混凝土置換法在某短肢剪力墻高層住宅加固中的應(yīng)用

胡克旭　趙志鵬

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所, 上海 200092)

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混凝土置換法在某短肢剪力墻高層住宅加固中的應(yīng)用

胡克旭*趙志鵬

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所, 上海 200092)

摘要某新建的17層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓,結(jié)構(gòu)封頂后發(fā)現(xiàn)該房屋第七層的混凝土強(qiáng)度明顯偏低,取芯試驗(yàn)顯示混凝土強(qiáng)度不足C15,遠(yuǎn)達(dá)不到C25的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)第七層剪力墻的軸壓比情況,現(xiàn)場采用免支撐混凝土分段置換方法,以高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土分段置換全部原七層剪力墻混凝土,對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行“加固”。通過預(yù)先制定置換順序和分段置換量,嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,取得了良好的加固效果。結(jié)合該工程實(shí)例,給出了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)用免支撐混凝土置換加固的技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞高層住宅, 短肢剪力墻, 混凝土強(qiáng)度不足, 免支撐, 分段置換法

Application of Concrete-replacing Method in Reinforcement of a High-rise Short-leg Shear Wall Residential Building

HU Kexu*ZHAO Zhipeng

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092,China)

AbstractA 17-story residential building of short-leg shear wall structure was under construction. After the main structure had been completed, the detection personnel found that the concrete strength of shear wall in 7th floor was obviously low. And the core tests showed that the concrete strength in 7th floor was less than C15, far less than the design strength of C25. According to the condition of axial compression of the shear wall in 7th floor, the structure was to be retrofitted through the unpropped concrete-replacing method. It meant that all of the original concrete shall be segmentally replaced by high-strength and self-compaction concrete. The replacement order and segmental displacement and also the construction quality were under strictly control during the whole process, and ultimately the strengthening method had achieved good effect. Through this project example, this paper presents the essential points of the use of unpropped concrete-replacing method.

1引言

近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高層住宅越來越多,采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的房屋住宅也蓬勃發(fā)展。然而受地方商業(yè)混凝土生產(chǎn)水平、工程施工質(zhì)量控制水平的影響,可能會出現(xiàn)剪力墻混凝土強(qiáng)度不足的現(xiàn)象。海南某17層高層住宅,采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu),由于商品混凝土供應(yīng)過程中操作失誤,導(dǎo)致第七層剪力墻混凝土配比錯(cuò)誤,強(qiáng)度遠(yuǎn)不滿足設(shè)計(jì)要求,需要進(jìn)行加固處理。目前,混凝土結(jié)構(gòu)常用加固方法有加大截面加固法、粘貼鋼板或粘貼碳纖維加固法及混凝土置換加固法等[1-2]。本工程由于加固部位位于第七層,剪力墻軸壓比過大,粘貼鋼板和粘貼碳纖維加固方法并不適用,而加大截面方法加固不僅難以施工,加固后還明顯影響使用。經(jīng)多方案比較決定采用置換混凝土方法處理[3-4]。由于上部有9層樓的荷載,現(xiàn)場難以支撐,本工程通過分段置換嚴(yán)格控制剪力墻內(nèi)部應(yīng)力,施工時(shí)不設(shè)支撐,實(shí)現(xiàn)免支撐的置換技術(shù)。不僅工期大大縮短,也大大降低了加固成本,對類似工程具有參考意義。

2工程概況

2.1　房屋建筑概況

該房屋為一幢地下一層、地上十六層的商住樓,平面呈Y形,建筑面積10 122 m2。該房屋地下一層作商鋪用,層高4.5 m;地上一層為架空層,層高3.6 m;二層以上為住宅,層高均為3.0 m;室內(nèi)外高差0.2 m,房屋總高度為53.3 m。

加固前結(jié)構(gòu)已封頂并完成了填充墻體砌筑,整幢房屋尚未進(jìn)行內(nèi)外墻粉刷和地坪瓷磚鋪設(shè)。該房屋填充墻采用蒸壓加氣混凝土砌塊和M5混合砂漿砌筑,走廊和分戶填充墻厚200 mm,戶內(nèi)填充墻厚100 mm。

2.2　房屋結(jié)構(gòu)概況

該房屋為現(xiàn)澆鋼筋混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示,地下一層到地上三層墻厚300 mm,四層以上墻厚均為200 mm;一層板厚120、130 mm,二層及以上各層板厚100、120、130 mm。該房屋采用人工挖孔樁基礎(chǔ),基本為每墻肢下一樁,樁徑1.0 m、1.2 m和1.5 m三種。樁承臺厚1 200 mm。

圖1　房屋結(jié)構(gòu)平面圖(單位:mm)Fig.1　Structural layout(Unit:mm)

