李明蕾，杨志刚, 李晓霞, 孙长征
(1.山东理工大学 建筑工程学院, 山东 淄博 255049；
2.淄博职业学院 人工智能与大数据学院，山东 淄博255012；
3.山东同科建筑科技有限公司, 山东 济南250101)
中国建筑业经过近30年的粗放式发展，已逐步由高速发展进入稳定发展期，目前中国房屋建筑的平均寿命约为25～30年，且大量老旧建筑和工业建筑已不能满足改造后的功能需求，在国家倡导建设节约型社会的大背景下，又不能大拆大建；
因此，从可持续发展角度，建筑行业发展应由大量新建转变为维修与加固改造为主，尽量延长建筑的使用寿命。目前建筑物的维修、改造和加固技术的研究已成成为工程领域的研究热点[1]。
在既有建筑的维修、加固改造技术中，混凝土置换是一种不影响原构件尺寸，加固效果显著的施工方法；
但一般由于带载施工，同时也存在较大风险[2]，尤其是地下车库框架柱的置换，由于上部覆土较厚，施工安全风险更高。置换施工通常需借助于顶升托换技术，常用的托换技术有预应力托换、混凝土抱柱梁托换、全钢支撑托换等[3]。预应力托换只有特定要求下才能使用，全钢支撑托换安装方便；
但节点处理比较复杂，焊接质量要求较高，存在潜在的危险因素，因此应用不多。混凝土抱柱梁拖换施工成本较高，工期长，但施工安全可靠，应用范围较广。顶升托换时的关键是控制顶升位移，目前这方面的研究并不多。胡金鸾等曾对置换过程中的位移变化进行了分析，对顶升的控制位移值范围提供了建议[3]，由于推荐的数值范围较大，对施工的参考性不强。本文以某地下车库大量柱顶出现劈裂事故为例，结合其出现事故的原因进行分析，提出了新的置换施工技术和工艺，降低了施工成本和安全风险，减少了工期，能够为以后类似的项目提供参考。
淄博某住宅楼地下车库为地下一层，建筑面积5万m2，层高3.80 m，基础形式为：墙下钢筋混凝土条形基础、柱下钢筋混凝土独立基础+抗水板。设计要求普通混凝土，强度等级为基础垫层C15；
基础C35；
上部柱、梁、板、挡土墙结构C35，该车库顶楼面覆土厚1.80 m，覆土容重18 kN/m3,车库顶面为种植屋面，活荷载4.00 kN/m2。
车库主体施工过程中，施工单位为赶工期，减少支模和养护时间，在征求业主同意的情况下，修改了原施工方案中先浇柱、后浇梁的施工工艺，变更为柱梁板共同浇筑。实际浇筑施工时发现，梁柱节点处钢筋密集，绑扎完后柱混凝土难以浇筑，且振捣困难；
后自行将柱混凝土材料改为流动性强的自密实混凝土，强度变为C40，梁板仍按原设计C35普通混凝土。该车库主体结构于2018年10月至11月施工完毕，2019年3月车库顶覆土开始陆续施工，推土机、自卸汽车陆续在车库顶板工作，后发现车库部分混凝土框架柱出现凝土压溃、劈裂，主筋压弯、变形严重等质量问题，现场做了紧急支撑处理，如图1所示，大量柱表面出现不规则的裂缝，如图2所示。
图1 柱顶劈裂破坏图
图2 柱表面裂缝图
2.1 检测与鉴定
鉴定检测机构对车库完成了现场调查、确认了结构布置及构件截面尺寸、用钢筋定位仪查看钢筋配置数量和间距，检测结果均满足设计要求，用回弹法和钻芯法检测了混凝土抗压强度，以及用全站仪测量柱压弯变形等其他内容。现场检测共发现损伤柱110棵，集中分布在车库南侧区域，柱外观颜色不一，上部为浅灰色，存不规则裂缝或压碎鼓出；
下部为深灰色，存在蜂窝麻面现象，所有柱表面出现明显的分层。钻芯取样发现，上层、中层芯样均无粗骨料、上层重量轻，中层易折断，下层与正常芯样无异，按民用建筑可靠性鉴定标准(GB 50292—2015)规定，25棵严重损伤的框架柱安全性等级评为du级，其安全性极不符合标准对au级的要求，已严重影响承载力，必须立即采取措施。30棵全柱裂缝和55颗仅柱顶有裂缝的框架柱，安全性不符合标准对au级的要求，其安全性等级评为cu级，应采取加固措施。主要检测鉴定结果见表1。
表1 检测结果
另外检测中发现，该车库与损伤框架柱相连的部分框架梁底部有框架柱流淌过来的浮浆层，该浮浆层与上部普通混凝土黏结力较差，导致浮浆层出现空鼓、脱落现象，致使梁底钢筋保护层厚度减小，箍筋外露，影响钢筋握裹力。该框架梁安全性等级评为cu级，即安全性不符合本标准对au级的要求，显著影响承载力，应采取措施[4]。
2.2 事故原因分析
