1 概述
随着我国城市化进程的快速推进，近年来商品房的建设速度越来越快，快速施工带来经济效益的同时也使建筑出现了许多质量问题。钢筋混凝土结构是高层建筑最普遍的结构形式，混凝土柱的强度直接影响建筑安全。随着相关学科的发展，混凝土柱的加固方法也日益增多。增大截面法是各类方法中应用较早的一种，李华亭等介绍了该方法在施工中的一些局限性，同时该方法改变了原有商品房的实用面积，难以为业主所接受。而后杨凯认为相比于增大截面法，外包钢法因为施工方便而更适用于工程加固，但巨大的耗钢量导致加固费用较高，而且在不改变截面尺寸的前提下没有足够的保护层厚度，钢材容易遭受腐蚀破坏。卜良桃等提供了分批置换部分混凝土的具体工程实例及施工步骤，是部分置换混凝土加固法在工程运用中的典型实例。粘贴纤维复合材加固法可能存在应变滞后，加固效果无法保证。《混凝土结构加固设计与施工细节详解》中提供了上述几类加固方法的设计计算方法。GB50367-2013混凝土结构加固设计规范[5]中要求，使用预应力碳纤维复合板加固法加固柱子时要求未加固前柱子强度达C25以上，适用性不广。增设支点法与增大截面法缺点相同，即改变了使用面积。植筋技术、锚栓技术等在加固混凝土受压构件中往往与其他方法配合使用。杨峰斌等总结了上述各种方法的优缺点。郑育新结合工程实例提出了整体置换混凝土加固混凝土柱的方法，较为有效地解决了混凝土柱整体强度不足的问题，但也存在缺乏定量依据，材料耗费大的缺点。
工程利润空间压缩、管理不当等原因导致的混凝土质量问题在工程依然存在，因混凝土质量问题导致混凝土柱强度不达标现象较普遍存在，因而寻求一种理论有效、经济实用的加固方法变得十分迫切。本文提出一种半置换混凝土加固法，以理论计算说明加固的有效性，并给出具体的施工工艺。
2 工程概况
某地新建一栋13层高层住宅楼，建筑高度35.4m，标准层高2.7m。结构体系为框架结构，基础采用桩基础。梁、柱混凝土结构设计强度等级为C30，箍筋采用HPB300，纵向钢筋为HRB335，现主体结构已经封顶。
试块报告显示第5层（层面标高11.1m）混凝土柱强度不合格：抗压强度为11.2MPa。究其原因是部分柱所用混凝土质量不达标。第5层施工图如图1所示：
图1 第5层施工图
某根不合格柱施工图如图2所示，该柱轴向力设计值5300kN，剪力设计值760kN。
图2 某根不合格柱子施工图
依据混凝土结构设计规范，计算如下。
轴向抗压承载力：
图4为本工程选用的支撑位置示意图，此支撑系统为方便施工操作同时确保有效卸荷，在替换柱四周梁的下方设置支撑，利用钢管形成组合钢管支撑。组合钢管两端分别牢靠焊接有大小适合的钢板，通过钢板与梁形成刚性连接。组合钢管下端设置螺旋千斤顶，通过千斤顶的顶升实现对柱子的卸荷目的。整个加固施工过程，螺旋千斤顶有专业人员按照使用流程操作且应该有相应的使用记录，特种作业人员及设备不得中途更换。四周的组合钢管支撑以替换柱的形心对称布置，避免置换后相邻结构构件由于应力重分布产生裂缝，刚垫板厚度一般控制在15mm以上，保证梁与组合钢管柱之间受力可靠。
3.3 剔除部分原有混凝土
支撑系统布置结束并完成顶升后，替换柱的大部分荷载已经被卸除。考虑到原有混凝土仍有一定承载力，因此仅剔除部分外周混凝土保留中心混凝土。为保证施工安全，可按图5分批次剔除，剔除顺序为1区域—3区域—2区域—4区域。确定剔除尺寸后采用人工方式加以剔除，可截断相应区域的箍筋但保留纵筋。
