被動(dòng)式雙面加大截面法加固底層剪力墻的軸心受壓計(jì)算方法探討

廖新雪，袁靈，林文修，李文杰,鄒勇，王耀偉

（1重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400015；2重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

剪力墻加固方法運(yùn)用及研究較多的是粘鋼加固、碳纖維加固等[1-3]，加大截面法加固剪力墻則運(yùn)用較少，現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范認(rèn)為加大截面法的適用范圍以定位在梁、板、柱為宜[4]；《混凝土結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造》13G311-1則對(duì)剪力墻加大截面法做出相應(yīng)規(guī)定，有加大截面的詳圖，說(shuō)明提倡加大截面法加固墻體。

在實(shí)際工程中，當(dāng)高層建筑的底層剪力墻出現(xiàn)混凝土強(qiáng)度不滿足時(shí)，將可能導(dǎo)致剪力墻軸壓比不足，此時(shí)適宜的加固方法有3個(gè)：減小荷載[5]、加大截面[5]及置換混凝土。由于置換法的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)性相對(duì)較大，因此往往采用加大截面法。當(dāng)民用高層建筑修建完畢，底層剪力墻已基本承受全部恒載，占總豎向荷載的70%～80%，此時(shí)采用加大截面法加固底部剪力墻，由于無(wú)法對(duì)恒載進(jìn)行有效卸載，僅當(dāng)原墻體進(jìn)一步受力，產(chǎn)生豎向壓縮變形和橫向膨脹變形，新增截面才能受力，因此其加固方式屬于被動(dòng)加固。

目前尚未檢索到被動(dòng)加大截面法加固剪力墻的受力性能的研究文獻(xiàn)，因此本文就高層建筑底層剪力墻采用被動(dòng)式雙面加大截面法加固后的軸心受壓計(jì)算方法展開(kāi)探討，為工程加固設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 計(jì)算方法探討

1.1 傳力途徑分析

雙面加大剪力墻如圖1所示，當(dāng)原墻進(jìn)一步受力，產(chǎn)生豎向壓縮變形和橫向膨脹變形，通過(guò)3個(gè)途徑把軸力傳遞給新增截面：

圖1 剪力墻雙面加大截面

（1）新、舊混凝土界面的咬合力，來(lái)自舊混凝土表面鑿毛處理后，新、舊混凝土之間的凹、凸咬合；

（2）新、舊混凝土界面的摩擦力，與混凝土之間的摩擦系數(shù)及水平壓力有關(guān)，而水平壓力主要來(lái)自拉結(jié)筋的橫向變形產(chǎn)生的拉力；

（3）拉結(jié)筋的銷(xiāo)鍵作用，與拉結(jié)筋的橫截面積和橫斷面抗剪強(qiáng)度有關(guān)。

1.2 計(jì)算方法

在進(jìn)行計(jì)算方法討論之前，需作如下基本假定：（1）新增拉結(jié)鋼筋的拉伸變形和原構(gòu)件的橫向變形一致；（2）變形在彈性范圍內(nèi)。另外為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略新、舊混凝土界面咬合力。

1.2.1 新、舊混凝土界面的摩擦力

設(shè)原有構(gòu)件產(chǎn)生新的豎向應(yīng)變?yōu)橹鴜，在彈性范圍內(nèi)，水平應(yīng)變著x=v著y（v為泊松比），根據(jù)基本假定的第⑴條，新增拉結(jié)鋼筋的水平應(yīng)變也為v著y，則單根新增拉結(jié)筋的水平應(yīng)力為Ev著y（E為拉結(jié)筋的彈性模量）。設(shè)新增拉結(jié)筋根數(shù)為n，單根鋼筋面積為Asv，則拉結(jié)筋產(chǎn)生的水平壓力為：

因此可求得新、舊混凝土摩擦力為：

式中：u—新、舊混凝土的摩擦系數(shù)。

1.2.2 拉結(jié)筋的銷(xiāo)鍵作用力

設(shè)新增拉結(jié)筋根數(shù)為n，單根鋼筋面積為Asv，依據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，橫向銷(xiāo)鍵的應(yīng)力取0.75屈服強(qiáng)度，則新增拉結(jié)筋的銷(xiāo)鍵力為：

fyv—拉結(jié)鋼筋屈服強(qiáng)度；2表示有兩個(gè)剪切面。

1.2.3 新增截面承載力

根據(jù)1.2.1和1.2.2，求得新增截面的承載力為：

簡(jiǎn)化該式，用fyv代替E·v著y，依據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，混凝土之間的摩擦系數(shù)取0.7，則簡(jiǎn)化后的新增截面承載力為：

