高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)加固方案

姜尊勇

（山東鉅輝建筑技術有限公司，山東 濟南 250000）

隨著我國城市化發(fā)展進程加快，國內(nèi)建筑工程項目施工標準逐步提升，較早建成的建筑物或是由于改變其建筑用途、或是因為質(zhì)量問題，導致一批老舊建筑物普遍存在安全隱患。在我國的小城鎮(zhèn)范圍內(nèi)有一大批的居住建筑以及老舊小區(qū)，由于受到結(jié)構(gòu)簡單以及年久失修等因素的影響，已無法滿足現(xiàn)階段的建筑工程施工標準以及具體使用要求。對老舊建筑物進行加固與改造，可全面提升建筑物的安全性以及實用性，確保其能夠滿足現(xiàn)階段的施工規(guī)范以及抗震要求，實現(xiàn)對人民群眾生命健康安全的有效保障。在為此在具體加固改造前，需要對既有建筑物的安全性、實用性以及耐久性開展全方面、多層次的鑒定，以此為基礎制定科學合理、經(jīng)濟化的房屋加固改造方案，為既有建筑物的維修加固提供參考。

1 案例工程

1.1 工程概述

本次選擇的案例工程為某市1996年建造的高層大廈。地上25層建筑均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，主樓設計為剪力墻結(jié)構(gòu)，而裙房設計成為框架結(jié)構(gòu)。同時案例工程設計由地下二層。案例工程項目的建筑物高度為97m，主體結(jié)構(gòu)高度為88m，地下二層的層高設計為3.5m，而地下一層的層高設計為3.8m。案例工程結(jié)構(gòu)設計應用年限在50年。案例工程的裙房基礎采取獨立基礎模式，主樓基礎采取箱型基礎模式，而裙房基礎與主樓基礎以基礎梁進行連接，持力層設計為卵石層。

1.2 檢測設備

檢測設備有5種：1）利用DS3型號的水準儀，對案例工程的沉降情況進行檢測。2）利用型號的電子經(jīng)緯儀，對案例工程的傾斜情況進行觀測。3）利用HT-225T型號的混凝土回彈儀，對案例工程的混凝土強度進行檢測。4）利用型號的砂漿回彈儀，對案例工程的砂漿強度進行檢測。5）利用PS200型號的鋼筋探測儀，對案例工程鋼筋配制進行檢測。

1.3 檢測目的

案例工程擱置時間相對較長，導致建筑物整體維護保養(yǎng)并不到位，房屋主體結(jié)構(gòu)混凝土強度相對較低，鋼筋銹蝕問題極為嚴重，因此，再次使用建筑前對建筑工程物進行鑒定，進而提出合理化的加固方案。

案例工程的建筑結(jié)構(gòu)檢測目的：1）對建筑物的建造質(zhì)量、抗震性能以及建筑物的使用可靠性以及應用安全性等級進行評價。2）為建筑物后續(xù)加固改造工作的開展提供技術實施依據(jù)。3）如果需要改變建筑的使用功能或是整體整改情況時，可通過檢測來提供相應的技術支持。

1.4 工作流程

建筑工程項目為高層建筑，建造完成時間悠久，需要通過安全檢測評估后制定剪力墻加固方案。案例工程的建筑物安全性檢測評估流程如圖1所示。

圖1 案例工程建筑結(jié)構(gòu)檢測評程序流程圖

2 檢測內(nèi)容及結(jié)果

2.1 地基基礎

案例工程的建筑場地地貌隸屬于古浪河下游沖擊平原，場地地勢較為平臺，地面高層設計為1521m。地層巖性見表1。

表1 地層巖性分析

卵石層的最大揭露深度為13m，最大揭露厚度為9.6m，層頂高程為1518.9m~1519.8m，最深揭露高程為1512m。卵石層呈現(xiàn)出灰褐色、稍濕、中密、密實的特性。

