某工程混凝土柱施工缺陷置换加固设计

皇垚华 余鑫海 张 涛

陕西省建筑科学研究院有限公司 陕西 西安 710082

随着新技术、新工艺的不断发展，为了更好地提高建筑物的整体质量，保证加固技术的创新和质量至关重要。目前常见的加固方法有：增大截面法、外包型钢法、粘贴钢板法、粘贴碳纤维复合材料法、置换混凝土法、增设支点加固法、增设构件加固法和卸荷法等[1]。

置换混凝土加固法是采用高性能灌浆料对构件受压区强度偏低、有严重质量缺陷的混凝土进行置换处理[2]。该方法受力可靠，工艺简单，加固费用相对偏低，应用面较广，不增加构件截面尺寸，不影响建筑物的净空和使用功能，施工时需有可靠支撑措施。

本文以某工程项目为例，总结了置换混凝土加固法在不同工程的实际应用[3-6]，对不同加固方法进行综合对比分析，提出了适用于该工程的置换混凝土加固法和外包型钢加固法，并对原构件进行了有效的支顶，最终对该工程的加固效果进行了分析评价。研究成果可为类似加固改造项目提供借鉴。

1 工程概况

某工程主体结构为框架剪力墙结构，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8度，抗震设防分类为丙类。地下1层为车库，层高为4.5 m，地下车库为框架结构，基础形式为独立基础加防水板，混凝土强度等级为C35，柱网尺寸为8 100 mm×8 100 mm。

工程投入使用一段时间后，发现地下室部分柱的柱顶存在施工缺陷，柱顶混凝土出现鼓胀、局部混凝土不密实、露筋等现象。建设单位为防止框架梁出现变形，使用千斤顶进行临时支撑。为确保结构的安全性，需对该工程出现问题的混凝土柱进行加固处理。

2 加固方案

针对本项目实际情况，结合常用的加固技术，制定比较合适的加固方案。加固方案不能影响地下车库的正常使用，要充分重视节点核心区的抗剪承载力，并考虑施工过程的安全性及加固的经济性、工期等综合因素的影响。

本工程由于施工问题，部分柱头混凝土有严重缺陷，且对建筑空间的使用要求较高。通过对增大截面、粘贴钢板、外包型钢、粘贴纤维复合材料、置换混凝土加固等几种常规加固方法进行对比论证，发现采用置换混凝土加固法有较好的施工可行性，可从根本上解决上述问题。考虑到该工程在实际施工时操作难度较大，新旧混凝土结合面的处理效果很难达到协同工作的程度，在混凝土置换完成后，采用外包型钢加固法进行加固，可将弱柱转变为强柱，从而增加构件承载力，也可部分降低柱核心混凝土的轴压比。

3 加固设计

3.1 置换方法

采用置换法加固混凝土构件，需对结构加以有效的支顶。本工程采用托梁换柱法、分期置换法将整个混凝土构件进行全部置换[7]。

1）采用YJK软件进行结构内力计算分析，确定置换构件的荷载，确定支撑方案，对加固柱四周进行可靠支撑，加固期间柱受荷范围内应取消全部活荷载，并严禁新增恒荷载。

2）凿除节点核心区具有缺陷的混凝土至密实部位，保留梁柱钢筋，尽量避免破坏原结构钢筋。

3）对原结构钢筋进行清理及修复，原结构表面不得有浮浆、浮灰、油污等杂物，对新旧混凝土结合面进行处理。

4）按相关技术规范支设模板，模板边缘用密封胶封堵，采用C40高强灌浆料按压力注浆法灌注密实，对构件进行养护，混凝土强度达到设计强度后，拆除模板、支撑，使新旧混凝土黏结成一个整体。

5）采用外包型钢加固法进行加固，提高结构承载力及延性，使结构更安全可靠。

对混凝土柱进行置换时，应采用分期置换法，即将混凝土柱分4期进行置换，先置换一个角的混凝土，待其强度达到要求后，再置换对角直至完成，每个区域需重叠不小于50 mm。

每阶段混凝土凿除完毕后，应对上一阶段混凝土界面进行凿毛处理，并清理界面及碎渣[8]。施工期间应加强对结构变形的监测，若有异常变形情况，应立即停止施工。置换顺序如图1所示。

图1 柱混凝土置换顺序

本工程柱置换部分采用分层施工，每层厚度不超过100 mm，待每层新灌浆料达到设计强度后，方可进行下一层施工。柱置换部分立面如图2所示。

图2 柱置换部分立面

3.2 材料性能

本工程采用高强无收缩灌浆料来保证施工质量，其具有高强、无收缩、微膨胀、自流平、保水性好等特点。在浇筑混凝土柱时留置40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试块，并与混凝土柱同条件养护。外包型钢加固法钢材型号为Q345B。

3.3 支撑验算

采用YJK软件进行计算分析，通过去掉置换柱，四周加钢支撑，支撑两端需设置钢垫板，每个钢支撑承担的轴力为950 kN。

支撑选用Q235的300 mm×300 mm×10 mm×16 mm工字钢，如图3所示。

图3 钢支撑示意

经计算，钢支撑选用300 mm×300 mm×10 mm×16 mm工字钢，其强度、长细比、稳定性、局部稳定均满足规范要求。

3.4 外包型钢加固

对置换完成的混凝土柱及梁柱节点进一步采用外包型钢加固法进行加固，柱外包型钢加固后，原柱与型钢构架共同承担荷载，可大幅提高柱的承载和抗震能力。节点核心区外包型钢加固后，可达到“强节点”的设计目标。

4 结语

本文以某工程实际为背景，对混凝土存在严重缺陷的加固方法进行了详细介绍，通过分析对比不同加固方法的特点，对置换混凝土加固法、外包型钢加固法在类似工程中的应用进行分析研究，并对原构件进行了有效的支顶，可得到以下结论：

1）置换混凝土加固法可从根本上解决混凝土有严重缺陷的问题，考虑到新旧混凝土结合面的处理效果很难达到协同工作的程度，置换完成后采用外包型钢加固法进行加固。

2）为了提高结合面的黏结性能，采用高强无收缩灌浆料作为置换材料，高强无收缩灌浆料具有高强、无收缩、微膨胀、自流平、保水性好等特点，可以较简单、高效地提高原混凝土结构的承载能力。

3）本工程采用托梁换柱法、分期置换法将整个混凝土构件进行全部置换，技术可行性较高，降低了加固工程的施工成本。

4）由于被置换的构件为结构中的主要受力构件，通过理论计算，建立了安全可靠的支撑体系来支撑上部结构的安全，同时避免了结构梁产生竖向变形、裂缝。

本工程采用的混凝土置换加固法、外包型钢加固法的施工效果较好，新置换的混凝土较密实，新老混凝土之间的黏结效果较好，加固质量满足设计要求，具有良好的推广应用价值，对其他类似项目具有一定的指导意义，可在施工过程中参考应用。