混凝土结构置换施工技术应用

刘 欢

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

1 工程背景

某高层建筑为地上32层，地下1层，建筑高度99 m,建筑面积约2万m2，钢筋混凝土剪力墙结构。项目建成以后对其进行了混凝土强度检测，经检测鉴定：从第9层开始，以上部分楼层的部分墙肢混凝土强度等级为C20至C30不等，与原设计强度C40相差较大，质量问题严重。经检测分析，造成其质量问题的原因可能有：混凝土配合比不合理、外加剂的掺加量过大、搅拌站用石粉代替了黄沙等。造成每片墙肢强度略有不同的原因有不同墙肢所用混凝土不是一罐料、搅拌时间的差异、混凝土的振捣差异、养护时间差异等。

本文通过高层建筑的加固工程，对施工方案的比选、施工前的结构计算、原结构墙肢的置换施工工艺、施工监控实测、置换后的加固效果进行了分析。

2 方案选择

2.1 施工方案选择

目前常用的结构加固方法有加大截面法、外包型钢法、碳纤维加固法、置换加固法等。

本项目出现的问题是混凝土强度不足，通常采用拆除原结构重新施工、加大截面法和置换加固法3种方案处理。

(1)拆除原结构重新施工。本项目部分墙肢强度不足，若全部拆除会造成巨大的经济损失，且会严重影响工期。

(2)加大截面法。会增加自重，加大截面尺寸，减少使用面积，影响外观和使用，增大尺寸的范围及产生的效果没有明确的结论[1]。

(3)置换加固法。对于强度达不到设计要求或者破坏严重的混凝土结构，加固效果较明显，较为适合本项目出现的强度不足等问题。

2.2 置换施工设计

(1)采用PKPM结构计算软件对整体结构进行建模计算，按原设计荷载分析轴压比，根据墙肢轴压比是否超限，结合墙肢混凝土强度，判断墙肢是否需要进行加固[2]。本工程抗震等级为3级，规范中墙肢轴压比的规定限值为0.6[3]。

(2)考虑到施工成本和工期限制，结合工程实际情况，在置换施工方案中，放弃了传统的全托换一次置换法，采用分批置换法。由于加固工期较短，在置换施工过程中上部结构禁止施工，仅考虑结构自重及较少的施工活荷载，不考虑地震作用。进行墙肢分批宽度及批次数量设计，以剩余构件能支撑上部荷载为标准。

(3)在置换施工前后，进行监控是为了观察墙肢构件状态，保证施工安全。

(4)新浇筑的混凝土达到设计强度后，要与原有结构共同受力，共同受力的关键在于结合面的处理[4]。混凝土在结合面处的粘结强度是低于其本身强度的，所以二次组合结构承载能力低于整浇结构。但在实际工程中空腔两侧有端柱约束，且新旧混凝土有钢筋网相连。新老混凝土结合面处的界面处理和施工质量符合规范要求时，可按整体受力计算[5]。

3 结构加固计算

3.1 置换施工前计算

回弹仪检测剪力墙混凝土强度等级为C25，轴心抗压强度设计值取11.9 MPa[6]。在原设计条件下，荷载按规范取值[7]，由PKPM结构计算墙肢内力:N=8.4×106N。实际荷载条件下，仅考虑结构自重及隔墙自重，施工活荷载适当折减取1 kN/m2，PKPM结构计算墙肢内力:N=4.07×106N。混凝土轴心抗压强度设计值如表1所示。

表1 混凝土轴心抗压强度设计值 单位：MPa

3.2 构件剔除

剔除墙肢第一批次构件后，由PKPM结构计算墙肢内力合计为:N=4.04×106N，其中a端墙396 000 N，其余构件3 648 000 N。

由PKPM计算墙肢轴压比。可见，在当前荷载条件下，墙肢剩余构件轴压比均不超限，其中a端墙肢0.32，其余构件0.24，仅靠剩余构件可以支持上部荷载。

3.3 置换完工后计算

置换轴心受压构件时，其正截面承载力应符合下式规定：

(1)

