免支撐置換剪力墻混凝土法分段方法研究

種道坦，繩欽柱，牟 強(qiáng)，張建鵬，崔 瓏，李新泰

（山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

0 引 言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)。近幾年，我國(guó)建筑行業(yè)迎來(lái)爆發(fā)期，新建建筑數(shù)量呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。新建建筑中，高層住宅建筑占了相當(dāng)大的比重［1］，而高層住宅建筑中又以剪力墻結(jié)構(gòu)形式居多。隨著新建建筑井噴式增長(zhǎng)，種種原因?qū)е碌氖┕べ|(zhì)量問(wèn)題頻出，混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生［2］。

目前比較常用的混凝土剪力墻的加固方法有增大截面加固法、置換混凝土加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材加固法、預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板加固法及增設(shè)支點(diǎn)加固法等［3］。在上述諸多加固方法中，置換混凝土加固法最為直接有效，尤其對(duì)住宅類(lèi)建筑的加固來(lái)說(shuō)，置換混凝土加固法不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)形式，對(duì)后期使用影響最小，是住宅類(lèi)建筑的最優(yōu)加固法。當(dāng)前置換混凝土加固法的實(shí)施中以傳統(tǒng)的先支撐后置換的方式居多，置換過(guò)程中需要設(shè)置大量支撐，經(jīng)濟(jì)成本較高。

同濟(jì)大學(xué)胡克旭等［4］通過(guò)嚴(yán)格控制剪力墻的軸壓比，采用免支撐分段置換法對(duì)某短肢剪力墻高層住宅進(jìn)行了加固，取得了良好的效果。湖南大學(xué)劉雄、山東建筑大學(xué)李樹(shù)明等通過(guò)分期置換加固某框架角柱一小段混凝土的工程實(shí)例，分析了施工檢測(cè)結(jié)果以及置換加固的效果，試驗(yàn)結(jié)果表明支撐結(jié)構(gòu)、柱受力鋼筋、混凝土等構(gòu)件的應(yīng)力變化非常微小，新舊混凝土結(jié)合及協(xié)調(diào)受力良好［5－6］。中國(guó)建筑科學(xué)研究院李春濤等［7］通過(guò)采用免支撐分段置換混凝土法（分三段）對(duì)某在建的 31 層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓第 18 層剪力墻混凝土進(jìn)行置換，通過(guò)對(duì)剪力墻的合理分段并制定合理的置換順序，嚴(yán)格控制施工階段的混凝土墻內(nèi)部應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)免支撐分段置換剪力墻混凝土，取得了良好的加固效果。本文通過(guò)對(duì)多個(gè)高層住宅模型計(jì)算分析，并結(jié)合已成功施工完畢的一個(gè)工程案例，總結(jié)免支撐置換剪力墻混凝土的控制要點(diǎn)及分段原則，以期為相關(guān)的高層剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻混凝土置換工程提供一定的參考，進(jìn)而達(dá)到降低施工成本、提升施工效率、提高施工質(zhì)量的目的。

1 模型計(jì)算參數(shù)設(shè)置及計(jì)算原則

1.1 模型計(jì)算參數(shù)設(shè)置

目前在建工程的正常施工速度以 6～7 d 施工一層居多?；炷翉?qiáng)度的檢測(cè)多在構(gòu)件混凝土齡期不少于 28 d 以后進(jìn)行。工程存在某樓層混凝土強(qiáng)度達(dá)不到原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求的發(fā)現(xiàn)時(shí)機(jī)大都在 28 d 左右。模型計(jì)算時(shí)以置換層上方施工完畢 6 層為前提進(jìn)行研究。

模型計(jì)算時(shí)設(shè)定工程案例在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該工程地上1 層 剪力墻混凝土強(qiáng)度按批次推定值為 14.1 MPa，遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求，現(xiàn)有其余各樓層混凝土強(qiáng)度推定值均滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求，擬采用免支撐置換剪力墻混凝土法對(duì)該工程 1 層剪力墻混凝土進(jìn)行置換。

模型在計(jì)算時(shí)假定置換層上方已施工完畢各樓層填充墻，樓面做法及頂棚等均未施工，故計(jì)算時(shí)樓面恒荷載僅考慮板自重。在正常情況下剪力墻混凝土置換加固施工時(shí)，置換層上方應(yīng)停止一切與剪力墻混凝土置換施工無(wú)關(guān)的作業(yè)，安全起見(jiàn)并結(jié)合部分實(shí)際施工情況考慮，模型計(jì)算時(shí)樓面活荷載按 0.5 kN/m2取值。根據(jù)假定，混凝土構(gòu)件表面抹灰等裝飾層均未施工，混凝土容重按 25 kN/m3取值；置換層剪力墻混凝土強(qiáng)度按 14 MPa 取值，其余各層構(gòu)件混凝土強(qiáng)度均按原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)取值。由于剪力墻混凝土置換加固施工周期較短，計(jì)算時(shí)不考慮地震作用及雪荷載，計(jì)算時(shí)僅考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)值組合并同時(shí)考慮風(fēng)荷載作用。

