高层住宅局部楼层低强混凝土整层托换处理.pdf

1、 某高层住宅局部楼层低强混凝土整层托换处理 西北集团/杨培娜、吴军利、杨明刷、万银新 西北集团/杨培娜、吴军利、杨明刷、万银新 1 1 工程概况 工程概况 某住宅工程 A 栋为剪力墙结构，地下 3 层（-10.1m），地上 24 层，总建筑面积 13952m2，该建筑檐口高度69.48m。该楼栋竖向构件C30C40 混凝土，其设计强度随楼层分段递减；楼板均采用 C30 混凝土。该项目采用模板施工，外墙采用集成式附着升降脚手架，90 厚聚苯颗粒保温砂浆随主体穿插进行。该楼栋 2019 年年底封顶，封顶后，项目进入冬休期。2020 年 4 月复工检查中发现：19 层东单元顶板裂缝严重，混凝土强度不

2、足 10MPa。2 2 现场调查及原因分析 现场调查及原因分析 2.1 现场问题描述（1）19 层东单元 14-21 轴范围混凝土强度未达到设计要求，具体如图 1 所示。图 1 低强混凝土平面分布区域（阴影部分）（2）问题部位剪力墙混凝土表面平整光滑，色泽较浅。表面剔凿后，混凝土内部结构疏松，明显无粘结力。顶板开裂严重，裂缝呈网状开展，排列整齐，宽度大于 1mm。图 2 混凝土内部疏松 图 3 19 层顶板网状开裂（3）对问题部位混凝土进行钻芯取样，检测混凝土抗压强度，测得其强度值在 2.811.5Mpa 之间，具体如下表。表 1 混凝土钻芯实测强度值 某住宅工程位于西部某省会城市 7 度抗震

3、区。工程由 4 栋高层及地下车库组成，地下 3 层，地上 24-30层不等，总建筑面 114600 m2，结构形式为剪力墙、框架结构。序 构件部位 破坏荷载（KN）抗压强度(MPa)1 Q：11/A-D 111.76 11.5 2 Q：14/A-B 32.3 3.3 3 Q：14/C-E 62.33 6.4 4 Q：15/A-B 27.23 2.8 5 Q：15/C-E 33.89 3.5 6 Q：18/C-E 44.74 4.6 2.2 资料复核（1）查阅设计图纸，A 栋 19 层梁、柱、墙、板混凝土设计强度均为 C30。剪力墙厚度200mm，墙体 Q1、Q1a 竖向分布筋分别为C10300

4、、C10200，水平分布筋均为 C8200。问题范围楼板厚度 100130mm，楼板最大跨度为 4500mm，剪力墙之间最大间距 6600mm。（2）检查混凝土配合比报告，C30 混凝土配合比为：水泥：砂：石：水：粉煤灰：外加剂=338:760:1064:175:60:11.50，材料检测无异常。（3）调查搅拌站供料当天电脑台账，证实11月24日12:54:58后显示水泥罐输送量变为0，矿粉代替用量 493，台账出问题时间与项目供料时间一致。图 4 搅拌站供料当天电脑台账 2.3 混凝土强度排查 对其他楼层梁、柱、墙、板进行全数排查，未发现类似楼板裂缝，其他位置混凝土亦全部满足设计强度要求。2

5、.4 原因分析 由此确定混凝土强度不足原因为：由于商混站水泥、矿粉串仓导致实际混凝土中水泥用量严重不足造成。该部位结构混凝土强度基本为 0，判断其不具备结构加固可能性。3 3 难点分析难点分析 （1）19 层东单元结构混凝土整体强度较低，基本无承载能力，现有结构因内力重分布暂时维持平衡状态，拆除过程若打破现有平衡，结构将有垮塌风险。（2）按照楼面荷载 15KN/m2层，进行估算，19 层上部留存 6 层结构荷载，采用“托梁换柱”方案支撑，施工难度大。（3）主体结构封顶，外架已经拆除，为避免造成不良社会影响，建设单位要求外墙不得看出返工或返修痕迹，更不得搭设外围脚手架。因此，外墙支撑、返修更加困

