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摘要：结合工程实例分析高层建筑竖向构件整体置换方案的选择、整体置换加固方案的设计和施工。首先通过原因分析和加固方案比较，确定整体置换的加固方案；然后介绍整体置换的设计和施工。为今后类似工程的加固设计和施工提供了经验和指导，通过整体置换后的工程达到使用要求。
关键词：高层建筑；竖向构件；加固方案；整体置换设计；施工
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1.工程概况
某小区一幢17层住宅（局部十六层），建筑高度为42.95米(局部45.75米)，结构体系采用框架-剪力墙结构，基础形式为桩基础。结构梁、板及柱的混凝土强度设计等级分别为：四层楼面以下的柱、墙为C35，四层楼面（含）以下的梁、板为C30。现施工进度为主体结构十二层（结构标高30.770），建筑平面见图1。二层11～30轴与A～K轴区域内竖向构件的混凝土实际强度未达到设计要求。
2．原因分析
经浙江省建设工程质量检验站有限公司对该建筑物二层竖向结构进行钻芯法混凝土强度测试，测试结果显示框架柱、剪力墙的混凝土抗压强度最低值<10Mpa，不满足设计及相关施工规范的要求。
3.加固方案比较
当时工程主体已建到十二层，标准层每层面积约580㎡，且房屋均已售出。
方案一：从二层柱开始拆除，总计要拆除面积6380㎡，直接损失600万以上，并且会在当地造成恶劣影响。
方案二：普通加固，会影响日后使用。
方案三：对二层进行整体置换处理。为了使结构构件强度符合设计等规范要求，达到结构安全及正常使用的目的，杜绝后患，综合考虑的方案。即对二层21～30轴及部分11～20轴与A～K轴区域内二层竖向构件全部进行加固置换处理，为高一级强度等级混凝土整体置换；对取芯检测不合格的二层结构梁板，拟采取方法为高一级强度等级混凝土整体置换进行处理。
图1平面图
4.整体置换加固方案设计
4.1加固方案设计
根据检测报告及现场踏勘，确定具体实施方案为：
1．由于二层剪力墙强度均不能达到要求，已不能有效承担水平荷载，故在施工前在适当位置设置临时钢结构剪刀撑，以抵抗施工期间风力产生的作用。
2．由于21～30轴整个单元竖向构件均有问题，置换作业时要充分考虑结构的安全，须采用构件分批，分散置换的原则，同一个剪力墙置换至少分两步进行，以确保结构安全。
3.针对11～20轴较多竖向构件混凝土强度等级C30及以上，梁C25及以上，这些构件应由原设计单位按实际强度，按正常使用状态进行复核，不满足要求，再另行加固处理。
4．对一层竖向构件采用托换后置换的加固方法处理。
首先于车库层、二层竖向构件上浇注抱柱梁或设置钢牛腿，在车库、二层抱柱梁（钢牛腿）间设置钢结构支撑，把二层及以上结构的原由一层竖向构件承担的竖向荷载通过抱柱梁（钢牛腿）托换系统传递至车库层竖向构件上。然后将一层竖向构件的不合格混凝土凿除（保留原纵筋），根据施工情况对柱纵筋及箍筋进行必要的补强，最后支模浇筑C40混凝土，振捣密实。待置换混凝土强度达到C40时，方可拆除抱柱梁支撑系统。
在抱柱梁（钢牛腿）托换系统中，为了减少施工时上部结构荷载对钢结构支撑产生的局部变形等影响，因此在上下抱柱梁（钢牛腿）之间的钢支撑系统中，增设液压千斤顶以备施加预应力（原柱墙轴力的90%），以保证结构整体的变形及层高等符合相关规范要求。
5.对不合格的二层结构梁，在墙柱混凝土置换后，采取方法为高一等级混凝土整体置换进行处理。
6.柱梁分开置换时，柱中预留4Ф16增强钢筋，深入梁中；当梁柱一起置换时，可不采取此措施。
4.2理论计算
根据置换方案，理论上对置换柱、钢牛腿、支撑钢管、柱间临时剪刀撑、剪刀撑钢梁及节点进行设计及验算。下面详细介绍置换柱、钢牛腿的设计。
1. 设计置换柱
图2四面抱柱截面图、剖面图
根据SATWE计算结果，取框架最大柱轴力设计值Nmax=1364KN，其柱截面尺寸为300×500mm，混凝土等级为C35，按四面抱柱设计。