1.2 計(jì)算原則

規(guī)范規(guī)定，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)和三級(jí)的高層建筑，在重力荷載代表值作用下剪力墻墻肢的軸壓比不宜超過(guò) 0.6［8］。在目前已成功的免支撐剪力墻混凝土置換的工程案例中，在計(jì)算階段多將墻肢的最大軸壓比控制在 0.50～0.82，參考既有成功案例，本文在研究過(guò)程中將墻肢最大軸壓比控制在不超過(guò) 0.7。

在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下為確保施工速度，根據(jù)各待置換墻體的長(zhǎng)度，在采用分段、分批次置換原則的前提下，剪力墻劃分的單個(gè)置換墻肢的長(zhǎng)度原則上控制在 700～1 000 mm，對(duì)個(gè)別自身長(zhǎng)度較小的剪力墻的墻肢長(zhǎng)度根據(jù)具體情況另行細(xì)分考慮，在方案的制定上盡量使待置換墻體在置換時(shí)保持墻體自身及整層墻體的對(duì)稱(chēng)性，同時(shí)將每段待置換墻體至少分兩次進(jìn)行置換。對(duì)于自身長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)的墻體，采用按不同分批方案對(duì)應(yīng)的分批次數(shù)進(jìn)行等長(zhǎng)度劃分的原則，同時(shí)控制單個(gè)墻肢長(zhǎng)度不小于 500 mm。

2 模型 A 計(jì)算

2.1 模型 A 原設(shè)計(jì)概況

該工程設(shè)計(jì)為地下 1 層地上 18 層剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁基+筏板基礎(chǔ)，樓屋面板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。該工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑設(shè)計(jì)合理使用年限為 50 年，抗震設(shè)防烈度為 6 度，設(shè)計(jì)地震加速度為 0.05 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，框架抗震等級(jí)為四級(jí)，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為 II 類(lèi)；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為 0.45 kN/m2，基本雪壓為 0.30 kN/m2，地面粗糙度為 C 類(lèi)。一類(lèi)環(huán)境下現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件柱、梁為 20 mm，板、墻、殼鋼筋保護(hù)層厚度為 15 mm。

2.2 模型 A 設(shè)計(jì)材料及現(xiàn)狀

基礎(chǔ)墊層為 C 15，筏板為 C 35，地下 1 層～地上 1 層剪力墻為 C 35，梁、板、2 層及以上剪力墻均為 C 30。

該工程現(xiàn)已施工至 7 層（主體結(jié)構(gòu) 7 層現(xiàn)已施工完畢），填充墻尚未開(kāi)始砌筑。經(jīng)檢測(cè)該工程 1 層剪力墻混凝土強(qiáng)度按批次推定值為 14.1 MPa，遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C35 的要求，現(xiàn)有其余各樓層混凝土強(qiáng)度推定值均滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求。

2.3 模型 A 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1 模型 A 分批方案

對(duì)模型 A 共按 3 種分批方案分別進(jìn)行計(jì)算，即單次分別置換整層剪力墻的 1/4、1/3 及 1/2 進(jìn)行計(jì)算，置換材料采用高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，置換用灌漿料抗壓強(qiáng)度等級(jí)較混凝土原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)高一標(biāo)號(hào)，分批方案如圖1～3 所示。

圖1 模型 A 單次置換整層 1/4 剪力墻分批方案

圖2 模型 A 單次置換整層 1/3 剪力墻分批方案

圖3 模型 A 單次置換整層 1/2 剪力墻分批方案

2.3.2 模型 A 分批置換計(jì)算結(jié)果

當(dāng)進(jìn)行第二～第四批次置換計(jì)算時(shí)，置換計(jì)算批次之前已置換批次（即第一～第三批次）混凝土強(qiáng)度均按置換用灌漿料強(qiáng)度等級(jí)的 70 % 考慮，對(duì)該工程按28 MPa 考慮。經(jīng)計(jì)算，模型 A 各分批方案各批次計(jì)算軸壓比計(jì)算結(jié)果中的最大軸壓比如表1 所示。模型 A 各分批方案第一批次軸壓比計(jì)算結(jié)果如圖4～6 所示。