6、难。（4）项目交付时间为 10 月 30 日，目前室外工程及部分安装工程尚未施工完成，在现有条件下进行整层托换施工，工期特别紧张，存在交付风险。4 4 处理方案处理方案 4.1 整体处理思路 根据上述实际情况，参考类似工程案例，综合考虑工期、可行性等因素影响，项目部在征得建设单位同意后确定采用型钢托换方式对 19 层竖向结构进行支撑加固，按照分区跳仓，分段对称置换的原则，在保留现有钢筋的情况下按照设计要求用高一强度等级混凝土（或灌浆料）进行置换处理。混凝土置换过程应全程进行沉降观并注意裂缝开展情况的排查，确保现场安全。4.2 处理方案比选（1）“槽钢立柱+高强对穿丝杆”支撑方案 采用 16a

7、槽钢进行剪力墙托换支撑，槽钢间距 600900mm，高强对穿丝杆间距 200/400mm沿全高将槽钢固定于对 1820 层剪力墙上。图 5 槽钢+对穿丝杆支撑立面示意图 图 5 槽钢支撑节点示意图 优势：槽钢与采用对穿丝杆与墙固定紧密，结构沉降风险较小。缺陷：支撑槽钢长度将近 9m，安装 3 层难度较大；现场无 16a 槽钢及高强对穿丝杆，须对外采购；支撑槽钢间距小，数量多，分段施工耗时长。（2）“工字钢立柱+型钢横梁”支撑方案 采用 16a 或 18a 工字钢作为剪力墙托换支撑，间距 9001000mm；18 层、20 层距离地面300mm 的位置上 150300 洞口，制作 1m 长度工字

8、钢横梁，工字钢立柱通过上下横梁支撑与剪力墙上。优势：现场材料充足，施工较为简单。缺陷：须增加侧向支撑；18 层、20 层剪力墙须水钻开孔，对原有结构破坏较大，暗柱位置无法布置，且后期需要封堵。图 7 工字钢+横梁支撑立面示意图（3）“工字钢立柱+连接板+螺栓”的支撑方案 采用 16a 或 18a 工字钢作为剪力墙托换支撑，间距 9001000mm；18 层及 20 层位置焊接20mm 厚度连接板，采用高强螺栓通过连接板对穿剪力墙，实现上下层荷载传递。优势：现场材料充足，施工较为简单，不必开洞可实现荷载传递。缺陷：须增加侧向支撑；现场焊接质量难以保证。图 8 工字钢立柱+连接板+螺栓支撑立面示意

9、图 从现场施工方面考虑，方案三“工字钢立柱+连接板+螺栓”支撑施工更具备施工可行性。4.3 支撑方案计算 为确保托换方案安全可靠，考虑两种计算工况，采用盈建科结构设计分析软件对本项目进行了计算分析。计算模型以原结构设计图纸为依据建立，构件截面尺寸、材料强度、楼屋面竖向荷载等均与设计图纸保持一致，由于托换过程时间较短，分析计算不考虑地震作用。工况 1：由于 19 层剪力墙混凝土强度太低，模型中采用竖向钢柱来代替本层的问题剪力墙，采用转换的方式进行竖向荷载的传递，钢柱上方 20 层25 层剪力墙以刚度很大的深梁形式存在，只要保证钢柱的强度、刚度和稳定性，整体结构托换方案的安全性就能保证。图 9 工

10、况 1 计算模型 工况 2：考虑到本项目设计时，剪力墙的布置基本以长墙为主，墙肢之间在楼层处以连梁进行连接，形成双肢墙；19 层以上有 6 层的结构强度满足设计要求，若把本层的问题墙分区拆除后，其上部结构受力就变成了悬挑桁架模式，只要能保证上部剪力墙、梁板的应力水平和变形能控制在一定的水平，不加任何支撑进行 19 层的拆除也是安全的。图 10 工况 2 计算模型 计算得到 19 层剪力墙最不利荷载为498KN/m，拆除后结构竖向位移、钢柱应力比以及剪力墙应力等均能满足计算要求，施工中可确保安全。图 11 工况 1 钢柱应力比 图 12 工况 2 剪力墙应力云图 但考虑到工人的实际操作水平，为确

