混凝土结构置换支撑技术的全过程控制研究

1工程概况
背景项目为框筒结构，地下3层，地上47层，屋顶结构标高160m。施工至地上6层时，经施工单位现场回弹发现2层及3层个别柱混凝土强度低于设计要求，且由于客观因素不能拆除重建或进行结构加固补强处理，只能对该部分柱混凝土进行置换处理。混凝土置换施工前必须对该部分柱进行可靠支撑，以保证上部结构荷载向下传递途径，鉴于柱结构混凝土置换存在极大的风险，必须通过全过程施工控制计算作为依据，以保证混凝土置换过程的安全。
2支撑方案
2.1施工方案制定时需考虑的因素
（a）支撑体系设置和原结构不是一个整体，如果设计不够可靠，将会给结构带来裂缝、变形或更严重事故；
（b）支撑体系的设计不但要考虑到承载力、变形、锚固等问题，还应当考虑拆除施工空间、拆除振动对支撑的不利影响；
（c）拆除柱要整体替换，即核心区混凝土也要替换，使固结节点变成铰接；
（d）混凝土柱自身已承受较大荷载，支撑体系的托力要和目前受荷情况接近，顶撑力过大或过小，都会给结构带来附加应力；
（e）从混凝土柱的替换部位看，相邻的两柱同时要进行替换，核心区混凝土拆除后，连接2根柱的梁失去了支点，如果处理不当，该区域梁板容易出现塌陷；
（f）个别柱连续2层均需要替换，一次替换量大，支撑体系更需考虑周全；
（g）无法使用大型机械设备，尤其拆除时劲性柱的型钢不能受到扰动。
2.2置换支撑及施工方案
（a）在柱的四周架设H型钢撑杆，柱的上下端均顶在梁的位置，施加一定的顶升力，以抵消该柱所承受的竖向荷载；
（b）置换层的上层和下层同样设置支撑，并靠近上下节点使拆换层的力合理传至相邻层的核心区；置换方案的整体思路如图1所示；
（c）对于支撑体系施加顶撑力的方法是：先将H型钢就位，型钢的顶端固定焊接牢固，从下部架设千斤顶顶升，然后打入钢楔，焊接加劲板；
（d）根据柱子目前荷载情况进行计算，选择合适的千斤顶，使卸荷量接近实际受力；
（e）在拆除层的上段设置1道环梁，增加支撑体系的整体性，在梁柱核心区拆除以后不至于发生水平错动；
（f）按照实际施工情况重新建模计算，找到结构的薄弱环节，重点进行加固处理；
（g）加强施工监测，制定应急预案，先支撑后拆除，拆除后柱的沉降变形控制在2.5mm以内。（h）对于个别特殊的柱（同一柱多层拆除），制定合理的拆除顺序。
（i）拆除和重新浇筑时,可采用轻型拆除工具（如风钻、风镐）拆除柱子混凝土，也可部分采用静态破碎技术将混凝土酥松，混凝土拆除后保留原有竖向钢筋，并利用植筋增补一定的钢筋，混凝土浇筑时强度提高一级。
3全过程控制计算
3.1结构建模
（a）结构已施工至地上6层，但为了保证置换施工过程中的荷载安全储备，结构计算模型考虑地上第8层；
（b）结构1～6层结构梁、板、柱均现场实际施工尺寸进行建模，第7层及第8层按结构施工图进行建模计算；
（c）恒载仅考虑结构自重，楼面施工活荷载考虑2kN/m2；不考虑地震作用及风荷载作用；
（d）临时钢支撑与原结构连接节点在置换过程中模拟为铰接；
（e）混凝土置换柱楼层上下端梁柱核心区节点在置换过程中模拟为铰接，如图2所示。




3.2置换支撑施加预应力
为减缓支撑型钢应力滞后的影响，以便最大限度发挥置换支撑的作用，采用千斤顶对支撑型钢进行预加载。在SAP2000软件中，采用对支撑构件施加变形荷载的形式进行加载，本项目支撑型钢变形暂取1.5mm，由置换柱楼层层高3.20m计算可得初始预加应力为1020kN，初始压应变为0.0004。
3.3置换部位变形分析
由分析计算，柱混凝土置换过程中各置换撑杆托换点的竖向及水平（两个方向）位移如表1所示。表1中各置换撑杆托换点位移作为在置换支撑施工过程中千斤顶施加预加应力后梁柱核心区节点顶升量的控制依据，且应与置换钢撑杆预加控制应力进行相互印证校核。
3.4置换支撑内力分析
由分析计算，柱混凝土置换过程中各置换支撑型钢撑杆内力见表2。表2中各置换钢撑杆内力作为在置换支撑施工过程中千斤顶施加预加应力的控制依据，且应与置换支撑托换点预加位移顶升量进行相互印证校核。




3.5置换中原结构分析
柱混凝土置换过程中，结构整体纵筋配筋及柱轴压比与原设计对比，得出的构件配筋和轴压比满足规范要求，因此柱混凝土置换过程中原结构安全。
4结语
（a）结合工程实践，确定了混凝土置换技术需考虑的因素和具体施工方案。
（b）依据置换原理，介绍了全过程控制建模原则、需考虑的荷载等。通过计算分析，得出置换撑杆托换点位移变形和钢撑杆内力，分别作为在置换支撑施工过程中千斤顶顶升量和施加预加应力的控制依据。
（c）通过对比原设计与柱混凝土置换过程的构件配筋和柱轴压比，验证原结构在置换过程中的安全。