首要因素是考虑所用自密实混凝土材料是否具有高流动性和良好的稳定性，经调查，本次受损柱的混凝土均由同一商品混凝土供应商提供，相关的试验证明材料完整，且其他相同批次的区域未出现质量问题，所以可排除材料方面的原因。
其次，该工程框架柱出现质量问题主要表现为浇筑后混凝土出现了严重不均匀现象，出现了明显分层，上面一层为粉煤灰层，主要由粉煤灰和少量的水泥组成，无粗骨料，外观类似加气混凝土，质量轻，回弹强度较低，强度推定值<10.0 MPa；
中间一层为水泥和少量砂子组成的水泥层，无粗骨料，回弹强度高，但抗折强度极低，取出的芯样很容易折断，下层为混凝土层，表面出现许多不规则裂缝。经查阅施工日志，本次受损柱的施工大部分由同一个混凝土施工班组完成，且存在部分夜间施工情况，施工速度较快，且在浇筑混凝土时普遍未使用溜槽等工具。
因此,出现质量事故的原因主要有以下几方面：
1)更换混凝土材料后，施工班组人员未经技术交底，施工工艺不合理，高处浇筑混凝土未使用溜槽，造成粗骨料下移、细骨料和浆液上浮；
柱顶强度过低而造成受压破坏。
2)南侧车库顶板堆土过于集中，未及时摊平，施工机械过早到顶板施工，在强度未完全达到时，过大负载造成框架柱受压破坏。
3)施工时气温低，养护条件达不到要求，致使柱表面出现微裂缝。
4)现场调查时还发现，柱顶出现质量事故后，现场顶板的覆土施工仍在继续，更加剧了柱顶的破坏。
5)框架梁的质量问题主要是框架柱流淌过去的混凝土脱落而导致钢筋外露。
常见的加固设计方案对比见表2。本项目110颗框架柱的损伤特点具有共性，即上柱部分强度过低或压碎，其余部位或强度不足，或存在裂缝，经甲方、监理及总包单位的共同研究和比较，最终采用多种加固方法共存的设计方案五。
表2 加固设计方案对比分析表
所有损伤柱柱顶部位采用置换方式处理，置换范围为屋面板板顶至缺陷下边缘外延500 mm，全柱裂缝均采用压力注胶灌缝进行修补。强度检测值小于35 MPa的采用外包型钢加固，大于35 MPa则不考虑加固。
外包型钢和压力灌胶均为常规加固方法，施工工艺比较成熟，本文不再赘述，本文重点讨论柱顶置换的相关技术问题。置换施工前要求停止顶板车辆和人员活动，由于柱顶已破坏严重，且覆土已经基本完成，难以大面积的清除上部覆土，现场只能带负荷顶升置换，以框架柱KZ6为例，正常条件下其柱顶所受所受竖向荷载P为
P=γsBH+γcBHh+γcAl,
(1)
式中:γs=18 kN/m3为上部覆土重度；
γc=25 kN/m3为钢筋混凝土重度；
B=8.4 m,H=6 m分别为柱两方向柱距，h=0.2 m为顶板厚度；
A为框架梁横截面面积；
l为对应A的框架梁长度。代入后得到P=2 100 kN。
由于上部荷载较大，且柱顶已经产生下挠变形，如何将梁板顶升至原设计标高，安全卸载后置换是施工成功与否的关键[5]。本项目采取的方案如图3所示。
图3 支撑卸载平面布置图
1)顶升方案：钢柱加千斤顶支撑周边主梁，柱周边设置12棵250*12方管钢支撑，每棵钢柱受力为F=2 100/12=175 kN,支撑顶部设50 t千斤顶，上下均用20 mm厚钢板作为千斤顶支撑底座，顶升荷载分阶段施加，分别为10%F,35%F,55%F,80%F,100%F。
2)监测方案：为掌握钢支撑柱和混凝土置换柱在顶升过程中的变形情况，本工程进行了实时施工监测，在4根钢柱中间粘贴应变片，在相同材料表面粘贴温度补偿应变片以消除温度影响。在四周梁端底面放置4个量程为0～10 mm(精度0.01 mm)的百分表，指针与梁顶面接触，使其产生8 mm变形，顶升过程中根据变形差判断顶升位移。放置2台全站仪，观测梁的水平度[6]。
图4 支撑卸载立面布置图
3)支撑支座方案：车库地面为已经完成的刚性地面，强度较低,若地面承载力按180 kPa计算，每个柱脚底板面积约需要1 m2，不仅费工废料，且由于地面不均匀，若其中一个因为沉陷退出工作，势必引起其他支撑构件的破坏。为保证施工安全，加强支座整体性，设计采用HW400*400*13*21 H型钢制作长条形支座，为防止支座滑动，采用M12锚栓与地面固定。利用有限元分析软件MIDAS GEN 对型钢支座与地面的接触压力按弹性地基梁法进行了力学分析，分析结果见图 梁支座的最大应力为25.8 MPa,支座给地面的最大压力出现在支座端部，折算压力为147 kPa，能保证地面安全。
4.1 梁顶升恢复变形