11、保万无一失，最终选用钢柱托换施工方案。荷载输入TS_MTS 结构设计系列软件进行计算，计算后得到可行方案基本参数如下：（1）工字钢立柱：采用 16a 工字钢（160 mm88 mm6mm9.9mm），柱中采取拉结措施的情况下，间距 900mm 可满足支撑要求。（2）连接钢板：400mm450mm20mm。（3）焊缝：焊条选择 E43，手工焊，角焊缝焊脚 7mm，角焊缝长度 600mm(计算焊缝长度不小于 486.28mm)。（4）螺栓选择：普通螺栓 C 级 304。（5）构件竖向位移：最不利工况下构件竖向位移 2.45mm，以此作为警戒值。5 5 施工控制重点施工控制重点 5.1 施工准备（1

12、）现场封闭隔离：暂停该栋住宅楼内所有施工，对施工人员逐层清理。封锁楼梯、施工电梯、连廊以及主要出入口和安全通道。对 16层以上楼层设置唯一通道，施工电梯位置防护门上锁，并派人专门看管。（2）材料准备：按照方案材料计划购买支撑立柱、垫板等所需材料，组织工人根据方案需求结合现场实际情况进行支撑立柱加工和焊接。（3）现场施工准备：按照方案设计间距，进行支撑定位，在剪力墙上弹线明确竖向支撑位置。结合钢筋扫描结果确定螺栓穿孔位置。图 13 螺栓孔定位 5.2 结构支撑处理（1）剪力墙支撑：按照 900mm 间距安装剪力墙支撑。支撑上部与 20 层剪力墙通过30 螺栓进行连接；下部采用钢楔子楔紧后灌浆料灌

13、实，避免产生因填塞问题导致的结构沉降；中部位置分别采用 14#槽钢和钢管进行支撑加强。18层剪力墙根部采用 3 排钢管扣件架支撑钢柱传来荷载，立杆纵横距均为 300mm，步距 1500mm。图 14 支撑上部节点 图 15 支撑中部节点 图 16 支撑底部节点（2）梁板支撑：1719 层东单元梁板底部采用满堂支撑架，布置 4 层；待 19 层顶板混凝土置换完成后，20 层沿外墙房间布置支撑，上下层之间立杆对中。轮扣架纵横向间距不大于 1200mm，步距不大于 1500mm。图 17 17-19 层梁板支撑布置图 图 18 20 层梁板支撑布置图 5.3 混凝土置换 根据混凝土强度及受力分析，采

14、用跳仓法进行置换，具体步骤是先置换内部剪力墙，剪力墙置换完成后分区块置换梁板；所有内部构件置换完成后再分段置换外墙。步骤如下所示：图 19 内部结构置换顺序 就单个置换构件而言，剔凿顺序应从中部开始，两侧对称展开，第一次剔凿宽度不宜超过300mm，后续根据监控情况逐步扩大到 450500mm。其余部位以此类推。图 20 单个构件混凝土置换步骤 5.4 操作要点（1）混凝土剔凿：为避免伤害原有钢筋及震动给其他位置混凝土带来的影响，要求工人先弹线进行浅层切割，然后用电锤或手锤、錾子结合进行剔凿，严禁使用风镐等大型震动机械。混凝土剔凿高度从19层结构底板至19层顶板板面上部 50mm 位置。剪力墙剔

