高强材料等截面置换混凝土柱_墙表层加固方法的应用研究.pdf
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1、第 43 卷 第 1 期 2013 年 1 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 1 Jan 2013 高强材料等截面置换混凝土柱、 墙表层 加固方法的应用研究 潘立 ( 中国建筑科学研究院建筑结构研究所, 北京 100013) 摘要对于须进行加固或加层改造的多高层混凝土结构, 当仅下部柱、 墙的混凝土强度明显低于设计要求时, 采 用高强材料等截面置换低强混凝土的方法恢复其原设计性能, 可避免上部质量合格的结构被连带拆除重建, 相应 可以降低加固成本、 缩短工期和减小社会不利影响。低强混凝土柱、 墙置换外周或表层截面加固后, 对于其组合截 面应力的不均匀程度
2、, 可利用后期作用的上部结构荷载、 加固前预紧支撑卸荷、 后期混凝土徐变予以减小, 且不改 变这些柱、 墙的极限承载力。分别结合 2 个加固工程实例, 介绍了此加固方法的应用成果, 可供类似混凝土结构加 固改造设计和施工参考。 关键词高强材料;钢筋混凝土结构;表层等截面置换;叠合界面;折算平均强度;变形协调 中图分类号: TU375. 2文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 01- 0085- 06 Application research on the strengthening method for reinforced concrete columns and
3、 shear walls by equal surface layer section replaced with high- strength materials Pan Li ( Institute of Building Structures,China Academy of Building Research,Beijing 100013,China) Abstract: For the multi-layer or high-rise reinforced concrete structures which must be reinforced or layer-adding tra
4、nsformed,when only concrete strength of columns and walls in the bottom of structures is obviously lower than that of design demand,the acceptable upper of these structures can be avoided to demolish in association,by equal surface layer section replaced with high strength materials to increase the
5、average conversion strength of combined section of the vertical members,with decreasing repair cost,duration and unfavorable social impacts For these reinforced members,uneven level of the combined section stress can be homogenized by adding loads later,unloading from tight supports and concrete cre
6、ep with ultimate bearing capacities unchangedRespectively based on two actual engineering projects in this way, relative application research of the new strengthening method is introduced as the reference for design and construction of reinforced concrete structures Keywords: high-strength material;