根據(jù)勘察結(jié)果表明，在施工現(xiàn)場內(nèi)并沒有不良地質(zhì)作用，也并沒有特殊性巖土，施工現(xiàn)場地基較為穩(wěn)定，場地地基土對混凝結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋以及鋼結(jié)構(gòu)均有一定的微腐蝕性特征。此外，在各個施工現(xiàn)場的勘探地點的勘探范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)地下水的蹤跡，因此在加固方案設計期間并不需要考慮地下水對建筑物基礎帶來影響。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011—2010）可知，施工現(xiàn)場內(nèi)無飽和粉土及砂土層，無砂土液化現(xiàn)象。施工現(xiàn)場的場地土類型為中硬場地土，而場地類型隸屬于Ⅱ類建筑場地，場地季節(jié)性凍土的最大凍深度為1.5m。

案例工程裙房部分采用獨立柱單獨基礎，主樓部分主要從采用箱型基礎，主樓以及裙房之間需要用基礎梁連接成為整體。箱基低與獨立柱基均坐落為卵石層上。箱基外墻厚度設計為360mm，內(nèi)墻厚度為260mm、360mm，頂板厚度為210mm、310mm，箱基頂板、底板以及墻體均采取雙層、雙向配筋模式，內(nèi)、外墻豎向鋼筋直徑以及水平鋼筋直徑采取15mm，間距設置為210mm。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將案例工程裙房室外地面上0.5m處墻飾面磚接分線以及裙房女兒墻作為基準面，利用水準儀對裙房以及主樓的沉降情況進行觀測。案例工程現(xiàn)階段的沉降量為1mm~30mm，局部傾斜度為0.15%~2.95%。案例工程的局部傾斜基本性滿足建筑抗震設計規(guī)范的局部傾斜小于2%的要求。

綜合檢查結(jié)果與案例工程實際情況，室外地面與主體結(jié)構(gòu)之間并未出現(xiàn)明顯相對位移，同時也并未出現(xiàn)由于基礎變形所出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象。為此案例工程的基礎安全性等級綜合評定為AⅡ級。

2.2 上部承重結(jié)構(gòu)

利用經(jīng)緯儀對案例工程上部結(jié)構(gòu)部分轉(zhuǎn)角部位的傾斜情況進行觀測，案例工程的側(cè)向位移在7mm~30mm。根據(jù)經(jīng)緯儀觀測結(jié)果表明，案例工程現(xiàn)階段出現(xiàn)的最大傾斜率為1.05‰，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50007—2011）中規(guī)定的最大允許傾斜量要求。

根據(jù)技術標準要求，并結(jié)合案例工程的實際情況，從地下二層至主樓三層中隨機抽取13片剪力墻，從4層~24層中隨機抽取5片剪力墻，利用回彈方法對剪力墻構(gòu)件混凝土抗壓強度進行抽樣檢測。

案例工程的混凝土抗壓強度換算值平均值在16.5MPa~42.5MPa，而標準差在0.68MPa~5.78MPa，混凝土的強度推定值為12.56MPa~37.52MPa。二層以及三層僅個別構(gòu)件混凝土強度推定值滿足原來的施工圖紙設計要求，而其余構(gòu)件混凝土強度推定值并未滿足原圖紙的設計要求。

根據(jù)技術標準要求，并結(jié)合案例工程的實際情況，從地下二層至主樓三層中每層隨機抽取13道現(xiàn)澆梁，同時從4~24層中每層隨機抽取3道現(xiàn)澆梁，利用回彈方法對現(xiàn)澆梁構(gòu)件混凝土抗壓強度進行抽樣檢測。

所抽檢的現(xiàn)澆梁構(gòu)件中，混凝土抗壓強度換算值平均值為16.7MPa~44.82MPa，標準差為0.68MPa~6.42MPa，混凝土強度推定值為12.47MPa~36.28MPa。只有抽檢出構(gòu)件中只有15個構(gòu)件的混凝土強度推定值滿足原有施工圖紙設計要求，其余抽檢構(gòu)件緩凝土強度推定值并未滿足原來的圖紙設計要求，而大部分的現(xiàn)澆筑構(gòu)件混凝土強度推定值也無法滿足設計規(guī)范要求。