式中：N为构件加固后的轴向压力设计值；N′为构件加固后的承载力设计值；φ为受压构件稳定系数，取0.9；αc为置换部分新增混凝土强度利用系数，置换过程无支顶时，取0.8，置换过程有支顶时，取0.9，本工程置换过程无支顶，取0.8；fc0、fc为原构件混凝土和置换部分新混凝土的抗压强度设计值；分别取11.9 N/mm2、27.5 N/mm2；Aco、Ac为原构件混凝土剩余截面面积和置换部分截面面积。

墙肢加固后的承载力设计值：

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

N′=1.12×107N

(2)

墙肢加固后承载力设计值是N=1.12×107N，远远大于原设计荷载即轴向压力设计值N=8.41×106N，认为达到预期的加固效果。

4 施工要点

4.1 施工流程

第一批次构件剔除、钢筋整理、交界面处理、模板搭设、混凝土浇筑、养护完成后，进行下一批次构件施工，如此循环，将墙肢各构件依次置换,如图1所示。墙肢构件的剔除如图2所示。

图1 墙肢置换施工顺序 图2 墙肢构件的剔除

4.2 施工要点

(1)构件剔除。凿除工具严禁使用大锤，防止破坏钢筋网和相邻部位。前一批次浇筑的混凝土达到设计强度后，再进行后一批次构件的剔除。各批次置换区的浇筑一次性完成，浇筑时间控制在初凝时间内，不留施工缝。

(2)钢筋整理。构件剔除后对钢筋网上残留混凝土颗粒清洁干净，保证钢筋与混凝土之间的握裹力。

(3)交界面处理。交界面处采用小型电钻，以免振动过大造成交界面处破坏。凿毛1 cm-2 cm以增加结合面，交界面清洁干净并保持湿润状态[8]。

(4)模板搭设。模板按构件尺寸制作，两侧模板采用钢筋卡扣连接紧固，以减少作业面，便于施工。

(5)混凝土浇筑。在本层剔除构件对应的上层地面与墙体结合处开洞，采用微膨胀的C60高强灌浆料进行浇筑。为避免置换区域顶面与上层构件连接处形成冷缝，在浇筑口设置喇叭口，使浇筑完成面高于连接面10 cm，待混凝土初凝后凿除[9]。

(6)置换施工。应自下而上，下部楼层需要置换的墙肢全部完工并达到设计强度后，再进行上一楼层墙肢的置换施工。置换区域模板搭设图3所示，置换区域上部灌浆图4所示。

图3 置换区域模板搭设 图4 置换区域上部灌浆

5 施工监测

(1)监控目的。在置换施工过程中观察剩余构件的数据变化，保证施工安全；在置换完工后进行数据监控，观察加固效果。

(2)应变计算。在应变计安装完成，结构体稳定后读取初值，在结构体被受力或者其他情况时读取测量值，其与初值的差值即为结构体的应变情况。

为了计算墙肢置换完工后的应变，将应变计安装后的数值作为初值，在埋入式传感器被埋入墙肢各构件中，新浇混凝土达到设计强度并受力稳定后读取测量值。差值=测量值—初值，结构置换完工后的应变值即可得出。埋入式应变传感器如图5所示， 墙肢置换完工后如图6所示。

图5 埋入式应变传感器 图6 墙肢置换完工后

6 结 语

(1)置换施工前，在实际荷载条件下，结构计算内力与监测内力误差为7%，属于合理范围，认为取值可靠。其误差主要是因为现场环境影响、数据取值偏差等因素影响。

(2)置换完工后，通过公式计算墙肢承载力设计值与轴向压力设计值比较可知，达到预期的加固效果。

(3)本工程采用的无支撑依次置换，免去了设置临时支撑，从而避免了支撑体系失效的风险，也避免了支撑杆件对原结构集中力过大造成的局部破坏，降低了加固施工的难度和成本。

(4)通过一系列的结构计算及施工监测证明，采用该方法可有效解决墙肢混凝土强度不足的问题，对于类似工程问题具有参考意义。