厂房框架柱混凝土全截面置换加固技术研究与应用_杨超.pdf

1引言实际工程中，对于结构形式相对简单的建筑物沉降监测点大多数是按规范要求沿建筑四角、核心筒四角、大转角处及沿外墙每1020 m或每隔23根柱基，高低层建筑、新旧建筑和纵横墙等交接处的两侧布设1。因此，即使建筑沉降观测检测结果满足规范要求，也很难掌握建筑物全部竖向构件不均匀沉降的真实情况。采用置换混凝土方法加固时，为了确保置换混凝土施工全过程中原结构、构件的安全，必须采取有效的支顶措施，使置换工作在完全卸荷的状态下进行2。基础不均匀沉降会导致上部结构产生附加内力，轴力重分布，附加内力与上部结构轴力叠加3。因此，在框架柱全截面置换时，还应考虑柱基础差异沉降对上部结构轴力重分布的不利影响，才能保证竖向构件全截面置换的安全性和可行性。2项目概况及处理方案该厂房为框架结构，独立基础，无地下室，建筑总高度15.7 m，地上4层。厂房在使用过程中由于框架柱根部长期处于酸性环境，首层框架柱柱脚腐蚀严重，为保证结构安全，须对该厂房腐蚀严重的框架柱进行全截面置换。【作者简介】杨超（1983），男，湖北应城人，工程师，从事工业项目管理研究。厂房框架柱混凝土全截面置换加固技术研究与应用Research and Application of Full Section Replacement and ReinforcementTechnology of Frame Column Concrete in Workshop杨超（云南云天化红磷化工有限公司，云南 开远 661699）YANG Chao(Yunnan Yuntianhua Red Phosphorus Chemical Co.Ltd.,Kaiyuan 661699,China)【摘要】针对框架柱采用置换混凝土加固法施工全过程的结构承载状态验算中存在问题，提出对原结构构件及支撑系统的承载能力验算、卸载的预加载力计算均应考虑柱基沉降差对上部结构内力分布的影响。以某 4 层标准厂房框架柱混凝土全截面置换施工为例，分析相邻柱基的沉降差对上部结构轴力变化的影响，对考虑沉降差的框架柱置换支撑进行设计与验算，并对其施工技术要点进行评价。【Abstract】In view of the problems existing in the checking calculation of the bearing state of the frame column during the wholeconstruction process of the displacement concrete reinforcement method,it is proposed that the influence of the settlement difference of thecolumn base on the distribution of the internal force of the superstructure should be considered in the checking calculation of the bearingcapacity of the original structural member and the supporting system and the calculation of the pre-loading force when unloaded.Taking thefull section displacement construction of concrete frame columns in a 4-story standard workshop as an example,the influence of thesettlement difference of adjacent columns on the axial force change of superstructure is analyzed,and the displacement support of framecolumns considering the settlement difference is designed and calculated,and the evaluation of key points of construction technology ismade.【关键词】框架柱；混凝土；沉降差；全截面置换；加固技术【Keywords】frame column;concrete;settlement difference;full section replacement;strengthening technology【中图分类号】TU433；TU375.4【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2023）06-0029-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.009Architectural and Structural Design建筑与结构设计29Construction&DesignForProject工程建设与设计3相邻柱基的沉降差对上部结构轴力变化的影响框架结构在地基土类别为中、低压缩土时，建筑相邻柱基的沉降差允许值为0.002 L（L为相邻柱基的中心距离）4。