根據(jù)技術標準要求，并結(jié)合案例工程的實際情況，從裙房地下二層至三層中，每層隨機選取八根框架柱，利用回彈法對框架柱構(gòu)件混凝土抗壓強度進行抽樣檢測?；炷量箟簭姸葥Q算值平均值為17.82MPa~35.64MPa，標準差在0.4MPa~5.72MPa，混凝土強度推定值為16.82MPa~32.42MPa。根據(jù)檢測結(jié)果可知，抽檢構(gòu)件混凝土強度推定值均未能滿足施工圖紙設計要求，同時大部分的框架柱構(gòu)件混凝土強度的推定值并未滿足建筑抗震設計規(guī)范的相關要求。

綜合現(xiàn)場檢測結(jié)果與實際調(diào)研情況，案例工程上部承重結(jié)構(gòu)以及圍護結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)由于不均性沉降所引發(fā)的裂縫或是其他類型損失，上部承重結(jié)構(gòu)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全性進行評級為Cu級。案例工程的平面規(guī)劃簡單、規(guī)則，豎向體型規(guī)則較為均勻，上部稱重結(jié)構(gòu)分布較為合理，為此案例工程的上部承重結(jié)構(gòu)整體被評定為BⅡ級。

3 高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)加固方案設計

3.1 加固區(qū)域

案例工程開展高水平的加固施工作業(yè)，方可確保整個工程項目的施工質(zhì)量，為此須妥善選擇加固方法。1）對裙樓的框架柱采取增大截面法進行加固，繼而妥善解決軸壓比超限以及配筋不充足的情況。2）對框架梁以及現(xiàn)澆板主要采取黏貼碳纖維布或是進行黏鋼的方法進行加固，繼而妥善解決配筋不足或是存在的其他質(zhì)量缺陷。3）對主樓部分的連梁以及部分現(xiàn)澆梁采取增大截面方法、黏貼碳纖維布以及黏鋼的方法進行加固，有效解決配筋不充足的問題。4）對剪力墻采取的黏鋼方法或是增大截面法進行加固，進而妥善解決配筋不足、超筋以及構(gòu)造缺陷的問題。

3.2 加固方案設計

案例工程本身存在交叉作業(yè)多、加固體量大以及加固形式多樣化的情況，為此按照加固工程經(jīng)濟性、安全性的原則設計兩套工程加固方案，并進行比對，擇優(yōu)選擇。方案A中，框架柱的加固方法為增大截面法；框架梁的加固方法為黏貼碳纖維布；現(xiàn)澆板板底的加固方法為黏貼碳纖維布，現(xiàn)澆板板頂?shù)募庸谭椒楝F(xiàn)澆疊合層；裂縫加固方法為先進行裂縫封閉，再利用碳纖維布補強；剪力墻的加固方法為黏貼型鋼。方案A加固方案設計優(yōu)勢在于，受力較為可靠，可有效提升結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件的承載能力，對使用空間的影響程度相對較小，方案施工較為便捷，濕作業(yè)施工數(shù)量相對較少；而其設計劣勢在于，對使用環(huán)境的溫度存在一定的制約且加固方案施工費用相對較高。方案B中，框架柱、框架梁、裂縫、現(xiàn)澆板板底以及現(xiàn)澆板板頂?shù)募庸谭椒ㄅc方案A相同。剪力墻的加固方法為增大截面面積。方案B加固方案設計優(yōu)勢在于能夠確保項目施工質(zhì)量，加固方案施工費用相對較低；而其設計劣勢在于，濕作業(yè)施工時間相對較長，而混凝土養(yǎng)護過程中需要限制其荷載量且在加固方案完成后結(jié)構(gòu)自重將會增加，將會大大減少建筑工程的施工空間。從技術層面以及經(jīng)濟層面進行加工方案對比后選擇方案A。

