混凝土置换法在柱加固中的应用实例
一、工程概况
西安某商住写字楼为12层全现浇混凝土框架一剪力墙结构形式建筑物，1层—2层层高4. 80 m，三层5.10 m，四层以上为标准层，层高3.40 m。柱网尺寸7800 mm×7500 mm。中跨柱截面尺寸：1层～3层为900 mm×900 mm，4层—6层为800 mm×800 mm。5层以下混凝土设计强度等级为C40，5层以上为C35。2002年8月该工程在施工到6层时（6层柱混凝土已浇筑完毕，梁、板模板已安装完毕，拟浇注混凝土），对3层以下梁柱进行混凝土实体检测时，发现3层柱的强度达不到设计要求，后采用钻芯法进行强度确定，最大值为14.9 MPa，仅为设计强度C40的37. 20%。业主要求采取可靠措施进行处理，以确保结构的安全性符合设计要求。
二、加固方案的选择
针对该工程出现的问题，加固单位提出了以下几种修复方案，见表5. 17。
表5.17 三种加固方案的特征
由于问题柱混凝土强度降低得太多，业主要求对外包碳纤维布及外包钢法的加固效果进行了缩尺寸模型试验。试验结果表明：上述两种方案的加固效果达不到恢复构件原有承载能力的程度。业主与设计单位经过各方案的论证对比，决定采用托粱换柱修复方案，即支撑框架梁，将问题柱全部拆除后，重新浇筑。
三、托梁换柱方案的可行性
方案实施前，采用回弹法对与问题柱顶、柱底相连的框架梁梁端部进行了强度测试，结果均大于40 MPa。
图5. 26 三层结构平面
断柱后各支撑力的大小及各相连框架梁的承载力复核：
荷载情况（以荷载标准值为计算依据，不考虑活荷载）
3～5层已完工部分：
楼面恒载标准值： 3 kN/m²
6层施工层荷载标准值：
柱自重： 44.8 kN（作用于④／C柱上）
施工荷载：
模板及支架： 1.1 kN/m²
板钢筋： 1.1 kN/m²
梁钢筋： 1.5 kN/m²
3层④/C柱拆除后，总支撑力为1170.8 kN。
各支撑按各框架梁承重面积进行支撑力分配，各支撑力为：
N1=343.1 kN N2=N4=361.2 kN N3=339.5 kN。(分配系数见图5. 26)
3层各支撑梁抗剪能力复核：
Vcs+Vc+Vs= 403.8 kN>V=361.2 kN，抗剪承载力满足要求。
经复核2层各支座梁抗剪能力也满足要求。
断柱后，3层顶梁支撑段内正截面抗弯能力复核：
Mu= 255.32 kN·m>M =188.3 kN·m，支撑段内梁的正截面抗弯能力满足要求。
复核验算结论：与④/C柱相连的框架梁的承载能力满足断柱后的承载要求。
断柱后的梁变形情况见表5.18。
表5.18 断柱后的梁变形情况 (单位：mm)
断柱后框架梁的承载能力及变形复核结果表明：该工程具备实施托梁换柱的条件。
图5.27 支撑及变形监测系统示意图
四、托梁换柱方案的实施过程
支撑系统：为确保支撑系统的安全性，每个支撑点有两套支撑系统，支撑系统由带测力仪油压千斤顶、支撑钢管、U型托板及垫板组成。
变形监测系统：在四层④/C柱的两个对面上，粘贴位移刻度板(最小刻度0. 20 mm)，使用水准仪在距离该柱一个柱距以外进行观测。
支撑系统及变形检测系统在安装调试正常后，各支撑首次加载至设计支撑力值的70%，同时监测位移变化，无异常情况后，即开始对原柱进行拆除。拆除工作从四周向中间，自下而上进行，断柱时，测力仪及位移均无明显变化（各支撑即保持该力值），原柱全部拆除后，即迅速清理现场，修复钢筋，清刷混凝土接触面，重新绑扎钢筋，架设模板，模板人料口高出柱断面20 cm。混凝土从四层楼板开洞入料，补强混凝土采用C50，配合比为水：163；42.5水泥：430；二级粉煤灰：60;砂：660；石子：1070；外加剂：SBB - 800: 10；UEA: 30。坍落度：150 +20；凝结时间：4~6 h。该工程自支撑制作开始至混凝土重新浇筑完毕，共用6天。浇注完毕后4天，混凝土即达到30 MPa，新旧混凝土界面结合密实，未出现裂缝，6层随即恢复施工。28天对该柱进行实体检测，强度满足C50要求。
五、结论
根据工程出现的实际问题，对本修复方案进行了严格验算。并对该方案组织了认真的实施，使三层问题柱在安全稳定的支撑条件下得到托换处理。整个托换过程中，柱节点下移量<0.2 mm，各相关构件均未出现变形裂缝，并且修复完毕后，相关构件无任何修补痕迹。这种修复方法不仅满足了结构的安全要求及使用要求，而且对整个工期未产生明显影响，并且消除了业主的心理阴影。工程建成后，使用情况良好，无任何不良情况发生。