本工程柱基础中心与相邻柱基础中心距离为4 200 mm。若该柱相邻柱基沉降差值小于8.4 mm均可认为不均匀沉降差满足规范要求，在文中称之为“地基小变形”。本工程结构单元一榀框架为两跨，计算简图如图1所示，以地基小变形引起结构内力变化的显著不利工况有两种：工况一，中柱相对两侧边柱下沉8.4 mm，两侧边柱之间相对沉降差为0.0 mm，如图2所示；工况二，两侧边柱相对中柱均下沉8.4 mm，如图3所示。框架柱和框架梁的截面尺寸分别为500 mm500 mm和250 mm500 mm；框架梁抗弯刚度EI=78 125 kNm2、抗拉刚度EA=3 750 000 kN；框架柱抗弯刚度EI=156 250 kNm2、抗拉刚度EA=7 500 000 kN。采用结构力学求解器，对该榀框架在上述两种显著不利工况与理想设计工况（无不均匀沉降差）下框架柱轴力的变化计算分析，计算结果见表1。视沉降端为弹性支座，建立结构力学模型，独立基础底面为2 000 mm2 000 mm，土体压缩模量为12 MPa，即支座弹簧压缩刚度k=48 000 kN。图 1竖向荷载计算简图图 2工况一变形简图图 3工况二变形简图经查阅相关资料及计算总结，对于独立基础，多层框架结构的框架柱下沉过程中，首层框架柱本身不会产生长期拉应30力5。在变形较大的极端情况下，沉降差较大的框架柱的轴力可能全部由与之相连的各层框架梁远端抗剪承载能力按照线刚度分配承担。地基小变形导致上部结构轴力重分布不均匀系数约为0.61.5。若基础形式为整体刚度较大的满堂基础，地基小变形对上部结构轴力重分布程度影响会较小，因此，选择整体刚度较大的基础形式对减小不均匀沉降差影响更为有利。4考虑沉降差后框架柱置换支撑设计及验算4.1支撑系统主材选择1）本工程置换工作均在室内进行，无法采用机械设备进行施工。因此，支撑系统截面应选择自重轻且截面惯性矩较大的无缝钢管作为支撑系统的竖向受力构件。2）鉴于支撑系统上、下端支承的转换梁即原结构框架梁均无明显的施工质量缺陷。遵循X向、Y向支撑的形心轴与框架柱的形心轴距离等距布置的原则，将支撑系统的竖向受力构件设计为一种规格。采用219 mm10 mm，材质为Q235B无缝钢管作为支撑系统的竖向受力构件。4.2支撑系统竖向受力构件承载能力验算框架柱混凝土全截面置换时，为保证上部构件不产生竖向变形，因此，须考虑将上部结构全部荷载由支撑系统竖向受力构件（以下简称“钢支撑”）承担。经现场踏勘复核楼地面荷载分布情况，将设备内物料等活荷载全部卸载完成，并遵循钢支撑等距布置原则，由地基小变形导致的上部结构轴力重分布不均匀系数按1.5考虑，经竖向荷载复核，单根钢支撑的轴力设计值取260 kN。钢支撑上端支撑于原框架梁梁底，下端支撑于基础顶面。基础埋深为1.7 m，原框架梁截面高度为500 mm，则钢支撑高度为H=3.9+1.7-0.5=5.1 m。为保证钢支撑为轴心受压构件，钢支撑形心轴线与原框架梁宽中心线相交，同时还应保证钢支撑施工垂直度偏差满足H/1 000要求。将钢支撑计算简图简化为两端铰接的轴心受压构件力学模型，即钢支撑计算长度系数=1.000。4.2.1钢支撑稳定性验算考虑钢支撑在施工过程中共分为3个标准节进行拼装，安全起见钢支撑计算长度系数取=2.000。即：钢支撑计算长度LO=5.12=10.2 m，219 mm10 mm钢支撑截面对主轴x轴和y轴的回转半径ix=73 mm，iy=73 mm，柱构件长细比为139。由N/（Af）1.0（N为支撑压力设计值，N；A为构件的毛截面面积，mm2；f为钢材的抗拉强度设计值，N/mm2；无缝钢管截面类型为a类截面，轴心受压构件的稳定系数为0.387）可得到，260 000/（0.3877186210）=0.4451，钢支撑稳定性验算满足要求。4.2.2钢支撑截面强度验算钢柱上并未开孔，即毛截面面积（A）等于净截面面积（An）。即正应力=N/Af，即260 000/7 186=36 MPa215 MPa，钢支撑稳定性验算满足要求。4.3支撑系统上、下端支承的转换梁承载能力验算4.3.1支撑系统上端支承的转换梁承载能力验算框架柱混凝土置换过程持续时间较短，对于转换梁的承载能力验算，应按照短暂设计状况的承载能力极限状态设计，即结构构件的荷载均应采用作用的基本组合。在全截面掏空工况下，转换梁控制截面内力为：剪力设计值为V=260.00 kN，弯矩设计值为M=104.77 kNm。转换梁配筋情况如下：箍筋为8 mm100 mm，箍筋肢数为2肢箍，梁下部实配钢筋面积为1 074 mm2，梁上部实配钢筋面积为1 388 mm2。1）转 换 梁 受 剪 截 面 复 核：受 剪 截 面 抗 剪 承 载 力VU=433.46 kN，大于剪力设计值V=260.00 kN，受剪截面尺寸满足要求。