高层建筑框架柱混凝土置换钢索斜拉卸荷方案与工程应用

高层建筑框架柱混凝土置换钢索斜拉卸荷方案与工程应用

杨坤1  于海涛2 赵明宇3  陈启品4

1青岛融合资产经营集团有限公司     山东省青岛市   266555

2山东国建工程集团有限公司         山东省青岛市   266061

3山东科技大学                     山东省青岛市   266590

4青岛天力多维生态有限公司  山东省青岛市   266000

摘要：本文结合高层建筑工程实例，详细研究了某高层办公楼局部框架柱混凝土置换前卸荷方案的理论研究及实践可行性。

    关键词：高层建筑、钢索斜拉卸荷、混凝土置换、框架柱

1、引言

由于高层建筑框架柱混凝土强度不满足设计要求，其所引起的框架柱承载力不能满足安全使用要求，必须进行加固处理。采用混凝土置换法对框架柱进行加固处理，混凝土置换前，须对框架柱进行卸荷，并对卸荷方案、卸荷体系演算及卸荷施工技术要点进行研究探讨。

2、工程概况

青岛市某两栋高层建筑综合办公楼为24层框架剪力墙结构，该工程为烂尾续建工程，停工前A栋施工至13层、B栋施工至12层。续建前对原结构进行检测鉴定，该工程有3处柱混凝土标号不达标，需置换混凝土，置换部位框架柱商品混凝土设计等级为C50。分别位于A座的三、四层各一处，B座的四层一处。如图所示：

A座三层柱位置图

A座四层柱位置图

B座四层柱位置图

3、卸荷方案论述

框架柱混凝土置换卸荷常规方案为采用支撑体系卸荷，即采用临时支撑体系代替柱受力。该方案优点是支撑体系可靠，传力路径明确，适用范围广。缺点是支撑体系自重大，垂直运输困难，拆装复杂，造价高。本案采用钢索斜拉卸荷，该方案优点是构件自重轻、拆装简单、造价低。缺点是传力路径复杂，设计演算繁琐。

4、框架柱混凝土置换卸荷方案计算

B座四层置换柱的最大组合标准轴力约 1705.9kN,设计值约 1876.5kN。在五层、六层柱跨1/3处梁设置斜拉钢索，每边受到拉力约4F*COSA=1876.5kN,经计算得F约为756.46kN。

  B座支撑示意图

M30螺栓直径28mm，采用5.8级钢，拉力F=580*3.14*14*14=357kN；钢索直径20mm，由6*37=222根钢丝组成，每根每根钢丝直径0.9mm，抗拉强度为1670Mpa,钢索拉力F=1670*6*37*3.14*0.45*0.45=235.74kN。为保证结构安全，每层每边采用6根M30花篮螺栓及20mm钢索。按钢索拉力计算，235.74*6=1414.44kN>756.46kN,满足要求。

B座端部固定示意图

如图所示锚固端采用植筋的方式，植入直径25的HRB400的钢筋，锚固长度为15d，计算得出拉力为353kN,因此在柱端和梁端各植入6根u型钢筋即可满足受力要求，6根u型钢筋间距10-20cm，每根钢筋连接1根钢索。

A座三层置换柱的最大组合标准轴力约 3407.083 kN,设计值约 3747.792 kN。在四层、五层及六层柱跨1/3处梁设置斜拉钢索，每边受到拉力约6F*COSA=3747.792kN,经计算得F约为974.07kN。

     A座支撑示意图

M30螺栓直径28mm，采用5.8级钢，拉力F=580*3.14*14*14=357kN；钢索直径20mm，由6*37=222根钢丝组成，每根钢丝直径0.9mm，抗拉强度为1670Mpa,钢索拉力F=1670*6*37*3.14*0.45*0.45=235.74kN。为保证结构安全，每层每边采用8根M30花篮螺栓及20mm钢索。按钢索拉力计算，235.74*8=1885.92kN>974.04kN,满足要求。

A座四层置换柱按三层标准实施，在五层、六层及七层柱跨1/3处梁设置斜拉钢索。

A座端部固定示意图

如图所示，锚固端采用植筋的方式，植入直径25的HRB400的钢筋，锚固长度为15d，计算得出拉力为353kN,因此在柱端和梁端各植入8根u型钢筋即可满足受力要求，8根u型钢筋间距10-20cm，每根钢筋连接1根钢索。

5、卸荷置换混凝土施工工艺

5.1安装钢索及花篮螺栓

将钢索分别与置换柱一侧的柱子顶部和置换柱底部梁或柱跨1/3处梁固定，中间用花篮螺栓和钢索连接。所有钢索固定好后，拧紧花篮螺栓。

5.2 悬吊百分表，检测变形

卸荷变形计算：

以A座三层置换柱为例计算卸荷变形，A座三层置换柱的卸荷设计值约 3747.792 kN；柱截面为a*b=700mm*700mm；三层置换柱混凝土检测强度标准值35MP，其他楼层柱混凝土检测强度标准值50MP；A座三层置换柱至地下室底板总长度为27.6米。

