本发明涉及建筑施工领域，尤指一种混凝土竖向构件的替换方法及其替换结构。
背景技术：
在建筑施工领域，当结构的混凝土竖向构件因质量问题造成强度和设计要求相差较大时，需要将混凝土竖向构件拆除并重新建造新的混凝土竖向构件进行置换。
参阅图1和图2，显示了现有技术中的混凝土竖向构件的替换步骤示意图。结合图1和图2所示，首先在原混凝土竖向构件1的周围支设支撑体系2，以保证置换时结构的整体稳定，然后凿除原混凝土竖向构件1，最后重新浇筑形成新的混凝土竖向构件3。因为混凝土具有收缩性，一般采用膨胀混凝土(添加膨胀剂)，早期强度高，具有膨胀性，可抵消混凝土收缩。但是，混凝土膨胀率变化范围较大。因此，混凝土硬化过程中当混凝土变形与初始状态不一致时均会在周边结构中产生不利的附加内力，特别是当周边水平构件刚度较大时，上述附加内力的影响更为明显。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种混凝土竖向构件的替换方法及其替换结构，解决现有技术中替换混凝土竖向构件时难以控制新竖向构件的轴力平衡的问题。
实现上述目的的技术方案是：
本发明提供一种混凝土竖向构件的替换方法，用于将支撑在上层水平构件和下层水平构件之间的原竖向构件替换为新竖向构件，所述替换方法包括如下步骤：
靠近所述原竖向构件设置并顶撑于所述上层水平构件和所述下层水平构件之间的至少一个支撑结构；
拆除原竖向构件；
在所述下层水平构件上分段浇筑高膨胀混凝土形成顶部连接于所述上层水平构件的新竖向构件，并在所述新竖向构件内埋设可根据所述高膨胀混凝土的膨胀和收缩进行适应性调节所述新竖向构件的轴力的支墩；以及
拆除所述支撑结构。
本发明混凝土竖向构件的替换方法的进一步改进在于，在所述下层水平构件上分段浇筑高膨胀混凝土形成顶部连接于所述上层水平构件的新竖向构件，并在所述新竖向构件内埋设可根据高膨胀混凝土的形变进行适应性调节轴力的支墩，包括：
在下层水平构件上浇筑所述高膨胀混凝土形成下段；
提供支墩，将所述支墩设于所述下段上；
在所述支墩上浇筑所述高膨胀混凝土形成上段；
在所述上段和所述下段之间浇筑低膨胀混凝土形成覆盖所述支墩的中段。
本发明混凝土竖向构件的替换方法的进一步改进在于，
提供支墩，包括提供屈服力等于原竖向构件的初始轴力的屈曲约束支座。
本发明混凝土竖向构件的替换方法的进一步改进在于，提供屈曲约束支座包括：
提供套筒和芯板，将所述芯板插设于所述套筒内；
提供上连板和下连板，将所述下连板固接于所述套筒的底部，将所述下连板和所述下段连接，将所述上连板固接于所述芯板上，将所述上连板和所述上段连接。
本发明混凝土竖向构件的替换方法的进一步改进在于，
所述支撑结构的高度可调节；
在拆除所述原竖向构件之前还包括：调节所述支撑结构的高度，使得所述原竖向构件的轴力减小为零。
本发明混凝土竖向构件的替换方法的进一步改进在于，支设所述支撑结构，包括：
提供千斤顶，将所述千斤顶设于所述下层水平构件上；
提供高度小于所述上层水平构件和所述下层水平构件的间距的支撑柱，将所述支撑柱立设于所述千斤顶上，所述支撑柱的顶部支撑于所述上层水平构件的底部。
本发明还提供一种混凝土竖向构件的替换结构，包括：
通过高膨胀混凝土分段浇筑于下层水平构件上的新竖向构件，所述新竖向构件的顶部连接于上层水平构件；
埋设于所述新竖向构件内、且可根据所述高膨胀混凝土的膨胀和收缩进行适应性调节所述新竖向构件的轴力的支墩。
本发明混凝土竖向构件的替换结构的进一步改进在于，所述新竖向构件包括：
通过所述高膨胀混凝土浇筑形成于所述下层水平构件上的下段，所述支墩设于所述下段上；
通过所述高膨胀混凝土浇筑形成于所述支墩上的上段；
通过低膨胀混凝土在所述上段和所述下段之间浇筑形成的覆盖所述支墩的中段。