图5 剔除区域
同时，纵筋表面残留的混凝土也应小心剔除，避免与新浇筑混凝土的粘结出现问题。4个区域剔除工作完成后对剩余混凝土部分进行凿毛处理但应注意避免凿成沟渠，为防止粘结力减弱，随后去除表面的粉尘、浮灰等污染物。
3.4 放置主体型钢
型钢承载应大于设计值1/4，同时应满足设计加固相关要求，在此基础上选用合适尺寸的角钢。安置角钢与剔除混凝土交替进行。剔除某一区域的混凝土并完成清洗工作后，放置该区域的主体型钢，型钢距离原混凝土距离为30mm，对型钢两端的焊接应同步完成。螺旋千斤顶焊接在型钢下端，上端钢板与柱体间采用结构胶砂浆进行找平处理。型钢两端卸荷处理在结构砂浆硬化后方可进行。依次对2、3、4区域执行类似操作。混凝土柱某区域混凝土剔除后使得应力重新分布，根据荷载情况，本工程实例中每区域混凝土的剔除后应静置24小时确保安全及加固效果，同时应检测支撑系统的变形倾斜情况，利用应变测试仪和结构表面的应变片真实反映结构变形，为安全卸载提供保障。当剔除第四区域混凝土时为此工程的最不利状态，此时整个支撑系统由三根型钢、四根钢管组合柱及保留混凝土组合，其承载力较仅组合钢管柱支撑有很大提高，保障了施工安全性。
完成4个主体区域放置后，利用缀条焊接连接四根主体型钢形成格构式钢柱。考虑到柱体稳定及抗剪设计要求，本工程实例中，缀条与焊接型钢成45°。
3.5 灌注混凝土及养护
完成以上步骤后，对旧混凝土界面涂刷结构界面胶，随后支设模板，灌注比设计等级高一级的C35混凝土，新浇筑的混凝土中可加入少量减水剂和膨胀剂有助于增加协同受力的效果。为保证加固后柱子尺寸与设计尺寸相同，所用模板均应采用新购胶合木板并严格控制尺寸。浇筑口的位置应该考虑钢筋及型钢的位置，以有利于施工为宜。
3.6 拆除模板
待柱子强度大于设计值80%后方可拆除模板。拆模过程应分次拆除同一轴向支撑用组合钢管柱，每拆除一个轴向的支撑后应静置12小时，通过仪器观测另一轴向支撑应力变化。变化范围在原值得20%以内方可继续拆除。
参考文献
[1]李华亭，李建峰，井彦青，等．增大截面法加固钢筋混凝土柱的局限性[J]．建筑结构，2010，6（增刊）.
[2]杨凯外．包钢法加固混凝土构件的设计和施工[J]．山西建筑，2006，32（16）．
[3]卜良桃，李易越，刘雄．分期置换混凝土框架柱工程实例[J]．工业建筑，2011，41（10）.
[4]吕克顺．混凝土结构加固设计与施工细节详解[M]．北京：中国建筑工业出版社，2012.
[5]GB50367—2013，混凝土结构加固设计规范[S].
[6]杨峰斌，晋娟茹，陈雪君．混凝土结构加固设计方法优选[J]．施工技术，2016，45（21）．
[7]郑育新．高层建筑混凝土柱整体置换混凝土加固施工方法[J]．施工技术，2011，40（352）．
[8]GB50010—2010，混凝土结构设计规范[S]．
[9]王静峰，种迅，陈安英．组合结构设计原理[M]．北京：化学工业出版社，2011．
[10]周小真，石启印，姜维山．混凝土内含角钢柱在低周反复荷载作用下的抗震性能研究[J]．哈尔滨建筑工程学院学报（增刊），1993，（26）．
收稿日期：2017-08-16
基金项目：合肥工业大学国家级大学生创新创业训练计划项目（201610359078）；合肥工业大学宣城校区博士产学研启动专项资助基金资助（XC2015JZBZ20）
