被動式雙面加大截面法加固底層剪力墻的軸心受壓計算方法探討

廖新雪，袁靈，林文修，李文杰,鄒勇，王耀偉

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

0 引言

剪力墻加固方法運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用較少，現行混凝土結構加固設計規范認為加大截面法的適用范圍以定位在梁、板、柱為宜[4]；《混凝土結構加固構造》13G311-1則對剪力墻加大截面法做出相應規定，有加大截面的詳圖，說明提倡加大截面法加固墻體。

在實際工程中，當高層建筑的底層剪力墻出現混凝土強度不滿足時，將可能導致剪力墻軸壓比不足，此時適宜的加固方法有3個：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險性相對較大，因此往往采用加大截面法。當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%，此時采用加大截面法加固底部剪力墻，由于無法對恒載進行有效卸載，僅當原墻體進一步受力，產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加固。

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

1 計算方法探討

1.1 傳力途徑分析

雙面加大剪力墻如圖1所示，當原墻進一步受力，產生豎向壓縮變形和橫向膨脹變形，通過3個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及水平壓力有關，而水平壓力主要來自拉結筋的橫向變形產生的拉力；

（3）拉結筋的銷鍵作用，與拉結筋的橫截面積和橫斷面抗剪強度有關。

1.2 計算方法

在進行計算方法討論之前，需作如下基本假定：（1）新增拉結鋼筋的拉伸變形和原構件的橫向變形一致；（2）變形在彈性范圍內。另外為了簡化計算，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

設原有構件產生新的豎向應變為著y，在彈性范圍內，水平應變著x=v著y（v為泊松比），根據基本假定的第⑴條，新增拉結鋼筋的水平應變也為v著y，則單根新增拉結筋的水平應力為Ev著y（E為拉結筋的彈性模量）。設新增拉結筋根數為n，單根鋼筋面積為Asv，則拉結筋產生的水平壓力為：

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。

1.2.2 拉結筋的銷鍵作用力

設新增拉結筋根數為n，單根鋼筋面積為Asv，依據參考文獻[6]，橫向銷鍵的應力取0.75屈服強度，則新增拉結筋的銷鍵力為：

fyv—拉結鋼筋屈服強度；2表示有兩個剪切面。

1.2.3 新增截面承載力

根據1.2.1和1.2.2，求得新增截面的承載力為：

簡化該式，用fyv代替E·v著y，依據參考文獻[6]，混凝土之間的摩擦系數取0.7，則簡化后的新增截面承載力為：

1.2.4 總體承載力

依據參考文獻[4]，加大截面后的剪力墻軸心受壓公式表達成：

式中：0.9為計算系數；

漬—構件穩定系數，根據加固后的截面尺寸，按參考文獻[7]的規定進行計算；

fc0—原構件混凝土軸心抗壓強度設計值；

f'y0—原構件豎向鋼筋強度設計值；

Ac0—原構件混凝土截面面積；

A'y0—原構件豎向鋼筋截面面積。

2 算例分析

設某一字型剪力墻厚200mm、長2400mm、高3000mm，墻身水平及豎向配筋B10@150，混凝土強度原設計為C50，檢測結果為C40,采用加大截面法進行加固處理。每側加大75mm，混凝土強度采用C50，墻身水平及豎向配筋B10@150，拉結筋為A8@450，取1m長剪力墻作為計算單元，根據參考文獻[7]計算原設計軸壓承載力如下：

加固后的承載力計算如下：

另外對新增混凝土截面厚度和配筋進行復核，即新增混凝土承載力和配筋不能低于2.2·n·fyv·Asv=418.3kN，每側新增截面厚75mm，混凝土強度C50，豎向配筋B10@150，根據公式（7）計算其能承擔的豎向力為:

式中的2表示兩個截面，0.32為穩定系數漬，根據高度3.0m、厚度75mm求得。計算結果大于418.3kN，滿足要求。

為了對比，按參考文獻[4]的公式5.4.1計算加固后構件承載力如下：

式中：琢s—綜合考慮新增混凝土和鋼筋強度利用程度的降低系數，取值為0.8；

fc—新增混凝土軸心抗壓強度設計值；

fy—新增豎向鋼筋強度設計值；

Ac—新增截面面積；

A'y—新增豎向鋼筋截面面積。

經計算，參考文獻[4]的公式5.4.1計算結果R=6402.8kN,遠大于本文公式(6)計算結果的4072.5kN，其可能原因是本文推導的公式忽略新、舊混凝土的咬合力。

3 討論

（1）實際工程的加固設計與施工，一般發生在主體結構恒載已基本施加完畢的情況，對于剪力墻結構，其剛度大、層數高、無法卸除恒載，因此對底部剪力墻采用加大截面法加固，屬于被動加固，僅當被加固的剪力墻進一步受荷，產生進一步變形時，新增截面才能分擔荷載。

（2）當需要加固的底層剪力墻在恒載作用下，其軸壓比已超限，此時采用加大截面法值得商榷。因為恒載作用下剪力墻的變形已基本形成，雖然隨著時間推移，在徐變等作用下，變形有所發展，但絕大部分恒載還是由原構件承擔，構件將長期處在高應力狀態，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，同時配合減小上部結構裝修荷載及活載的辦法，效果更好。

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

4 結論

本文根據被動加固方式的傳力途徑，推導出軸心受壓的計算公式為該公式能體現被動加固法的傳力途徑和物理意義，強調拉結筋在加大截面法中不僅僅是構造要求，而是承載力的重要組成部分，希望能引起加固設計人員的重視。

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[7]GB50010-2010混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.