假定抱柱梁高600mm，按最不利冲切面 A=600x(500x2+300x2)=960000mm2 ，
C35混凝土 ft=1.57,则四边可承受最大冲切力为1507KN>Nmax
2. 设计加固钢牛腿
图3钢牛腿平面图、剖面图
钢板采用Q235材质，螺杆采用8.8级M24，焊条采用E43型。
（1）焊缝计算
按最大单片剪力墙轴力设计值V=783KN，则M=783x0.3=234.9KN.m计，查得，
角焊缝高度取hf=10mm，焊缝长度lw=620-20=600mm，
8hf=80mm﹤lw=600mm≤60hf=600mm，满足构造要求。
满足要求。
（2）牛腿腹板设计
净面积：
，
，
1）抗弯承载力：
满足要求。
2）抗剪承载力：
满足要求。
满足要求。
（3）螺栓设计
，
单个螺栓剪力：
满足要求。
满足要求。
5.加固施工
5.1施工顺序
总施工顺序：先置换竖向构件，再置换梁板。
对于结构竖向构件，按隔二换一原则进行置换，对暂时未置换的竖向构件应全部采取临时支撑措施，以策安全；其中剪力墙部分，根据其自身长度采取分段置换的原则，设置钢牛腿托换系统后，可一半一半的方法分段凿除混凝土。
柱混凝土置换施工工序：
抱柱梁浇注（安装钢牛腿）→钢支撑系统安装→施加预应力→凿除竖向构件混凝土→柱钢筋补强→浇筑竖向构件混凝土→混凝土养护→拆除钢支撑→修复后清场（用切割方法，割除抱柱梁）。
5.2施工要点
抱柱梁：放样定位后，先将结构柱与抱柱梁交接界面凿毛，凿毛深度不小于20mm，界面洗净干净；安装模板及钢筋笼后浇捣水泥基灌浆料，抱柱梁强度达到要求后方可开始下一道工序。
钢牛腿：钢牛腿由钢板拼接而成，应保证其焊缝质量。钢板上的预留螺栓孔应定为准确。对穿螺杆应注意避开原柱或墙体纵筋，两侧螺孔应准确，偏差不得过大。
钢支撑：钢管及其他构件采用Q235-B材质，锚杆及螺栓强度等级为8.8级；钢柱采用热压无缝钢管Φ168×12作为竖向传力转换构件。
千斤顶：千斤顶采用型号FY-CLL-1006，额定承载能力为100T，施加预应力后可通过千斤顶自身的机械式螺母锁定千斤顶，防止液压千斤顶漏油等情况导致预应力损耗；千斤顶所加总预压力为竖向构件的柱（墙）底反力的90%。
混凝土：按高一级标号置换原则，新浇注混凝土的强度大于等于C40，浇注过程中应振捣密实，振捣方法严格按照施工规范要求；柱(墙)顶最后200高度用水泥基灌浆料，浇筑方法见详图；由于水泥基灌浆料无收缩性，这样可保证竖向构件上端新旧混凝土无缝严密结合的目的。
6.加固效果
本工程施工前，施工中及施工后要求进行全过程监测，以15轴电梯井道做监测参照点；监测内容包括每个竖向构件凿除前，凿除后及浇筑混凝土28天后，对其竖向位移的测量，最大允许位移量为与之相连最小跨度梁的梁跨的两百分之一。
加固工程于2011年10月竣工，并于2011年11月取得了检验站出具的《结构安全检测鉴定报告》。
参考文献
[1]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010
[2]《钢结构设计规范》GB50017-2003
[3]《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006版)
[4]《混凝土結构加固设计规范》GB50367-2006
[5]《水泥基灌浆料材料施工技术规程》YB/T9261-98
[6]《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002
[7]《建筑结构加固工程施工质量验收规范》GB50550-2010
[8] 李天文. 混凝土结构工程加固施工及方案的选择[J]. China’s Foreign Trade. 2010 (12)
[9] 郭超. 混凝土工程加固施工及方案[J]. 黑龙江科技信息. 2007 (14)
[10] 王连青. 上海万邦中心抗震加固设计[J]. 建筑结构. 2010 (S2)
[11] 丁冀生,王罡. 电信大厦结构加固设计实例[J]. 中外建筑. 2003 (02)