1.2.4 總體承載力

依據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，加大截面后的剪力墻軸心受壓公式表達(dá)成：

式中：0.9為計(jì)算系數(shù)；

漬—構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)加固后的截面尺寸，按參考文獻(xiàn)[7]的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算；

fc0—原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

f'y0—原構(gòu)件豎向鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

Ac0—原構(gòu)件混凝土截面面積；

A'y0—原構(gòu)件豎向鋼筋截面面積。

2 算例分析

設(shè)某一字型剪力墻厚200mm、長(zhǎng)2400mm、高3000mm，墻身水平及豎向配筋B10@150，混凝土強(qiáng)度原設(shè)計(jì)為C50，檢測(cè)結(jié)果為C40,采用加大截面法進(jìn)行加固處理。每側(cè)加大75mm，混凝土強(qiáng)度采用C50，墻身水平及豎向配筋B10@150，拉結(jié)筋為A8@450，取1m長(zhǎng)剪力墻作為計(jì)算單元，根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]計(jì)算原設(shè)計(jì)軸壓承載力如下：

加固后的承載力計(jì)算如下：

另外對(duì)新增混凝土截面厚度和配筋進(jìn)行復(fù)核，即新增混凝土承載力和配筋不能低于2.2·n·fyv·Asv=418.3kN，每側(cè)新增截面厚75mm，混凝土強(qiáng)度C50，豎向配筋B10@150，根據(jù)公式（7）計(jì)算其能承擔(dān)的豎向力為:

式中的2表示兩個(gè)截面，0.32為穩(wěn)定系數(shù)漬，根據(jù)高度3.0m、厚度75mm求得。計(jì)算結(jié)果大于418.3kN，滿足要求。

為了對(duì)比，按參考文獻(xiàn)[4]的公式5.4.1計(jì)算加固后構(gòu)件承載力如下：

式中：琢s—綜合考慮新增混凝土和鋼筋強(qiáng)度利用程度的降低系數(shù)，取值為0.8；

fc—新增混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

fy—新增豎向鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

Ac—新增截面面積；

A'y—新增豎向鋼筋截面面積。

經(jīng)計(jì)算，參考文獻(xiàn)[4]的公式5.4.1計(jì)算結(jié)果R=6402.8kN,遠(yuǎn)大于本文公式(6)計(jì)算結(jié)果的4072.5kN，其可能原因是本文推導(dǎo)的公式忽略新、舊混凝土的咬合力。

3 討論

（1）實(shí)際工程的加固設(shè)計(jì)與施工，一般發(fā)生在主體結(jié)構(gòu)恒載已基本施加完畢的情況，對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，其剛度大、層數(shù)高、無(wú)法卸除恒載，因此對(duì)底部剪力墻采用加大截面法加固，屬于被動(dòng)加固，僅當(dāng)被加固的剪力墻進(jìn)一步受荷，產(chǎn)生進(jìn)一步變形時(shí)，新增截面才能分擔(dān)荷載。

（2）當(dāng)需要加固的底層剪力墻在恒載作用下，其軸壓比已超限，此時(shí)采用加大截面法值得商榷。因?yàn)楹爿d作用下剪力墻的變形已基本形成，雖然隨著時(shí)間推移，在徐變等作用下，變形有所發(fā)展，但絕大部分恒載還是由原構(gòu)件承擔(dān)，構(gòu)件將長(zhǎng)期處在高應(yīng)力狀態(tài)，在較大地震作用下，受力性能不佳。這種情況建議采用置換方法。

（3）當(dāng)恒載作用下底層剪力墻的軸壓比不超限，只是在總荷載作用下軸壓比超限，建議可以采用加大截面法，同時(shí)配合減小上部結(jié)構(gòu)裝修荷載及活載的辦法，效果更好。

（4）當(dāng)僅有底部一層墻體需要加固處理，采用加大截面法，除了對(duì)該層進(jìn)行處理外，理想狀態(tài)是從下至上每層墻體都進(jìn)行加固，這樣能有效降低加固的被動(dòng)性，受條件限制無(wú)法每層加固，也應(yīng)往上延伸幾層，建議不少于2層。

4 結(jié)論

本文根據(jù)被動(dòng)加固方式的傳力途徑，推導(dǎo)出軸心受壓的計(jì)算公式為該公式能體現(xiàn)被動(dòng)加固法的傳力途徑和物理意義，強(qiáng)調(diào)拉結(jié)筋在加大截面法中不僅僅是構(gòu)造要求，而是承載力的重要組成部分，希望能引起加固設(shè)計(jì)人員的重視。

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