以ZHZ6为例，用千斤顶按顶升方案中设定的分段数值依次进行加载，加载应对称进行，同时记录各阶段百分表读数，每阶段加载至设定载荷时，保持加载值维持5 min，观测梁变形和支撑稳定性[7]，顶升阶段梁端顶升力与顶升位移曲线如图5所示。
图5 顶升力与梁端顶升位移曲线图
图5中1号至4号分别指柱四周框架梁梁端编号，从图5中可以看出：
1)梁端位移变化与顶升力大致呈线性关系，符合基本的力学变化规律。
2)顶升加载初期，梁端未出现顶升位移，初始观察到的千斤顶位移主要是支撑装置之间未预顶紧产生的压紧变形，因此顶升施工前应施加预顶力。
3)实际顶升力还未达到计算顶升力，大约为计算顶升力的0.6倍时，百分表指针开始转动，梁端开现变形。
4)随顶升力增加，梁端变形逐渐增大，1号、2号梁的截面尺寸大于3号、4号梁，在相同顶升力作用下，梁端变形值偏小，其中2号梁某几个采集数值发生突变，主要原因是固定百分表装置发生松动所致。
5)当梁端顶升位移达到7 ～8 mm时，梁端恢复到原位置，结束顶升，此时顶升力约为计算顶升荷载的0.9～1.05倍。
4.2 凿除混凝土柱监测及分析
顶升卸载施工完毕后开始人工凿除和置换，共分四批依次进行，每次沿凿除1/4柱截面，完成一次凿除后对钢柱应变进行监测，进行下一次监测前将应变仪调零[8]，测得的钢柱应变结果见表3。
表3 支撑钢柱监测数据表
由表3监测数据可知，混凝土柱卸载后的在凿除过程中，钢柱支撑的应力变化逐渐变小，应力值未出现较大波动，说明已经成功卸载。
4.3 加固柱施工流程
为确保工程安全，对初始加固的框架柱周边楼板进行满堂脚手架支撑，脚手架钢管型号为Φ48*3.5，立管纵横向间距为0.6 m，水平横管间距为1.2 m，顶部通过可调节支托与楼板顶紧，具体加固施工流程如图6所示。
图6 施工流程图
4.4 置换施工要点
剔除被置换的混凝土时，应采用电动机械设备结合人工剔除的方法，严禁采用风镐及重锤夯击，并应避免损伤钢筋。剔除范围应在达到缺陷边沿后，再向边沿外扩不小于50 mm。新旧混凝土接触面应凿毛，并用钢丝刷等工具清除原构件表面疏松的骨料、砂砾、浮渣和粉尘，后用清洁压力水冲洗干净，涂刷一道界面剂。
4.5 凿除柱顶混凝土后的附加安全处理
理论上完全卸载后可以直接凿除和浇筑，考虑现场上部覆土比较重，为确保施工安全，现场分段凿除柱混凝土后，立即采用附加短钢柱支撑，逐步替换剔凿混凝土，作为一项附加安全处理措施，如图7、图8所示。施工时首先切断柱顶箍筋，后剔凿周边混凝土，深度约150 mm，用H100*100短钢柱塞入柱头，为防止局部荷载下柱顶发生劈裂破坏，钢柱下部放置150*150*20钢垫板，顶紧四周后开始剔凿内部混凝土，如此可把梁上的荷载通过钢柱传给下部柱，避免梁悬空下垂的风险。在浇筑混凝土前，将纵筋与钢柱焊接，表面涂刷一层结构胶后支模浇筑。
图7 钢柱替换示意图
图8 钢柱替换现场图
本项目地下车库柱顶置换施工整体进展顺利，施工中未出现任何安全事故。本方案的单柱置换施工成本与传统抱柱梁置换成本对比见表4。从表4可以看出，虽然本方案的支撑卸载工艺费用较高，但混凝土剔凿施工和支撑底座施工的成本明显降低，且减掉了抱柱梁凿毛、植筋及浇筑等工序，整体成本节约了20%。当置换柱数量较多时，支撑钢柱可循环使用，亦能降低施工成本。
表4 施工成本对比表
凿除混凝土柱头时，本方案采用边剔凿边支撑的方式比传统的分段剔凿分段浇筑节省了养护时间，减掉抱柱梁的植筋、浇筑工序后更加快了施工进度，原计划50 d的工期，实际用时35 d，节省了28%的工期。柱顶置换完成后，未影响原结构的使用功能，未降低建筑物的整体使用寿命，成功解决了工程的巨大隐患。
1)混凝土强度过低的混凝土柱仅局部高度需要置换时，不建议采用抱柱梁支撑卸载置换方案，采用本文介绍的加固方案更安全、经济，社会效益显著。
2)因柱破坏引起梁端下垂变形，且挠度值不超过10 mm时，建议采用本文方案进行顶升卸载，顶升力为0.6F时梁端开始回升，顶升力在0.9F～1.05F之间时，梁端基本能恢复到原位置。
3)现场条件不允许钢支撑下部设置混凝土基础时，可采用大尺寸型钢梁作为条基。
4)该技术方案较传统置换技术能节省28%工期，降低20%的成本。
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