[12] 闻庆龙. 框架柱的加固设计与施工[J]. 科技情报开发与经济. 2006 (22)
[13] 陈洪钦. 某已建工程中柱子加固设计的介绍[J]. 福建建设科技. 2003 (01)
关键词：高层建筑；竖向构件；加固方案；整体置换设计；施工
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1.工程概况
某小区一幢17层住宅（局部十六层），建筑高度为42.95米(局部45.75米)，结构体系采用框架-剪力墙结构，基础形式为桩基础。结构梁、板及柱的混凝土强度设计等级分别为：四层楼面以下的柱、墙为C35，四层楼面（含）以下的梁、板为C30。现施工进度为主体结构十二层（结构标高30.770），建筑平面见图1。二层11～30轴与A～K轴区域内竖向构件的混凝土实际强度未达到设计要求。
2．原因分析
经浙江省建设工程质量检验站有限公司对该建筑物二层竖向结构进行钻芯法混凝土强度测试，测试结果显示框架柱、剪力墙的混凝土抗压强度最低值<10Mpa，不满足设计及相关施工规范的要求。
3.加固方案比较
当时工程主体已建到十二层，标准层每层面积约580㎡，且房屋均已售出。
方案一：从二层柱开始拆除，总计要拆除面积6380㎡，直接损失600万以上，并且会在当地造成恶劣影响。
方案二：普通加固，会影响日后使用。
方案三：对二层进行整体置换处理。为了使结构构件强度符合设计等规范要求，达到结构安全及正常使用的目的，杜绝后患，综合考虑的方案。即对二层21～30轴及部分11～20轴与A～K轴区域内二层竖向构件全部进行加固置换处理，为高一级强度等级混凝土整体置换；对取芯检测不合格的二层结构梁板，拟采取方法为高一级强度等级混凝土整体置换进行处理。
图1平面图
4.整体置换加固方案设计
4.1加固方案设计
根据检测报告及现场踏勘，确定具体实施方案为：
1．由于二层剪力墙强度均不能达到要求，已不能有效承担水平荷载，故在施工前在适当位置设置临时钢结构剪刀撑，以抵抗施工期间风力产生的作用。
2．由于21～30轴整个单元竖向构件均有问题，置换作业时要充分考虑结构的安全，须采用构件分批，分散置换的原则，同一个剪力墙置换至少分两步进行，以确保结构安全。
3.针对11～20轴较多竖向构件混凝土强度等级C30及以上，梁C25及以上，这些构件应由原设计单位按实际强度，按正常使用状态进行复核，不满足要求，再另行加固处理。
4．对一层竖向构件采用托换后置换的加固方法处理。
首先于车库层、二层竖向构件上浇注抱柱梁或设置钢牛腿，在车库、二层抱柱梁（钢牛腿）间设置钢结构支撑，把二层及以上结构的原由一层竖向构件承担的竖向荷载通过抱柱梁（钢牛腿）托换系统传递至车库层竖向构件上。然后将一层竖向构件的不合格混凝土凿除（保留原纵筋），根据施工情况对柱纵筋及箍筋进行必要的补强，最后支模浇筑C40混凝土，振捣密实。待置换混凝土强度达到C40时，方可拆除抱柱梁支撑系统。
在抱柱梁（钢牛腿）托换系统中，为了减少施工时上部结构荷载对钢结构支撑产生的局部变形等影响，因此在上下抱柱梁（钢牛腿）之间的钢支撑系统中，增设液压千斤顶以备施加预应力（原柱墙轴力的90%），以保证结构整体的变形及层高等符合相关规范要求。
5.对不合格的二层结构梁，在墙柱混凝土置换后，采取方法为高一等级混凝土整体置换进行处理。
6.柱梁分开置换时，柱中预留4Ф16增强钢筋，深入梁中；当梁柱一起置换时，可不采取此措施。
4.2理论计算
根据置换方案，理论上对置换柱、钢牛腿、支撑钢管、柱间临时剪刀撑、剪刀撑钢梁及节点进行设计及验算。下面详细介绍置换柱、钢牛腿的设计。
1. 设计置换柱
图2四面抱柱截面图、剖面图
根据SATWE计算结果，取框架最大柱轴力设计值Nmax=1364KN，其柱截面尺寸为300×500mm，混凝土等级为C35，按四面抱柱设计。
假定抱柱梁高600mm，按最不利冲切面 A=600x(500x2+300x2)=960000mm2 ，
C35混凝土 ft=1.57,则四边可承受最大冲切力为1507KN>Nmax
2. 设计加固钢牛腿