表1 模型 A 最大軸壓比統(tǒng)計(jì)

圖4 模型 A 單次置換整層 1/4 剪力墻分批方案第一批次軸壓比計(jì)算結(jié)果（左側(cè)單元）

圖5 模型 A 單次置換整層 1/3 剪力墻分批方案第一批次軸壓比計(jì)算結(jié)果（左側(cè)單元）

3 模型 B～E 計(jì)算

3.1 模型 B～E 原設(shè)計(jì)概況

圖6 模型 A 單次置換整層 1/2 剪力墻分批方案第一批次軸壓比計(jì)算結(jié)果（左側(cè)單元）

模型 B 原設(shè)計(jì)為地下 2 層、地上 18 層剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁基+筏板基礎(chǔ)，樓屋面板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。該工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑設(shè)計(jì)合理使用年限為 50 年，抗震設(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計(jì)地震加速度為 0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為 0.45 kN/m2，基本雪壓為 0.35 kN/m2，地面粗糙度為B類(lèi)。一類(lèi)環(huán)境下現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件柱、梁鋼筋保護(hù)層厚度為 20 mm，板、墻、殼鋼筋保護(hù)層厚度為 15 mm。模型 C～E 概況與模型 B 類(lèi)似，不再贅述。

模型 B～E 均按以下條件假定：置換層上方現(xiàn)已施工完畢 6 層，填充墻尚未開(kāi)始砌筑。置換層剪力墻混凝土，遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C 35（C 30）的要求，除置換層外的其余現(xiàn)有各樓層混凝土強(qiáng)度推定值均滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求。

3.2 模型 B～E 結(jié)構(gòu)計(jì)算

對(duì)模型 B～E 均按 3 種分批方案分別進(jìn)行計(jì)算，即單次分別置換整層剪力墻的 1/4、1/3 及 1/2 進(jìn)行計(jì)算，置換材料采用高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，置換用灌漿料抗壓強(qiáng)度等級(jí)較混凝土原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)高一標(biāo)號(hào)。

在模型 B～E 的計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)行第二～第四批次置換計(jì)算時(shí)，置換計(jì)算批次之前已置換批次（即第一～第三批次）混凝土強(qiáng)度均按置換用灌漿料強(qiáng)度等級(jí)的 70 % 考慮。經(jīng)計(jì)算，模型 B～E 各分批方案各批次計(jì)算軸壓比計(jì)算結(jié)果中的最大軸壓比，除模型 B 的 1/2 分批方案的第一批次軸壓比最大值大于 0.7 以外，其余各分批方案的計(jì)算結(jié)果均未超過(guò) 0.7，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 模型 B～E 最大軸壓比統(tǒng)計(jì)

4 工程實(shí)例

4.1 工程實(shí)例概況

工程實(shí)例設(shè)計(jì)為地下 2 層，地上 22 層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，基礎(chǔ)型式為條形基礎(chǔ)，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限 50 年?？拐鹪O(shè)防烈度為 6 度（0.05 g），設(shè)計(jì)地震分組為第三組；抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)；建筑場(chǎng)地類(lèi)別為 I2 類(lèi)。該工程剪力墻及框架抗震等級(jí)均為四級(jí)。該工程基礎(chǔ)墊層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C 15，基礎(chǔ)底板及樓梯混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C 30，地下2～7 層剪力墻混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C 40，8～12 層剪力墻混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C 35，13 層～機(jī)房層剪力墻混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C 30，各層梁板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為 C 30。

該工程施工至地上主體 10 層時(shí)發(fā)現(xiàn) 2 層墻體混凝土強(qiáng)度較低，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。采用置換法對(duì)該工程 2 層墻體進(jìn)行加固，設(shè)計(jì)考慮上部 8 層荷載。

4.2 工程實(shí)例分批方案

對(duì)工程實(shí)例 2 層剪力墻混凝土共分 4 批進(jìn)行置換，即單次分別置換整層剪力墻的 1/4，在分段時(shí)考慮施工周期，對(duì)分批進(jìn)行了優(yōu)化，總體原則上將單段墻體控制在 800～1 000 mm之間，然后根據(jù)各墻體的自身長(zhǎng)度不同按分批次數(shù)進(jìn)行等長(zhǎng)度劃分。在置換順序上，對(duì)單段墻體的置換均考慮分兩次進(jìn)行，通過(guò)對(duì)墻體的合理安排，使墻體的置換盡量保持墻體的左右對(duì)稱(chēng)（東西向），在南北向上作同樣考慮。置換材料采用高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，置換用灌漿料抗壓強(qiáng)度等級(jí)較混凝土原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)高一標(biāo)號(hào)，分批方案如圖7 所示。

