混凝土置換法在柱加固中的應用實例
一、工程概況
西安某商住寫字樓為12層全現澆混凝土框架一剪力墻結構形式建筑物，1層—2層層高4. 80 m，三層5.10 m，四層以上為標準層，層高3.40 m。柱網尺寸7800 mm×7500 mm。中跨柱截面尺寸：1層～3層為900 mm×900 mm，4層—6層為800 mm×800 mm。5層以下混凝土設計強度等級為C40，5層以上為C35。2002年8月該工程在施工到6層時（6層柱混凝土已澆筑完畢，梁、板模板已安裝完畢，擬澆注混凝土），對3層以下梁柱進行混凝土實體檢測時，發現3層柱的強度達不到設計要求，后采用鉆芯法進行強度確定，最大值為14.9 MPa，僅為設計強度C40的37. 20%。業主要求采取可靠措施進行處理，以確保結構的安全性符合設計要求。
二、加固方案的選擇
針對該工程出現的問題，加固單位提出了以下幾種修復方案，見表5. 17。
表5.17 三種加固方案的特征
由于問題柱混凝土強度降低得太多，業主要求對外包碳纖維布及外包鋼法的加固效果進行了縮尺寸模型試驗。試驗結果表明：上述兩種方案的加固效果達不到恢復構件原有承載能力的程度。業主與設計單位經過各方案的論證對比，決定采用托粱換柱修復方案，即支撐框架梁，將問題柱全部拆除后，重新澆筑。
三、托梁換柱方案的可行性
方案實施前，采用回彈法對與問題柱頂、柱底相連的框架梁梁端部進行了強度測試，結果均大于40 MPa。
圖5. 26 三層結構平面
斷柱后各支撐力的大小及各相連框架梁的承載力復核：
荷載情況（以荷載標準值為計算依據，不考慮活荷載）
3～5層已完工部分：
樓面恒載標準值： 3 kN/m2
6層施工層荷載標準值：
柱自重： 44.8 kN（作用于④／C柱上）
施工荷載：
模板及支架： 1.1 kN/m2
板鋼筋： 1.1 kN/m2
梁鋼筋： 1.5 kN/m2
3層④/C柱拆除后，總支撐力為1170.8 kN。
各支撐按各框架梁承重面積進行支撐力分配，各支撐力為：
N1=343.1 kN N2=N4=361.2 kN N3=339.5 kN。(分配系數見圖5. 26)
3層各支撐梁抗剪能力復核：
Vcs+Vc+Vs= 403.8 kN>V=361.2 kN，抗剪承載力滿足要求。
經復核2層各支座梁抗剪能力也滿足要求。
斷柱后，3層頂梁支撐段內正截面抗彎能力復核：
Mu= 255.32 kN·m>M =188.3 kN·m，支撐段內梁的正截面抗彎能力滿足要求。
復核驗算結論：與④/C柱相連的框架梁的承載能力滿足斷柱后的承載要求。
斷柱后的梁變形情況見表5.18。
表5.18 斷柱后的梁變形情況 (單位：mm)
斷柱后框架梁的承載能力及變形復核結果表明：該工程具備實施托梁換柱的條件。
圖5.27 支撐及變形監測系統示意圖
四、托梁換柱方案的實施過程
支撐系統：為確保支撐系統的安全性，每個支撐點有兩套支撐系統，支撐系統由帶測力儀油壓千斤頂、支撐鋼管、U型托板及墊板組成。
變形監測系統：在四層④/C柱的兩個對面上，粘貼位移刻度板(最小刻度0. 20 mm)，使用水準儀在距離該柱一個柱距以外進行觀測。
支撐系統及變形檢測系統在安裝調試正常后，各支撐首次加載至設計支撐力值的70%，同時監測位移變化，無異常情況后，即開始對原柱進行拆除。拆除工作從四周向中間，自下而上進行，斷柱時，測力儀及位移均無明顯變化（各支撐即保持該力值），原柱全部拆除后，即迅速清理現場，修復鋼筋，清刷混凝土接觸面，重新綁扎鋼筋，架設模板，模板人料口高出柱斷面20 cm。混凝土從四層樓板開洞入料，補強混凝土采用C50，配合比為水：163；42.5水泥：430；二級粉煤灰：60;砂：660；石子：1070；外加劑：SBB - 800: 10；UEA: 30。坍落度：150 +20；凝結時間：4~6 h。該工程自支撐制作開始至混凝土重新澆筑完畢，共用6天。澆注完畢后4天，混凝土即達到30 MPa，新舊混凝土界面結合密實，未出現裂縫，6層隨即恢復施工。28天對該柱進行實體檢測，強度滿足C50要求。
五、結論
根據工程出現的實際問題，對本修復方案進行了嚴格驗算。并對該方案組織了認真的實施，使三層問題柱在安全穩定的支撐條件下得到托換處理。整個托換過程中，柱節點下移量<0.2 mm，各相關構件均未出現變形裂縫，并且修復完畢后，相關構件無任何修補痕跡。這種修復方法不僅滿足了結構的安全要求及使用要求，而且對整個工期未產生明顯影響，并且消除了業主的心理陰影。工程建成后，使用情況良好，無任何不良情況發生。