7、reinforced concrete structure;equal surface layer section replace;composite interface; average conversion strength;coordinate deformation 作者简介: 潘立, 教授级高级工程师, Email: Panli535482 sohu com。 0前言 对于多高层混凝土框架或框剪结构, 当下部柱 墙的混凝土强度不足时, 采用高强材料等截面置换 表层的加固方法, 可避免上部已建成且质量合格的 结构被连带拆除重建, 相应可降低加固成本、 缩短工 期和减小社会不利影响。混凝
8、土结构加固设计规 范 ( GB 503762006) 第 6 章虽然给出了置换混凝 土加固设计的相关规定, 但明确限定仅适用: “非置 换部分的原构件混凝土强度等级, 按现场检测结果 不应低于该混凝土结构建造时规定的强度等级” , “新置换的混凝土强度等级不宜过高, 一般以提高 一级为宜” 。其不含本文研究的被加固柱、 墙混凝 土强度明显低于原设计、 置换截面强度显著高于原 设计的情况。 文 1 3已经进行了采用高强材料等截面 置换表层加固方法的相关研究, 试验研究表明: 这些 被加固柱、 墙在轴压、 偏压( 剪压) 破坏之前, 其组合 截面和叠合界面可始终保持协调变形, 裂缝出现与 发展的规
9、律与一次浇筑成型的混凝土柱墙一致, 延 性无明显降低。 现结合两个工程实例, 对高强材料置换柱、 墙表 层截面的加固方法的工程应用进行研究。选用置换 材料为强度等级不低于 C55 的聚合物砂浆 4或不 低于 C50 的水泥基灌浆料 5。 1青海政协综合楼 1. 1 工程概况 青海政协综合楼为一新建大底盘高层混凝土结 构, 由 A, B 两栋商住楼与一栋办公楼及裙房组成, 其中 A, B 塔楼及办公楼均为地上 31 层, 地下 2 层, 建筑结构2013 年 层 5 及以下为框剪结构, 层 6 及以上为剪力墙结构, 层 5 顶板为转换楼盖, 顶面标高 24. 1m; 裙房地上 5 层、 地下 2
10、 层, 将 3 幢高层结构连为一体。A, B 塔楼 分别施工至地上层 8、 层 6 时, 发现转换层部分框架 柱局部存在严重疏松与空洞缺陷, 混凝土缺损部位 钢筋外露( 图 1) , 项目随后停工。 图 1混凝土框架柱外观疏松缺陷 于 2011 年 5 月对 A, B 塔楼层 5 部分框架柱及 节点进行了检测。抽检的 3 根柱的混凝土芯样抗压 强度为 47. 6 54. 2MPa( 表 1) , 约为原设计强度 ( C50) 的 95. 2% 108. 4% 。 A, B 塔楼结构层 5 部分框架柱混凝土强度实测结果表 1 位置 原设计强度 /MPa 推定强度 /MPa 推定强度 原设计强度
11、轴 /?54. 21. 084 轴瑏 瑢 / T50( C50)47. 60. 952 轴 /?48. 00. 960 注: 圆柱体芯样直径与高度均为 100mm。 采用超声波与 30mm 直径钻芯测缺, 未发现梁 柱节点核心区混凝土不密实。抽检其他表面无缺损 柱, 未见内部有缺陷。轴 /?处框架柱的混凝土不 密实范围与深度均较大。调查分析表明, 事故原因 是转换梁配筋过密, 混凝土浇筑施工不当引起。 1. 2 表层缺陷修补 混凝土局部最大缺损深度 60mm 时, 修补步 骤顺序如下: 1) 根据外观检查结果, 确认所有需修 补柱的位置及其缺损部位; 2) 剔除缺损部位的表面 疏松层, 清除外
12、露钢筋上的浮锈和粘连物; 3) 浇水 充分润湿剔凿面后, 用 C55 聚合物砂浆分层抹灰填 补剔凿区, 每层厚度不大于 20mm, 制作同条件养护 的 7d 与 28d 强度试块; 4) 连续保湿养护抹灰填补区 不少于 7d。 1. 3 深度缺陷修补 混凝土局部最大缺损深度60mm 时, 修补步 骤顺序如下: 1) 根据外观检查结果, 确认所有需修 补柱的位置及其缺损部位; 2) 在被修补柱的外周及 层 3, 4 楼面对应处布置并预紧钢管脚手架安全支 撑; 3) 剔除缺损部位的表面疏松层, 保留该部位圆 形截面芯柱及外周较大密实部分; 4) 按原设计要求 整理外露纵筋与箍筋, 清除钢筋上的浮锈
13、和粘连物; 5) 在剔凿区外侧安装模板及其支撑, 浇水充分润湿 剔凿面; 6) 在模板内重力浇筑强度等级不低于 C60 的灌浆料, 制作同条件养护的 7d 与 28d 强度试块; 7) 灌浆料填补区带模养护 3d, 拆模后再连续保湿养 护 7d。 1. 4 置换截面计算 对于截面非完全缺损的框架柱, 计算确定保留 圆形截面芯柱最大直径 dre时, 设截面中部密实区的 混凝土强度低于原设计强度( C50) , 如不考虑柱内 纵筋的有利作用, dre的计算方法推导如下。 设修补料轴心抗压强度设计值为 fc, h, 柱截面中 部混凝土的轴心抗压强度为 fc, l, 原设计强度为 fc, d, 限 f