圖7 工程實(shí)例剪力墻混凝土置換分批方案（單次置換整層1/4）

4.3 工程實(shí)例免支撐分批置換結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，工程實(shí)例在進(jìn)行第一～第三批次剪力墻混凝土置換時(shí)最大軸壓比分別為 0.64、0.34、0.63。剪力墻的置換分 4 個(gè)階段進(jìn)行。在置換方案確定以后，施工主要分 6 步進(jìn)行：①在待置換墻體周邊梁底設(shè)置支撐；②拆除第一階段置換剪力墻混凝土并及時(shí)澆筑；③進(jìn)行第二～第四階段剪力墻混凝土置換施工；④待新澆筑混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后拆除置換墻體周邊梁底支撐。具體施工過(guò)程如下所述。

為安全起見(jiàn)，在置換施工開(kāi)始前，針對(duì)工程案例制定了一套應(yīng)急預(yù)案。墻體拆除時(shí)的臨時(shí)支撐方案，以應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)情況，設(shè)置時(shí)使桿件處于未受力狀態(tài)，作為安全儲(chǔ)備，以應(yīng)對(duì)緊急狀況，整個(gè)置換施工過(guò)程按免支撐方案進(jìn)行。同時(shí)選取其中一道墻體（11/B～E 軸間剪力墻），在置換施工開(kāi)始前在該墻體兩側(cè)中部的支撐鋼管中各選取其中一道豎向鋼管下部分別放置一臺(tái)千斤頂，并在千斤頂上方安放壓力傳感器記錄該墻體混凝土拆除前后支撐的受力狀況。與此同時(shí)，在 11/B～E 軸間剪力墻置換施工時(shí)，其余墻體均按既定方案同步進(jìn)行施工。經(jīng)監(jiān)測(cè)，在墻體置換過(guò)程中傳感器顯示的數(shù)據(jù)基本無(wú)變化，現(xiàn)場(chǎng)如圖8～10 所示。11/B～E 軸間剪力墻置換過(guò)程中臨時(shí)支撐受力變化過(guò)程如表3 所示。

5 結(jié) 論

圖8 現(xiàn)場(chǎng)安放壓力傳感器墻體

圖9 壓力傳感器安放于支撐管件底部

圖10 置換墻體

表3 11/B～E 軸間剪力墻置換過(guò)程第一階段臨時(shí)支撐受力統(tǒng)計(jì)

住宅中剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)不滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)而導(dǎo)致墻體的承載力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行加固處理，而置換混凝土加固方法是最優(yōu)解，通過(guò)對(duì)置換混凝土墻體的合理分段，嚴(yán)格控制墻肢的軸壓比，可實(shí)現(xiàn)免支撐置換剪力墻混凝土的施工。

通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的剪力墻臨時(shí)支撐的受力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在剪力墻墻肢的拆除及新混凝土澆筑過(guò)程中，臨時(shí)支撐管件的受力及力的變化相較墻肢的受力可以忽略不計(jì)，在剪力墻混凝土置換施工的整個(gè)過(guò)程中，臨時(shí)支撐均處于非受力狀態(tài)。置換方案中的墻肢承擔(dān)了全部的上部荷載，沒(méi)有力傳至臨時(shí)支撐上。在工程實(shí)例中的整個(gè)置換施工過(guò)程中，該工程各墻肢及周邊梁、板及上下層相關(guān)及相鄰剪力墻、梁及板等構(gòu)件均未發(fā)現(xiàn)異常變形及受力破壞現(xiàn)象，各構(gòu)件均工作正常。工程實(shí)例的 1/4 分批方案置換工作進(jìn)展順利，施工達(dá)到預(yù)期效果，得到該工程建設(shè)、監(jiān)理等各方的一致好評(píng)，該分批方案的免支撐置換剪力墻方法得到認(rèn)可。

工程實(shí)例中的免支撐方案提高了置換施工的速度，節(jié)約了支撐材料，縮短了施工周期，并在置換施工過(guò)程中保證了結(jié)構(gòu)的安全，為免支撐置換剪力墻混凝土方法做了示范，可為類(lèi)似工程提供參考，該方法安全可行。目前該方法已有多個(gè)成功案例，需進(jìn)行剪力墻混凝土置換的工程可參考使用該方法，該方法的使用對(duì)節(jié)約成本大有益處。