3.3 加固技術應用

混凝土施工技術是建筑施工應用頻率最高的技術手段，而混凝土材料應用質(zhì)量也直接影響到高層建筑安全性。嚴格按照混凝土材料配比進行混合活動。施工人員需根據(jù)建筑強度要求按照比例進行砂石、水泥等材料的混合，在確保材料比例準確的前提下，避免混凝土出現(xiàn)分崩離析的可能。案例工程外包增大的混凝土采用C40灌漿料，混凝土保護層厚度設計為25mm，應用的最大骨粒粒徑需要小于15mm，混凝土的初凝時間設計在3h以上，泌水率設置在6%以下，初始擴展度需要控制在560mm以上。在框架柱加固前，一旦發(fā)現(xiàn)混凝土出現(xiàn)缺陷部位時，需要立即對其進行清理，當混凝土出現(xiàn)裂縫時，需要對其進行修復處理，對銹蝕鋼筋需要除銹清潔。

利用黏貼碳纖維布的方法對框架梁的正負彎矩處以及梁側(cè)面進行加固，根據(jù)配筋不足情況具體選擇需要黏貼的碳纖維布層數(shù)，最多為3層。梁側(cè)的碳纖維布黏貼需要垂直在構(gòu)件軸線方向的U型箍區(qū)域，而U型箍的寬度設計為200mm，黏貼高度則是框架梁的截面高度。

現(xiàn)澆板底部所黏貼的碳纖維布必須是連續(xù)纖維，因此案例工程選用PAN基12k以下（包括12k）的小絲束纖維。選取的纖維復合材料的抗拉強度標準值需要達到置信水平=0.99。碳纖維布條的寬度設計為200mm，間距設置在800mm，碳纖維布條需要沿著縱橫兩個方向均衡布置，梁側(cè)則需要采用200mm的寬壓條。

裙樓部分的現(xiàn)澆板頂部采取增加鋼筋混凝土疊合層的方法進行加掛，所應用的混凝土標號為C40，設計的混凝土厚度為40mm。

剪力墻加固方法及注意事項如下。1）高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)加固優(yōu)化過程中應用數(shù)量相對較多的使用材料便是鋼筋，鋼筋施工技術的應用，對整個高層建筑框架剪力墻的強度與穩(wěn)定性均有極大的影響。剪力墻加固方法為黏貼型鋼方法，剪力墻陰角處的錨固角鋼設計為L75×7kg/m，之后灌環(huán)氧。外層的扁鋼則利用錨栓2d6固定在原來的混凝土墻體上，所設計的間距為400mm。2）橫豎向扁鋼的交接區(qū)域采取彎折交疊的方法進行搭接，縱橫向扁鋼在與墻面結(jié)合時，利用結(jié)構(gòu)膠進行黏貼，而向端部此類部位需要先進行焊接再進行灌環(huán)氧黏結(jié)。3）單節(jié)點處采取等代穿墻的高強螺栓將角鋼錨固在混凝土墻上，而進行單面加固期間所應用墊板尺寸為60mm×60mm×5mm。4）在樓板處采用等待穿板高強螺栓進行施工，而在樓板收頭施工處采用等代錨栓與現(xiàn)澆樓板底部進行固定。

3.4 加固后性能分析

案例工程加固的建筑工程項目進行建筑結(jié)構(gòu)抗震分析，在地震作用下，案例工程加固千層位移角值超出限定值，而在開展相應的加固工作后，案例工程層間位移角以及層間剪力得到有效控制，整個建筑工程項目設計滿足工程規(guī)范設計要求。

通過開展結(jié)構(gòu)樓層加速度反應譜了解到，在案例工程加固后，樓層的加速度反應譜值大大減小，這代表其加速度反映得到有效控制，減少地震對建筑工程的結(jié)構(gòu)破壞，有效避免出現(xiàn)其他類型的經(jīng)濟損失。

4 結(jié)語

綜上所述，在既有建筑不可拆建但又要應用的需求下，對既有建筑進行加工改造處理，可大大提升老舊建筑的施工安全性，強化原有建筑結(jié)構(gòu)的耐久性，實現(xiàn)資源利用最大化，降低對外界環(huán)境的污染程度。高層建筑的框架剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑物使用質(zhì)量有極大的影響，在高層建筑設計初期，剪力墻的數(shù)據(jù)本身相對合理，因此能夠有效控制重復性問題發(fā)生，同時也能滿足預期所設定的經(jīng)濟目標。為此，需要加強對高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)加固設計的重視程度，減少高層建筑存在的安全隱患，有效保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。