原設(shè)計(jì)剪力墻混凝土強(qiáng)度等級:地下一層到地上一層為C35,二到六層為C30,七層及以上層為C25。梁、板混凝土強(qiáng)度等級:地下一層到地上兩層為C30;三層及以上各層均為C25。

2.3　結(jié)構(gòu)安全狀況

檢測人員采用取芯和回彈法對檢測房屋剪力墻的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了現(xiàn)場檢測。鑒定結(jié)果顯示七層剪力墻混凝土強(qiáng)度為14.8 MPa,遠(yuǎn)未達(dá)到原設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25,但剪力墻頂暗梁與上層樓板同批澆筑,混凝土強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)要求,其他各層混凝土強(qiáng)度也均滿足原設(shè)計(jì)要求。

為評定檢測房屋的安全狀況,合理提出加固處理方案,采用中國建筑科學(xué)研究院通用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件PKPM對檢測房屋進(jìn)行建模,驗(yàn)算其當(dāng)前的承載力狀況。驗(yàn)算時(shí)的取值情況如下:

人民幣升值、綠色壁壘、反傾銷以及福利取消交易的一系列交易環(huán)境變化,變化的最大值在國際交易和企業(yè)利潤空間收到擠壓類,在以往低稅收控股公司以及交貨方式的價(jià)格將會被稅務(wù)機(jī)關(guān)關(guān)注。甚至是嚴(yán)厲稽查，根據(jù)新的稅收，在早期的情況下，這是一個(gè)問題，對這兩家公司的股東來說是非常重要的。另外，實(shí)質(zhì)是中資的外資企業(yè)(俗稱假合資企業(yè))在企業(yè)中占比較高，這類企業(yè)實(shí)際上增加了運(yùn)營成本。

根據(jù)原設(shè)計(jì)要求,該房屋建筑抗震設(shè)防類別為丙類,結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05 g,設(shè)計(jì)地震分組取第一組,場地類別Ⅱ類,特征周期Tg=0.35 s,結(jié)構(gòu)阻尼比0.05,短肢剪力墻抗震等級三級。50年一遇的基本風(fēng)壓為0.85 kN/m2,地面粗糙度類別為B類,風(fēng)載體型系數(shù)為1.3。

在正常使用情況下,結(jié)構(gòu)恒荷載按設(shè)計(jì)圖紙的構(gòu)件尺寸取值,樓板面層和天花板粉刷層的荷載按規(guī)范取為1.5 kN/m2,樓面活荷載取為2.0 kN/m2,內(nèi)外墻未計(jì)墻面粉刷層荷載在混凝土容重中體現(xiàn),取剪力墻混凝土容重為26.5 kN/m3;結(jié)構(gòu)混凝土材料強(qiáng)度取值:七層剪力墻混凝土強(qiáng)度按實(shí)測結(jié)果取14.8 MPa,其他樓層剪力墻混凝土強(qiáng)度按原設(shè)計(jì)取值,即地下一層到一層為C35,二到六層為C30,八層及以上層為C25。梁、板混凝土強(qiáng)度等級:一、二層樓面為C30;三層及以上各層均為C25。鋼筋強(qiáng)度按規(guī)范要求取值:HPB235取210 MPa,HRB335取300 MPa,HRB400取360 MPa。

PKPM計(jì)算所得正常使用荷載下七層剪力墻軸壓比如圖2所示。

圖2　正常使用荷載下第七層軸壓比計(jì)算結(jié)果Fig.2　Axial compression ratio of seventh floorshear wall under service load

短肢剪力墻軸壓比普遍超過高層建筑規(guī)程規(guī)定的軸壓比要求,最大軸壓比達(dá)0.73。此外,七層剪力墻14.8 MPa的混凝土強(qiáng)度也不滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[5]規(guī)定的C20的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最低混凝土強(qiáng)度要求。結(jié)構(gòu)存在安全隱患,要求對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

3加固方案選擇

3.1　當(dāng)前結(jié)構(gòu)受力狀況

為合理選擇加固方案,首先需要了解現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的受力狀況,尤其是當(dāng)前結(jié)構(gòu)軸壓比狀況。在當(dāng)前情況下,結(jié)構(gòu)恒荷載按設(shè)計(jì)圖紙的構(gòu)件尺寸結(jié)合現(xiàn)場狀況取值:樓板未計(jì)板面50厚面層和天花板粉刷層荷載,內(nèi)外墻未計(jì)墻面粉刷層荷載(除14～16層內(nèi)墻外)。樓面活荷載取0.5 kN/m2的施工荷載。

結(jié)構(gòu)混凝土材料強(qiáng)度取值:七層剪力墻混凝土強(qiáng)度按實(shí)測結(jié)果取14.8 MPa,其他樓層剪力墻混凝土強(qiáng)度按原設(shè)計(jì)取值。