15、凿时，对应位置混凝土楼板同样剔凿，作为顶部灌浆料下料口使用。外墙混凝土拆除前应在外墙上悬挂吊篮安装外模板，内侧以既有墙体作为加固支撑点进行剔凿，剔除过程中应采用小锤子或錾子小幅度剔凿，避免破坏外墙保温。（2）钢筋处理：混凝土剔凿后，对墙体清理，检查钢筋，对有损伤的钢筋进行更换，其他位置进行除锈处理，按照规范要求整理整齐。（3）支模与灌浆料浇筑：对剔凿部位浇水润湿，分两次封模板，合模时两侧贴双面胶，保证模板拼缝顺直。灌浆料浇筑一次高度不超过1800mm。第 1 次浇筑材料初凝后，浇筑第 2 次。上层灌浆料浇筑时，应提前做混凝土下料口漏斗，漏斗高于 20 层结构板 200mm，保证灌浆料与剪力墙上

16、部接缝处密实。图 21 上部灌浆料浇筑（4）拆模与养护：灌浆料浇筑完成后 12小时即可拆模，拆模后应及时覆盖并洒水养护，养护时间不少于 7 天。灌浆料浇筑后 3 天进行强度回弹，当回弹推定强度达到 30MPa 后组织临近部位混凝土剔凿。图 22 灌浆料拆模养护（5）楼板混凝土置换：单个房间两侧剪力墙全部置换完成后，分区域剔凿梁板混凝土。混凝土清理后支模，采用高一个强度等级的微膨胀混凝土浇筑楼板。图 23 楼板分区浇筑（6）支撑拆除：梁板、墙柱等全部构件置换完成，对构件进行逐个验收，所有批次同养试块达到设计强度后，间隔拆除支撑型钢，确保结构安全。5.5 监测措施 为保证结构在剔凿、置换过程中安全

17、受控，项目采用苏州一光 DS05 精密水准仪（直读0.1mm，估读 0.01mm）对计算变形量较大的 9个点进行全程沉降观测，统计数据如下。图 24 19 层东单元沉降观测统计图 5.6 应急处理措施（1）现场准备千斤顶、大截面型钢柱及数量足够的钢管，当监测点出现异常情况或变化速率超过预警值时，应及时在关键部位采取支撑回顶措施，确保现场施工安全。（2）项目管理人员 24 小时跟班作业，发现异常情况，及时联系公司及相关专家处理。6 6 实施效果 实施效果 本工程施工过程中严格把控支撑、剔凿、清理、支模、浇筑等关键工序。拆模后，结构构件拼缝严密，成型质量好，回弹强度在 41.248.6MPa 之间

18、，满足置换方案要求。托换施工历时 49 天，与承诺建设单位计划工期基本一致，满足项目施工进度要求。竖向构件全部采用高强微膨灌浆料置换问题混凝土，监测证明了微膨胀灌浆料对结构支撑和拆除过程中沉降的弥补作用。现场通过分段施工、分批次处理，有效的控制了变形，结构最终的最大沉降量 2.59mm，达到了预期施工效果。图 25 剪力墙拆模后效果 7 7 结语 结语 某高层住宅工程 19 层东单元低强混凝土结构构件采用“工字钢立柱+连接板+螺栓”支撑、高强微膨灌浆料置换方式使问题得到了妥善处理，可为其他类似工程提供借鉴。但探究问题本身，面对行业混凝土材料供应的现状，项目应从以下几点采取防范措施：（1）选择合格供应商：项目部选择混凝土供应商时，不应以“低价”为选择的唯一标准。应从公司提供的 合格供方名录 中选择技术实力强、信誉度高的大型企业。（2）加强混凝土质量控制：项目部应做好混凝土和易性、坍落度等检查，对存在问题的材料做退场处理；同时，加强对操作工人的监控，严禁到场混凝土加水，必要时可动用视频监控手段，发挥信息化的作用。（3）做好早期强度检测：建议项目部多留置同条件试块，同时做好混凝土早期的强度检查，发现问题尽早处理。风险管控，预防为主。从现有工程案例中汲取教训，采取措施，防范风险发生才是高水平管理的体现。