混凝土弹性模量取值：C35混凝土弹性模量E1=3.15*104

C50混凝土弹性模量E2=3.45*104

卸荷变形计算：

δ=F/A=3747792N/700mm*700mm=7.648MP

∆L=∆L1+∆L2

=δ/E1·L1+δ/E2·L2

=7.648÷(3.15*104)×5300+7.648÷(3.55*104)×22300

 =1.286mm+4.804mm

     =6.09mm

在四层置换柱一侧50cm设置沉降观测点，分别在张拉前和张拉后观测，张拉后提升7.3mm，在卸荷变形6.09mm误差范围之内。

在置换柱两侧50cm处,放置百分表，百分表上部固定直径15mm的钢管，钢管顶端顶住梁底，固定好后，将百分表归零，再采用力矩扳手分六次将花篮螺栓加载到钢丝绳设计拉力值，并观察百分表读数1.65mm，在∆L11.286mm误差范围之内，卸荷有效，停滞观察一天，如百分表读书未有明显变化，可进行下一步拆除混凝土施工。

在拆除混凝土前，可将百分表再次归零，用以观察在拆除混凝土过程中，梁变形情况。拆除时，每小时读取百分表的读数，形成书面记录。

5.3混凝土凿除及界面处理

置换混凝土采用凿一半浇一半的方式，待一半养护完成后，再凿除另一半。凿除混凝土时禁止使用空压机，必须采用人工凿钻，不得损坏柱的竖向主筋，禁止用钻子直接打在柱的竖向主筋上而导致其受损，凿除时必须做到轻打轻凿，严禁重力猛打时尽可能减小对柱子的冲击破坏。

凿除时应注意凿坑的几何形状，坑底应凿平并凿毛，顶部与上、下原坚硬混凝土交接面应凿成内侧略低、外侧略高点以便细石混凝土浇捣。

混凝土凿除必须有专人检查官密切注意百分表读数情况。

新旧混凝土接触面采用钻子将原柱混凝土表面凿毛，具体做法是将接触混凝土表面凿成凹凸面，并做到凿坑内侧竖直，凿坑底、顶部接触面做到内侧略低、外侧略高。

将表面的松散混凝土清除，凿毛后的混凝土表面用水洗净并充分湿润，保证新结构浇捣时界面处于湿润状态。

5.4 安装模板

采用胶合板将柱四周围封，接缝必须密实，以防细石混凝土浇捣过程中发生漏浆，顶板底位置采用20cm高度透明亚克力模板，用以观察检验混凝土浇捣的密实度，并在模板外侧用木方、48*2.8钢管组成围箍体系，设置对拉螺栓箍紧，从地面15cm起开始设置，每间隔50cm设置一道。

新浇混凝土从顶板开洞口向下灌入，为保证混凝土浇灌流畅，在每根柱的上口顶板凿开2个浇灌口，模板封至顶板洞口底处。

在支模过程中，必须确保其支模的刚度、强度、稳定性，特别是刚度的要求，不得出现变形。

5.5 浇捣微膨胀细石混凝土

采用C50微膨胀细石混凝土，加入3-5mm玄武岩纤维，每立方混凝土掺量0.3%玄武岩纤维，考虑混凝土的浇捣难度，其坍落度应适当放大，控制在18~20cm。

混凝土振捣采用小型插入式振捣器，应振捣至表面出现浮浆和不再沉落为止。

混凝土浇筑前，对模板、支架和钢筋等进行检查，用水清洗干净，并通过现

场工作人员验收合格后方可浇筑。

混凝土可从上层楼板处钻孔，慢慢注入其中，也可从梁柱交界处，预留注浆孔。

插入振捣器尽量避免碰撞钢筋以及碰撞模板，振捣器头开始转动后方可插入混凝土内，振完后缓慢抽出，不能过快或停转后再拔出。

混凝土浇筑完毕 2d 后方可拆除模板，并进行挂麻袋湿水养护，养护时间不少于 7d。

在混凝土强度达到要求后，拆除钢索及花篮螺栓。

6、结语

钢索斜拉卸荷方案借鉴了斜拉索桥的设计方案，属于斜拉索桥设计理念在框架柱混凝土置换施工中的用应探索与尝试。该方案的成功实施表明该设计理念可在框架柱混凝土置换施工领域推广应用。

参考文献•
[1]高层建筑框架结构施工质量控制[J]. 李俊兰.四川建材,2022(12)

[2]高层建筑框架结构梁柱节点施工技术分析[J]. 杨献宇.砖瓦,2022(02)