寬度為5.47mm，梁構(gòu)件混凝土最大裂縫寬度為6.75，非常貼近理想狀態(tài)下混凝土裂縫最大寬度，并且符合相關(guān)規(guī)范要求，說(shuō)明加固后高層建筑混凝土抗裂強(qiáng)度有了明顯的提升。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)本次混凝土加固施工質(zhì)量，對(duì)加固前后混凝土受剪承載力與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，隨機(jī)選擇10 個(gè)混凝土構(gòu)件作為試件，對(duì)試件加固后的受剪承載力和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)算，其中受剪承載力計(jì)算公式為：

式中，N表示高層建筑混凝土受剪承載力；β表示混凝土受剪承載力系數(shù)，通常情況下該系數(shù)取值為0.56；q表示加固前混凝土軸心抗剪強(qiáng)度；b表示混凝土矩形截面的寬度值；c表示加固前矩形截面的有效高度；σ表示新增混凝土強(qiáng)度系數(shù)；e表示新增混凝土的軸芯抗剪強(qiáng)度；x表示加固后矩形截面的有效高度；?表示混凝土原箍筋抗拉強(qiáng)度；R表示同一截面內(nèi)原箍筋各肢截面面積之和；S表示新增鋼筋沿混凝土構(gòu)件長(zhǎng)度方向的間距。混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中，V表示加固后混凝土抗壓強(qiáng)度；X表示混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)；P表示混凝土構(gòu)件環(huán)向圍束有效約束系數(shù)；M表示混凝土有效約束應(yīng)力值；表示混凝土應(yīng)變截面變形系數(shù)；τ表示混凝土矩形截面和加固處理后的矩形截面的倒角半徑；η表示混凝土的彈性模量。利用以上兩個(gè)公式計(jì)算出加固后的混凝土受剪承載力和抗壓強(qiáng)度，使用電子表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，為了保證數(shù)據(jù)與結(jié)論具有一定的說(shuō)明性，將其與加固前混凝土受剪承載力與抗壓強(qiáng)度對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 加固前后混凝土受剪承載力與抗壓強(qiáng)度對(duì)比

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出，加固后混凝土受剪承載力和抗壓強(qiáng)度均有明顯提升，其中受剪承載力提升了將近1 倍，抗壓強(qiáng)度提升了將近1.5 倍。因此證明了，加固后高層建筑混凝土抗裂強(qiáng)度、承載力以及抗壓強(qiáng)度均有明顯的提升，本次采取的施工技術(shù)具有良好的混凝土加固效果。

4 結(jié)論

本文提出了一個(gè)新的混凝土加固施工技術(shù)，有效提高了高層建筑混凝土抗壓強(qiáng)度、承載力以及抗裂強(qiáng)度，混凝土力學(xué)性能得到了有效的提升，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)技術(shù)與工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新。本研究為高層建筑工程混凝土加固施工提供了參考依據(jù)，有助于提高混凝土加固施工技術(shù)水平，具有一定的研究?jī)r(jià)值。