14、c, l fc, d fc, h, 柱截面边长为 b c, 限 dre bc, 超强 系数为 c( 置换截面修补后的柱截面折算平均强度 相对增大值) , c1. 0, 由截面平衡条件可列出: fc, hb2 c dre () 2 2 + fc, l dre () 2 2 = cfc, db 2 c ( 1) 解得: dre= 2bc fc, h c fc, d f c, h fc, () 槡 l ( 2) 如忽略保留芯柱的作用, 取 fc, l= 0 代入式( 2) : dre= 2bc 1 cfc, d fc, () h / 槡 ( 3) 图 2深度缺损柱的剔凿与保留截面 近似取保留芯柱截面
15、的混凝土强度等级分别为 C20, C25, C30( 即 0. 4, 0. 5, 0. 6 倍原设计强度) , 得 fc, l= 9. 6, 11. 9,14. 3MPa,bc= 1 000mm,fc, d= 23. 1MPa, 分别取 c= 1. 00( 等强置换截面加固) , 1. 05( 超强 5% 置换截面加固) , 1. 10( 超强 10% 置 68 第 43 卷 第 1 期潘立 高强材料等截面置换混凝土柱、 墙表层加固方法的应用研究 换截面加固) , 代入式( 2) , ( 3) , 可求出相应 dre值见 表 2。 综合分析表 2 可知, 对深度缺损的混凝土方柱, 宜近似取 d
16、re= 600mm, 即剔凿外周部分疏松截面后 保留直径 600mm 的芯柱, 截面置换率为 71. 7% , 如 图 2 所示。如果现场剔凿时发现在保留圆形截面芯 柱的外侧混凝土存在密实部分, 且强度等级不低于 C30、 最小截面不少于 1 /3 拟剔凿截面, 可不再受保 留 600mm 直径芯柱的约束, 仅剔凿清除疏松部分, 然后浇筑填补强度等级不低于 C60 的灌浆料。 保留芯柱截面最大直径 dre计算值 /mm表 2 超强系数 c 芯柱混凝土 强度 /MPa 置换材料强度等级 fc, h/MPa 27. 5( C60)29. 7( C65)31. 8( C70) 0451532590
17、1. 00 9. 6( C20)559647706 11. 9( C25)599687746 14. 3( C30)651739795 0388483550 1. 05 9. 6( C20)480587658 11. 9( C25)515624695 14. 3( C30)559671741 0311429506 1. 10 9. 6( C20)386521605 11. 9( C25)413554639 14. 3( C30)449596682 注: 置换材料实际强度根据其同条件养护试块的 28d 抗压强度 确定。 1. 5 技术分析 由于被测柱的数量较少, 仅根据外观检查和少 量数据无法完
18、全排除层 5 所有外观缺陷柱内部无相 应缺陷的可能性。因此计算 dre时, 根据现场调查和 经验对芯柱截面的轴心抗压强度 fc, l进行了折减。 如被修补柱的实际缺损截面小于相应计算值, 剔凿 施工可保留计算剔凿区内较大的密实部分, 此时芯 柱截面直径大于 600mm, 相当于提高了被折减的 fc, l 值; 如被修补柱的实际缺损截面大于相应计算值, 则 要求剔凿置换所有疏松缺陷, 此时芯柱截面直径小 于 600mm, 相当于减小了已被折减的 fc, l值; 如剔凿 施工前无法确定柱实际缺损截面, 可认为这两种情 况均可能存在, 此时上述确定 dre的过程为预测加固 效果提供了近似分析方法。
19、在检 测 范 围 内, 部 分 柱 的 混 凝 土 强 度 降 低 4. 0% 4. 8% 后, 将近似同比例减小其受压承载力。 如能确认原设计时这些柱的受压承载力设计值大于 规范相应限值的 5% , 可不再对这些柱进行加固。 修补方案技术目标如下: 1) 用聚合物砂浆抹灰 填补局部表层缺损, 用灌浆料浇筑填补局部深度缺 损, 恢复原设计的各项性能与外观; 2) 对混凝土强 度偏低但无缺损的柱, 尽量利用原设计承载力的富 余, 合理减小处理范围。 对于混凝土强度较低、 内力相对较大的被加固 柱, 为确保施工安全, 计算确定 dre值时, 需使保留芯 柱受压承载力设计值大于其上部实际作用荷载标准
20、 值, 将柱周围钢管支撑作为第 2 道安全防线。如有 必要, 同层相邻的被加固柱可分期或分区施工, 上下 层对应的被加固柱尽量避免同时剔凿置换截面。 1. 6 方案说明 ( 1) 经后期检测确认, A, B 塔楼层 5 所有外观 无缺陷的柱, 其内部也无缺陷, 修补施工仅涉及检测 范围内所有外观有缺陷的混凝土柱。 ( 2) 剔凿清理深度缺损混凝土柱的外周疏松层 时, 如发现可保留的芯柱直径小于 600mm 或密实截 面小于原设计截面的 1 /3, 应暂停施工并及时通知 设计单位。 ( 3) 对可能存在的全截面缺损混凝土柱, 在设 置可靠、 安全支撑的条件下, 建议对缺损截面分区剔 凿、 分期浇
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