本发明混凝土竖向构件的替换方法的进一步改进在于，所述支墩为屈服力等于原竖向构件的初始轴力的屈曲约束支座。
本发明混凝土竖向构件的替换方法的进一步改进在于，所述屈曲约束支座包括：
套筒和插设于所述套筒内的芯板；
固接于所述套筒的底部的下连板，所述下连板和所述下段连接，固接于所述芯板上的上连板，所述上连板和所述上段连接。
本发明混凝土竖向构件的替换方法及其替换结构的有益效果：
本发明通过采用高膨胀混凝土浇筑形成新竖向构件，高膨胀混凝土在凝固过程中产生膨胀，挤压支墩；当支墩的内力达到屈服应力后基本不再增加，对上层水平构件和下层水平构件不再产生额外附加轴力，支墩屈服之后继续受高膨胀混凝土挤压产生塑性变形。在施工后期，高膨胀混凝土产生收缩，由于在设计时使得高膨胀混凝土的收缩变形在支墩的塑性变形范围内，所以支墩仍然处于屈服状态。本发明通过高膨胀混凝土和支墩调节控制新竖向构件的轴力，可解决现有技术中替换混凝土竖向构件时难以控制新竖向构件的轴力平衡的问题。
附图说明
图1和图2为现有技术中的混凝土竖向构件的替换步骤示意图。
图3，图4和图5为本发明混凝土竖向构件的替换方法的步骤示意图。
图6为本发明混凝土竖向构件的替换方法的屈曲约束支座的示意图。
图7为图6的a-a方向的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图图3，图4和图5显示了本发明混凝土竖向构件的替换方法的步骤示意图。结合图3至图5所示，本发明混凝土竖向构件的替换方法，用于将支撑在上层水平构件和下层水平构件之间的原竖向构件替换为新竖向构件，替换方法包括如下步骤：
靠近原竖向构件10设置并顶撑于上层水平构件11和下层水平构件12之间的至少一个支撑结构20；
拆除原竖向构件10；
在下层水平构件12上分段浇筑高膨胀混凝土形成顶部连接于上层水平构件11的新竖向构件30，并在新竖向构件30内埋设可根据高膨胀混凝土的膨胀和收缩进行适应性调节新竖向构件30的轴力的支墩40；以及
拆除支撑结构20。
作为本发明混凝土竖向构件的替换方法的一较佳实施方式，支撑结构20的高度可调节；在拆除原竖向构件10之前还包括：调节支撑结构20的高度，使得原竖向构件10的轴力减小为零。
具体地，与原竖向构件等杆件的轴线相重合的内力，称为轴力。当调节支撑于上层水平构件和下层水平构件之间的支撑结构的高度，测得原竖向构件的轴力逐渐减小为零时，说明此时由支撑结构承担上层水平构件和下层水平构件之间的力，可以将原竖向构件拆除而不影响上层水平构件和下层水平构件的结构。
作为本发明混凝土竖向构件的替换方法的一较佳实施方式，支设支撑结构20，包括：
提供千斤顶22，将所述千斤顶22设于所述下层水平构件12上；
提供高度小于所述上层水平构件11和所述下层水平构件12的间距的支撑柱21，将所述支撑柱21立设于所述千斤顶22上，所述支撑柱21的顶部支撑于所述上层水平构件11的底部。
千斤顶是一种用钢性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在行程内顶升重物的轻小起重设备。通过调节千斤顶的顶杆顶撑于支撑柱21的底部，使得支撑结构整体承担上层水平构件和下层水平构件之间的力，以保证拆除原竖向构件时不影响上层水平构件和下层水平构件的结构。
作为本发明混凝土竖向构件的替换方法的一较佳实施方式，在下层水平构件12上分段浇筑高膨胀混凝土形成顶部连接于上层水平构件11的新竖向构件30，并在新竖向构件30内埋设可根据高膨胀混凝土的形变进行适应性调节轴力的支墩40，包括：
在下层水平构件12上浇筑高膨胀混凝土形成下段31；
提供支墩40，将支墩40设于下段31上；
在支墩40上浇筑高膨胀混凝土形成上段32；
