某框架-剪力墻結構建筑的剪力墻混凝土置換設計

劉邵敏 （廣州華特建筑結構設計事務所（普通合伙），廣東 廣州 510000）

1 工程概況

某建筑為一幢29層住宅樓，其中地上27層、地下2層。該建筑物結構形式為框架-剪力墻結構，目前主體結構已經施工完成，分隔墻體也已砌筑完成，施工外架尚未拆除，其他建筑裝修、裝飾也暫未進行施工。

該建筑十三層剪力墻混凝土原設計強度為C25，現發現該建筑物第十三層共計20片剪力墻混凝土強度不能滿足設計要求，嚴重影響剪力墻承載力，因此需要對強度不滿足要求的剪力墻進行混凝土置換設計，以滿足后續安全使用要求。本次所有需要進行混凝土置換的剪力墻位置均由委托單位指定。十三層剪力墻原設計厚度為250mm，樓層高度為3.0m。

2 設計思路

2.1 托換平臺設計

在需置換剪力墻位置的十四層和十二層分別設置上、下兩個托換平臺，托換平臺與原剪力墻之間通過鑿毛進行新舊混凝土界面處理，并通過該界面完成豎向荷載的有效傳遞。為減少因鑿毛而導致剪力墻承載力的降低，本次設計剪力墻的鑿毛深度為6mm～8mm。托換平臺混凝土強度等級為C30。托換平臺平面大樣如圖1所示，托換平臺剖面大樣如圖2所示。

圖1 托換平臺平面大樣圖

圖2 托換平臺剖面大樣圖

2.2 支撐設計

在上、下托換平臺之間設置鋼管千斤頂支撐，并輔以單支頂支撐。鋼管千斤頂支撐由螺旋千斤頂和鋼管支撐組成，單支頂支撐由小鋼管和可調頂托組成。單支頂支撐在需要進行混凝土置換的剪力墻受荷范圍之內采用滿堂布置，單支頂支撐布置的樓層范圍為第11層至第15層，支撐體系剖面示意如圖3所示。

圖3 支撐系統剖面示意圖

2.3 混凝土置換設計

本次共有20片剪力墻混凝土需要進行置換，根據委托單位指定的需置換剪力墻的分布情況，采用分區分批對指定的強度不滿足設計要求的剪力墻混凝土進行置換。所需置換的20片剪力墻共分為3個批次進行置換施工，分批置換時，每個批次所置換的剪力墻應盡量分散且分布均勻。所置換混凝土強度等級為C30。

2.4 置換施工順序

置換施工的施工順序為布置小鋼管支撐→澆筑上、下拖換平臺→布置鋼管千斤頂支撐→拆除第一批需置換剪力墻混凝土→重新澆筑第一批需置換剪力墻混凝土→拆除第二批需置換剪力墻混凝土→重新澆筑第二批需置換剪力墻混凝土→拆除第三批需置換剪力墻混凝土→重新澆筑第三批需置換剪力墻混凝土→拆除鋼管千斤頂支撐→拆除上、下托換平臺→拆除小鋼管支撐。所需注意的是鋼管千斤頂支撐布置前，上、下托換平臺混凝土強度需達到設計要求；第二批需置換剪力墻原混凝土拆除前，第一批置換的剪力墻混凝土強度需達到設計要求，后續批次剪力墻置換時混凝土強度均按此要求；鋼管千斤頂支撐拆除前，所支撐位置剪力墻置換的混凝土強度需滿足設計要求。

2.5 變形監測

在置換施工過程中，需加強豎向變形監測，同時需要對托換平臺以及與被置換剪力墻相關的結構構件的裂縫和變形進行觀測。剪力墻混凝土置換過程中要求豎向變形值小于2mm，最大裂縫寬度不超過0.1mm。

3 設計計算

3.1 計算模型及荷載取值

剪力墻置換設計過程中采用原結構計算模型，由于該建筑物主體結構雖已建造完成，但未進行裝修施工，也還未投入使用，因此托換設計時，十三層及十三層以上各層樓面附加恒載和樓面活荷載均可不予考慮（取0kN/m2），分隔墻體已經砌筑完成，所有墻體荷載仍然考慮，外腳手架荷載折算成墻體飾面層荷載考慮。

3.2 鋼管千斤頂支撐數量的計算

本次設計采用鋼管千斤頂支撐的型號為以下兩種：

①32噸千斤頂配套168×5mm鋼管,承載力設計值為250kN；

②50噸千斤頂配套219×10mm鋼管，承載力設計值為400kN。

根據《既有建筑混凝土結構改造設計規范》（送審稿）鋼管千斤頂支撐數量計算如計算式（1）所示：

式中：n為鋼管千斤頂支撐數量

N為墻底軸力設計值

R為鋼管千斤頂支撐承載力設計值

3.3 托換平臺計算

托換平臺設計計算包括平臺受彎承載力計算、新舊混凝土界面承載力計算、界面受剪鋼筋承載力計算，托換平臺計算簡圖如圖4所示。

圖4 托換平臺計算簡圖

根據《混凝土結構設計規范》6.2節進行托換平臺受彎承載力計算，根據《既有建筑混凝土結構改造設計規范》（送審稿）6.2節進行新舊混凝土界面承載力、界面受剪鋼筋承載力計算。

4 設計注意事項

①鋼管支撐承載力計算時，應考慮長細比的影響。鋼管千斤頂支撐布置時，上下鋼管支撐位置應對齊，且鋼管千斤頂支撐在托換平臺上布置應盡量分布均勻。為應付施工期間的突發情況，在鋼管千斤頂支撐旁邊，應準備足夠數量的千斤頂以進行應急替換。

②托換平臺宜設計為梁式平臺，梁式平臺整體性更好，使得上部荷載能夠均勻有效的分布到每個鋼管千斤頂上。

③原剪力墻混凝土拆除時，應注意對原剪力墻鋼筋的保護，置換混凝土澆筑前，應全面檢查原剪力墻鋼筋的直徑、平直、錨固等損傷情況，對不滿足要求的鋼筋進行調整，對損壞嚴重的鋼筋應進行替換。

④托換平臺受力鋼筋穿過原剪力墻時，會對原剪力墻承載力產生削弱，因此，托換平臺受力鋼筋分布間距不宜過小，間距可取150mm～200mm，如受力鋼筋配筋量大，可采用分層布置，上下層鋼筋豎向間距可取100mm～150mm。鉆孔植筋時也宜分批進行，盡量減少施工過程中對原結構承載力的削弱。

⑤托換平臺拆除時，應采用切割或其他震動小的拆除方法，以減少對其他結構構件的損傷。托換平臺拆除后，原剪力墻鑿毛面應采用鋼絲網聚合物砂漿進行修復。

5 結語

目前，因混凝土質量缺陷導致結構構件承載力不滿足要求的問題比較常見。在進行混凝土置換設計和施工過程中，豎向承重構件的混凝土置換難度大于水平構件的混凝土置換，當需置換構件上部樓層較多、荷載較大時，置換設計和施工難度更大也更為繁瑣。本文所述案例為典型的置換構件上部樓層較多、荷載較大的類型，文中從設計計算、施工順序、設計和施工注意事項等方面闡述了一種有效的剪力墻混凝土置換設計方法，可以為以后類似工程設計和施工提供參考。