結(jié)果顯示,在僅考慮施工荷載下第七層剪力墻軸壓比普遍在0.2～0.4之間,最大值為0.54(圖3)。

圖3　當(dāng)前施工荷載下第七層軸壓比計(jì)算結(jié)果Fig.3　Axial compression ratio of seventh floor shearwall under current construction load

3.2　加固方案選擇

根據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)前的情況,可行的加固方案有:方案一,直接拆除上部10層,但此法會浪費(fèi)大量資金,造成的社會影響大;方案二,加大截面加固法,在剪力墻外側(cè)新澆混凝土加厚墻體,但此法會影響使用凈空間,新舊混凝土共同參與工作的性能也不易保證,七層結(jié)構(gòu)外墻凸出也不利建筑裝飾;方案三,鋼板加固,在被加固墻體兩側(cè)覆以鋼板,但此法會使得裝修困難,且加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝,質(zhì)量不易保證,對后續(xù)使用隱患也很大;方案四,從地面開始做支撐結(jié)構(gòu),對七層以下結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐,后對七層混凝土拆除置換,但此法支撐工程量巨大,且施工困難,施工時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。

根據(jù)現(xiàn)場房屋當(dāng)前的結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度狀況,除第七層剪力墻混凝土強(qiáng)度達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求外,其它樓層混凝土強(qiáng)度均滿足(或超過)原設(shè)計(jì)要求;再考慮到當(dāng)前七層剪力墻混凝土強(qiáng)度過低,即使加固后滿足承載力要求,也難以保證正常的結(jié)構(gòu)壽命[6-9]。處理方案應(yīng)以混凝土置換為主,即以高標(biāo)號混凝土全部置換原七層剪力墻混凝土。原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級C25,該工程采用C40微膨脹自密實(shí)混凝土進(jìn)行置換。

考慮到結(jié)構(gòu)在當(dāng)前施工荷載下第七層剪力墻的軸壓比并非很高(最大值0.54),決定采用免支撐分段置換方法進(jìn)行該房屋第七層剪力墻的混凝土置換。為保證施工期間結(jié)構(gòu)安全及施工速度,經(jīng)慎重考慮,施工時(shí)對七層分為I、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)施工區(qū),如圖4所示,對每墻肢分三次置換,每次置換1/3,按照先中間后兩邊的原則確定各墻肢分段置換順序,如圖5和圖6所示。

圖4　施工分區(qū)示意圖Fig.4　Zoning diagram of construction

圖5　第七層Ⅱ區(qū)各墻肢分段置換順序Fig5　The replacement order of shear wallson seventh floor,district Ⅱ

圖6　第七層Ⅰ、Ⅲ區(qū)各墻肢分段置換順序Fig.6　The replacement order of shear wall onseventh floor,district I and Ⅲ

置換采用流水施工,即先進(jìn)行Ⅰ區(qū)①段混凝土拆除,澆筑Ⅰ區(qū)①段同時(shí)拆除Ⅱ區(qū)①段,澆筑Ⅱ區(qū)①段同時(shí)拆除Ⅲ區(qū)①段,然后進(jìn)行Ⅲ區(qū)①段的澆筑,并進(jìn)行第二輪置換……依次進(jìn)行,直到完成,但應(yīng)保證每輪拆除前上輪澆筑的混凝土強(qiáng)度不低于70%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

3.3　加固方案的可行性

為確保施工期間的結(jié)構(gòu)安全,對施工過程中的不同階段工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算。計(jì)算分析時(shí),為安全起見,不考慮每輪拆除時(shí)本輪已澆筑混凝土的強(qiáng)度,對第一輪拆除(拆除①段混凝土)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行PKPM建模,計(jì)算分析得到結(jié)構(gòu)第七層剪力墻的軸壓比如圖7所示,最大值為0.82。第二輪拆除時(shí),第一輪澆筑混凝土強(qiáng)度取70%的混凝土強(qiáng)度即28 MPa,第二輪拆除時(shí)第七層剪力墻的軸壓比如圖8所示,最大值為0.70。第三輪拆除時(shí),第一、二輪澆筑混凝土強(qiáng)度偏安全地均取28 MPa,第三輪拆除時(shí)第七層剪力墻的軸壓比計(jì)算結(jié)果如圖9所示,最大值為0.50。另需說明的是,考慮施工期較短,計(jì)算時(shí)不考慮地震作用,但考慮風(fēng)荷載作用。

圖7　第一輪拆除后剪力墻軸壓比計(jì)算結(jié)果Fig.7　Axial compression ratio after the firstround of demolition

圖8　第二輪拆除后剪力墻軸壓比計(jì)算結(jié)果Fig.8　Axial compression ratio after the secondround of demolition