在上段32和下段31之间浇筑低膨胀混凝土形成覆盖支墩40的中段33。
具体地，在下层水平构件12上原竖向构件的位置上分段支模，先支设下段的模板，浇筑高膨胀混凝土形成下段31。然后将支墩40设于下段31上，在支墩40上方支设上段的模板，浇筑高膨胀混凝土形成上段32。此时，支墩40位于上段32和下段31之间，还需在上段32和下段31之间浇筑低膨胀混凝土以包覆支墩40。待混凝土达到预定强度后，主要就是新竖向构件支撑上层水平构件11和下层水平构件12。当测得千斤顶的传力基本为零时，可拆除支撑结构。
作为本发明混凝土竖向构件的替换方法的一较佳实施方式，提供支墩40，包括提供屈服力等于原竖向构件的初始轴力的屈曲约束支座。
具体地，根据原竖向构件的初始轴力设计屈曲约束支座的截面，使得屈曲约束支座的屈服力等于轴力。根据高膨胀混凝土的膨胀率和后期的收缩率设计屈曲约束支座的高度。屈曲约束支座的高度较小，用于覆盖埋设屈曲约束支座的中段的低膨胀混凝土的收缩变形也较小，易于控制。
具体原理：高膨胀混凝土在凝固过程中产生膨胀，挤压屈曲约束支座；当屈曲约束支座的内力达到屈服应力后基本不再增加，对上层水平构件和下层水平构件不再产生额外附加轴力，屈曲约束支座屈服之后继续受高膨胀混凝土挤压产生塑性变形。具体的，屈服应力是在材料拉伸或压缩过程中，当应力达到一定值时，应力有微小的增加，而应变却急剧增长的现象，称为屈服，使材料发生屈服时的正应力就是材料的屈服应力。
在施工后期，高膨胀混凝土产生收缩，在设计时使得高膨胀混凝土的收缩变形在屈曲约束支座的塑性变形范围内，即屈曲约束支座仍然处于屈服状态。
作为本发明混凝土竖向构件的替换方法的一较佳实施方式，参阅图6为本发明混凝土竖向构件的替换方法的屈曲约束支座的示意图。图7为图6的a-a方向的剖视图。结合图3至图7所示，提供屈曲约束支座包括：提供套筒41和芯板42，将芯板42插设于套筒41内；提供上连板43和下连板44，将下连板44固接于套筒41的底部，将下连板44和下段31连接，将上连板43固接于芯板42上，将上连板43和上段32连接。
具体地，屈曲约束支座由内核构件和外围约束体系构成，内核构件承受轴向压力，并利用外围对内核构件的横向位移进行约束，防止内核发生屈曲，使其能在轴压作用下发生全截面屈服，从而获得稳定的承载力。
本发明还提供一种混凝土竖向构件的替换结构，包括：
通过高膨胀混凝土分段浇筑于下层水平构件12上的新竖向构件30，新竖向构件30的顶部连接于上层水平构件11；
埋设于新竖向构件30内、且可根据高膨胀混凝土的膨胀和收缩进行适应性调节新竖向构件30的轴力的支墩40。
作为本发明混凝土竖向构件的替换结构的一较佳实施方式，新竖向构件30包括：
通过高膨胀混凝土浇筑形成于下层水平构件12上的下段31，支墩40设于下段31上；
通过高膨胀混凝土浇筑形成于支墩40上的上段32；
通过低膨胀混凝土在上段32和下段31之间浇筑形成的覆盖支墩40的中段33。
作为本发明混凝土竖向构件的替换结构的一较佳实施方式，支墩40为屈服力等于原竖向构件的初始轴力的屈曲约束支座。
作为本发明混凝土竖向构件的替换结构的一较佳实施方式，屈曲约束支座包括：
套筒41和插设于套筒41内的芯板42；
固接于套筒41的底部的下连板44，下连板44和下段31连接，固接于芯板42上的上连板43，上连板43和上段32连接。
芯板42为工字钢，套筒41为适配的工字型套筒。
具体地，屈曲约束支座由内核构件和外围约束体系构成，内核构件承受轴向压力，并利用外围约束体系对内核构件的横向位移进行约束，防止内核发生屈曲，使其能在轴压作用下发生全截面屈服，同时维持稳定的承载力。
本发明混凝土竖向构件的替换方法及其替换结构的有益效果为：