图3钢牛腿平面图、剖面图
钢板采用Q235材质，螺杆采用8.8级M24，焊条采用E43型。
（1）焊缝计算
按最大单片剪力墙轴力设计值V=783KN，则M=783x0.3=234.9KN.m计，查得，
角焊缝高度取hf=10mm，焊缝长度lw=620-20=600mm，
8hf=80mm﹤lw=600mm≤60hf=600mm，满足构造要求。
满足要求。
（2）牛腿腹板设计
净面积：
，
，
1）抗弯承载力：
满足要求。
2）抗剪承载力：
满足要求。
满足要求。
（3）螺栓设计
，
单个螺栓剪力：
满足要求。
满足要求。
5.加固施工
5.1施工顺序
总施工顺序：先置换竖向构件，再置换梁板。
对于结构竖向构件，按隔二换一原则进行置换，对暂时未置换的竖向构件应全部采取临时支撑措施，以策安全；其中剪力墙部分，根据其自身长度采取分段置换的原则，设置钢牛腿托换系统后，可一半一半的方法分段凿除混凝土。
柱混凝土置换施工工序：
抱柱梁浇注（安装钢牛腿）→钢支撑系统安装→施加预应力→凿除竖向构件混凝土→柱钢筋补强→浇筑竖向构件混凝土→混凝土养护→拆除钢支撑→修复后清场（用切割方法，割除抱柱梁）。
5.2施工要点
抱柱梁：放样定位后，先将结构柱与抱柱梁交接界面凿毛，凿毛深度不小于20mm，界面洗净干净；安装模板及钢筋笼后浇捣水泥基灌浆料，抱柱梁强度达到要求后方可开始下一道工序。
钢牛腿：钢牛腿由钢板拼接而成，应保证其焊缝质量。钢板上的预留螺栓孔应定为准确。对穿螺杆应注意避开原柱或墙体纵筋，两侧螺孔应准确，偏差不得过大。
钢支撑：钢管及其他构件采用Q235-B材质，锚杆及螺栓强度等级为8.8级；钢柱采用热压无缝钢管Φ168×12作为竖向传力转换构件。
千斤顶：千斤顶采用型号FY-CLL-1006，额定承载能力为100T，施加预应力后可通过千斤顶自身的机械式螺母锁定千斤顶，防止液压千斤顶漏油等情况导致预应力损耗；千斤顶所加总预压力为竖向构件的柱（墙）底反力的90%。
混凝土：按高一级标号置换原则，新浇注混凝土的强度大于等于C40，浇注过程中应振捣密实，振捣方法严格按照施工规范要求；柱(墙)顶最后200高度用水泥基灌浆料，浇筑方法见详图；由于水泥基灌浆料无收缩性，这样可保证竖向构件上端新旧混凝土无缝严密结合的目的。
6.加固效果
本工程施工前，施工中及施工后要求进行全过程监测，以15轴电梯井道做监测参照点；监测内容包括每个竖向构件凿除前，凿除后及浇筑混凝土28天后，对其竖向位移的测量，最大允许位移量为与之相连最小跨度梁的梁跨的两百分之一。
加固工程于2011年10月竣工，并于2011年11月取得了检验站出具的《结构安全检测鉴定报告》。
参考文献
[1]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010
[2]《钢结构设计规范》GB50017-2003
[3]《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006版)
[4]《混凝土結构加固设计规范》GB50367-2006
[5]《水泥基灌浆料材料施工技术规程》YB/T9261-98
[6]《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002
[7]《建筑结构加固工程施工质量验收规范》GB50550-2010
[8] 李天文. 混凝土结构工程加固施工及方案的选择[J]. China’s Foreign Trade. 2010 (12)
[9] 郭超. 混凝土工程加固施工及方案[J]. 黑龙江科技信息. 2007 (14)
[10] 王连青. 上海万邦中心抗震加固设计[J]. 建筑结构. 2010 (S2)
[11] 丁冀生,王罡. 电信大厦结构加固设计实例[J]. 中外建筑. 2003 (02)
[12] 闻庆龙. 框架柱的加固设计与施工[J]. 科技情报开发与经济. 2006 (22)
[13] 陈洪钦. 某已建工程中柱子加固设计的介绍[J]. 福建建设科技. 2003 (01)