4分段置換混凝土施工

本工程由上海某有資質(zhì)且經(jīng)驗(yàn)豐富、素質(zhì)過硬的專業(yè)隊(duì)伍實(shí)施,嚴(yán)格按照確定好的置換順序和分段置換量進(jìn)行,待新澆混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后再進(jìn)行下一輪置換施工,確保了工程質(zhì)量和施工期間的整體結(jié)構(gòu)安全。

4.1　混凝土拆除

按照預(yù)先制定好的分段置換順序分三批拆除混凝土。拆除混凝土?xí)r應(yīng)輕敲輕拆,避免對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大振動,避免損傷原結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋。另外,考慮到拆除②、③段(剪力墻兩端)混凝土?xí)r與其相連的梁的擱置問題,施工前先對搭在剪力墻上的梁進(jìn)行臨時(shí)支撐,待新澆混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%時(shí)再予以拆除?，F(xiàn)場拆除情況如圖10所示。

4.2　混凝土澆筑

按照既定順序澆筑新混凝土,與混凝土拆除組成流水作業(yè)。注意在先澆和后澆混凝土結(jié)合面處,要鑿毛先澆混凝土表面,并清除浮松混凝土,再涂刷水泥漿以保證結(jié)合面施工質(zhì)量。現(xiàn)場澆筑及施工后情況如圖11所示。

圖11　現(xiàn)場澆筑混凝土及置換后情況Fig.11　The pouring on site andthe wall after replacement

5結(jié)論

在高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中,某層混凝土強(qiáng)度明顯不足時(shí),根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力情況,可考慮采用免支撐分段置換方法。由該工程的具體實(shí)施,可得出免支撐混凝土分段置換方法運(yùn)用的要點(diǎn):

(1) 通過對各墻肢進(jìn)行合理分段,若拆除部分段后剩余墻段軸壓比在合理范圍內(nèi)時(shí),可不必對結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐,靠剩余墻段支撐上部結(jié)構(gòu)。

(2) 剪力墻應(yīng)用免支撐分段置換加固方法時(shí),各墻肢宜按先中間后兩邊的置換順序施工,也可采用更多的分段數(shù),但嚴(yán)格控制分段置換量是

關(guān)鍵;

(3) 與被置換的剪力墻相連的梁下宜設(shè)置臨時(shí)支撐,在混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求之后再移除;

(4) 混凝土置換方法加固時(shí),新置換混凝土應(yīng)采用微膨脹、自密實(shí)的混凝土,防止新老混凝土之間產(chǎn)生收縮裂縫,并注意結(jié)合面的處理。

參考文獻(xiàn)

[1]胡克旭.校安工程中的校舍抗震加固方法探討[J].結(jié)構(gòu)工程師,2011,27(5):146-152.

Hu Kexu.Discussion on seismic strengthening methods of school buildings for school safety engineering[J].Structural Engineers,2011,27(5):146-152.(in Chinese)

[2]劉勛,施衛(wèi)星,王進(jìn).傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)和新型抗震加固技術(shù)的總結(jié)與對比[J].結(jié)構(gòu)工程師,2012,28(2):101-105.

Liu Xun,Shi weixing,Wang Jin.Summary and comparison of traditional and innovative seismic strengthening technologies[J].Structural Engineers,2012,28(2):101-105.(in Chinese)

[3]陳尚建,歐陽普英,侯發(fā)亮.置換混凝土法在圈梁加固中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2007,S1:183-184.

Chen Shangjian,Ouyang Puying,Hou Faliang.Application of concrete replacement method in circle beam reinforcement[J].Building Structure,2007,S1:183-184.(in Chinese)

[4]劉雄.混凝土局部分期置換法在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究[D].長沙:湖南大學(xué),2011.

Liu Xiong.Application study of concrete local staging of replacement method in reinforcement of structure[D].Changsha:Hunan University,2011.(in Chinese)

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People′s Republic of China．GB 50010—2010 Code for design of concrete structures[S].Beijing: China Architecture and Building Press, 2010. (in Chinese)

[6]張敬書,潘寶玉.現(xiàn)行抗震加固方法及發(fā)展趨勢[J].工程抗震與加固改造,2005,01:56-62.

Zhang Jingshu,Pan Baoyu.Methods and development of present aseismic retrofitting[J].Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting,2005,01:56-62.(in Chinese)

[7]江見鯨,李杰,金偉良.高等混凝土結(jié)構(gòu)理論[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

Jiang Jianjing,Li Jie,Jin Weiliang.Advanced theory of concrete structures[M].Beijing:Chinese Building Industry Press,2007.(in Chinese)

[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.JGJ 3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese)

[9]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50367—2006 Design code for strengthening concrete structure[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2006.(in Chinese)

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃資助(2009BAJ28B02)

收稿日期：2014-08-11

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