本发明通过采用高膨胀混凝土浇筑形成新竖向构件，高膨胀混凝土在凝固过程中产生膨胀，挤压支墩；当支墩的内力达到屈服应力后基本不再增加，对上层水平构件和下层水平构件不再产生额外附加轴力，支墩屈服之后继续受高膨胀混凝土挤压产生塑性变形。在施工后期，高膨胀混凝土产生收缩，由于在设计时使得高膨胀混凝土的收缩变形在支墩的塑性变形范围内，所以支墩仍然处于屈服状态。本发明通过高膨胀混凝土和支墩调节控制新竖向构件的轴力，可解决现有技术中替换混凝土竖向构件时难以控制新竖向构件的轴力平衡的问题。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
1.一种混凝土竖向构件的替换方法，用于将支撑在上层水平构件和下层水平构件之间的原竖向构件替换为新竖向构件，其特征在于，所述替换方法包括如下步骤：
靠近所述原竖向构件设置并顶撑于所述上层水平构件和所述下层水平构件之间的至少一个支撑结构；
拆除原竖向构件；
在所述下层水平构件上分段浇筑高膨胀混凝土形成顶部连接于所述上层水平构件的新竖向构件，并在所述新竖向构件内埋设可根据所述高膨胀混凝土的膨胀和收缩进行适应性调节所述新竖向构件的轴力的支墩；以及
拆除所述支撑结构。
2.如权利要求1所述的混凝土竖向构件的替换方法，其特征在于，
在所述下层水平构件上分段浇筑高膨胀混凝土形成顶部连接于所述上层水平构件的新竖向构件，并在所述新竖向构件内埋设可根据高膨胀混凝土的形变进行适应性调节轴力的支墩，包括：
在下层水平构件上浇筑所述高膨胀混凝土形成下段；
提供支墩，将所述支墩设于所述下段上；
在所述支墩上浇筑所述高膨胀混凝土形成上段；
在所述上段和所述下段之间浇筑低膨胀混凝土形成覆盖所述支墩的中段。
3.如权利要求2所述的混凝土竖向构件的替换方法，其特征在于，
提供支墩，包括提供屈服力等于原竖向构件的初始轴力的屈曲约束支座。
4.如权利要求3所述的混凝土竖向构件的替换方法，其特征在于，提供屈曲约束支座包括：
提供套筒和芯板，将所述芯板插设于所述套筒内；
提供上连板和下连板，将所述下连板固接于所述套筒的底部，将所述下连板和所述下段连接，将所述上连板固接于所述芯板上，将所述上连板和所述上段连接。
5.如权利要求1所述的混凝土竖向构件的替换方法，其特征在于，
所述支撑结构的高度可调节；
在拆除所述原竖向构件之前还包括：调节所述支撑结构的高度，使得所述原竖向构件的轴力减小为零。
6.如权利要求5所述的混凝土竖向构件的替换方法，其特征在于，支设所述支撑结构，包括：
提供千斤顶，将所述千斤顶设于所述下层水平构件上；
提供高度小于所述上层水平构件和所述下层水平构件的间距的支撑柱，将所述支撑柱立设于所述千斤顶上，所述支撑柱的顶部支撑于所述上层水平构件的底部。
7.一种混凝土竖向构件的替换结构，其特征在于，包括：
通过高膨胀混凝土分段浇筑于下层水平构件上的新竖向构件，所述新竖向构件的顶部连接于上层水平构件；
埋设于所述新竖向构件内、且可根据所述高膨胀混凝土的膨胀和收缩进行适应性调节所述新竖向构件的轴力的支墩。
8.如权利要求7所述的混凝土竖向构件的替换结构，其特征在于，所述新竖向构件包括：
通过所述高膨胀混凝土浇筑形成于所述下层水平构件上的下段，所述支墩设于所述下段上；
通过所述高膨胀混凝土浇筑形成于所述支墩上的上段；
通过低膨胀混凝土在所述上段和所述下段之间浇筑形成的覆盖所述支墩的中段。
9.如权利要求8所述的混凝土竖向构件的替换结构，其特征在于，
所述支墩为屈服力等于原竖向构件的初始轴力的屈曲约束支座。
10.如权利要求9所述的混凝土竖向构件的替换结构，其特征在于，所述屈曲约束支座包括：
套筒和插设于所述套筒内的芯板；
固接于所述套筒的底部的下连板，所述下连板和所述下段连接；固接于所述芯板上的上连板，所述上连板和所述上段连接。
技术总结