2）转换梁斜截面受剪承载力验算：斜截面抗剪承载力VU=295.97 kN，大于剪力设计值V=260.00 kN，斜截面受剪承Architectural and Structural Design建筑与结构设计单元码理想设计工况工况一工况二初始轴力/kN（拉力为正，压力为负）近似轴力/kN（拉力为正，压力为负）近似轴力/kN（拉力为正，压力为负）（1）（4）（5）-259.66-523.00-259.66-375.84-290.65-375.8444.74-44.4344.74-141.62-758.94-141.62-45.4645.11-45.46轴力变化率/%（正值为轴力增加，负值为轴力减少）轴力变化率/%（正值为轴力增加，负值为轴力减少）表 1沉降差不同工况轴力变化对比表31Construction&DesignForProject工程建设与设计载力满足要求。3）斜截面受弯承载力验算：Mu=174 kNm，大于弯矩设计值M=104.77 kNm，斜截面受弯承载力满足要求。4.3.2支撑系统下端支承的基础承载能力验算经复核验算，基础承载能力满足要求。5考虑沉降差后框架柱置换施工技术要点及其评价5.1框架柱实时卸载框架柱实时卸载工作是混凝土全截面置换施工的核心工作。同时卸载力值的合理选择是保证置换全过程安全及后续使用中钢筋与新旧混凝土共同工作的关键因素。钢支撑与框架柱中心距离等距对称布置于框架柱侧面基本可保证各钢支撑均等承担上部结构传递下来的竖向恒荷载。经计算，单根钢支撑须承担的竖向恒荷载标准值约为130 kN，即钢支撑预加载力值为130 kN时即可满足整个置换工作处于完全卸载的状态，但这样操作可能存在问题。如前面所述，地基小变形导致上部结构轴力重分布不均匀系数约为0.61.5，按工况一计算的框架柱，若钢支撑预加载力值为130 kN，将使框架柱置换界面处产生拉应力。钢支撑拆除后置换段混凝土将承担一个由前期预加载富余值产生的压力，该压力对于轴心受压和小偏压构件必然不利。按工况二计算的框架柱，若钢支撑预加载力值为80 kN，可能使框架柱不能完全卸载。钢支撑及上下支撑点间在预加载及间隙灌胶后完全形成一个受力整体，原为两跨框架现可视为三跨连续框架。混凝土凿除过程中，混凝土凿除高度仅为150 mm左右，框架柱受力主筋为1225 mm，主筋长细比接近6，稳定性较好。因此，在混凝土置换过程中，受力主筋及钢支撑均可能成为未卸载部分轴力传递的支点。但钢支撑在X向或Y向间距较小，即中间跨跨度较小，梁柱节点位于跨中且其刚度足够大，向下产生的挠曲变形l很小，约为0.006 mm。将该挠度产生的竖向变形全部转移至受力钢筋，假定钢筋均匀受力，则可计算得到由钢筋承担的力值P：P=lEAl=0.006210512491150=47.136 kN约占该柱轴力9%，即在混凝土置换过程中，大约90%轴力由钢支撑承担。则由钢筋承担部分轴力对钢筋后续使用不利影响可忽略。综上所述，对钢支撑预加载力值选择采用80 kN最为合理。5.2置换过程变形监测项目及效果混凝土置换前，对整栋建筑物沉降及倾斜进行观测，置换工作开始前对建筑沉降及倾斜观测1次。混凝土置换施工过程中，随着混凝土被凿除，框架柱的应力和应变逐步释放，框架柱可能会产生3个轴线方向的变形，分别为上下（Z轴）方向的伸缩变形，前后（Y轴）方向的位移变形、左右（X轴）方向的位移变形。在框架柱3个轴线方向、钢支撑Z轴线方向分别采用1.5级的百分表进行全程监测。混凝土凿除完成后采用竖向膨胀率大于0.2%的高强灌浆料（C70）进行浇筑密实。混凝土置换完成后，框架柱及钢支撑全过程变形监测结果累计值最大为0.1 mm，方向沿竖向向下，无水平面内的位移，基本实现了全截面置换框架柱混凝土零变形的目标，取得了较好的效果。6结论1）独立基础形式的框架结构，柱基不均匀沉降导致的框架柱轴力重分布在设计托换支撑时其不利影响不可忽视。2）框架柱实时卸载的预加载力值选取也应考虑柱基不均匀沉降因素。3）随置换高度的增大，混凝土全截面置换过程中，原结构受力主筋对上部未卸载完部分荷载分担越来越小。4）对全截面置换的框架柱，宜再采用外包型钢加固法从基础顶至新旧混凝土上交界面以上2倍柱高范围进行补强加固，以消除置换段部分钢筋可利用强度减小的不利影响。【参考文献】1中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑变形测量规范:JGJ82007S.北京:中国建筑工业出版社,2016.2中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构加固设计规范:GB503672013S.北京:中国建筑工业出版社,2014.3胡祥祥.基础不均匀沉降对框架结构的影响D.扬州:扬州大学,2018.4中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基基础设计规范:GB500072011S.北京:中国计划出版社,2012.5闫旭,燕彬.基础不均匀沉降对上部框架结构的影响J.济南大学学报(自然科学版),2017,31(6):485-488.【收稿日期】2023-01-1332