剪力墻無外支撐分段式置換加固方案的優化

趙銳 ，朱華 ，周安

（1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

無外支撐剪力墻分段式置換加固法[1]-[2]是混凝土結構加固方法中較為常見的一種，該方法的特點在于不需要外加其他支撐體系，便可對有嚴重質量問題的墻體進行分段分批置換加固，并且與傳統剪力墻置換加固方法相比優點明顯，當采用無外支撐分段式置換加固法時，由于是利用其它剩余墻段作為支撐體系，所以不需要安裝大量的鋼支撐用來卸載，極大地降低了施工成本，縮短了施工工期。并且采用傳統剪力墻置換加固法時，一般會選擇將墻體一次性鑿除完，這往往造成鋼支撐作用位置的支撐力太大，可能會產生構件局部損壞現象，因此無外支撐剪力墻分段式置換加固在實際混凝土加固項目中運用越來越廣泛，但是由于應力滯后效應[3]-[4]的影響，使得各置換墻段之間的應力差值較大，從而影響剪力墻加固效果。

2 原置換加固施工方案

2.1 工程概況

本工程為某高層住宅樓，結構形式為剪力墻結構，建筑高度約為99m，共32層；該工程設計地上3層為商業裙樓，結構形式為框架結構，本工程總的建筑面積約為82730m2，地下建筑面積為66790m2，抗震設防烈度為6度，設計使用年限50年，但在施工過程中發現第9層有部分剪力墻的混凝土強度不滿足設計要求，經專家討論研究后，決定對該棟樓9層部分無外支撐剪力墻進行分批置換加固。

2.2 施工方案

第9層的剪力墻的施工置換順序是按照軸線自西向東進行置換，每片剪力墻置換長度大致分為400mm～500mm，并對每個批次墻體構件進行編號，按編號依次置換加固。對于同層的剪力墻要間隔施工，嚴禁相鄰墻體同時施工，如圖1、圖2所示，本文選取第9層17/B-C的剪力墻進行分析。

圖1 9層剪力墻加固布置示意圖

圖2 原剪力墻分段置換示意圖

2.3 原加固方案的剪力墻應力分析

本文通過有限元軟件中的“生死單元”技術[5]-[6]模擬出各置換墻段的鑿除和灌漿，有限元模型如圖 3a、b、c、d 所示。

根據有限元模擬結果可得：

①第一批次墻段置換完工后，未置換墻段A的應力相比于其他墻段的應力要大，其中應力最大值為13.36MPa，主要在未置換墻段A的頂端和底端位置，第二批次墻段的應力要大于其他置換墻段，并且新置換的墻段應力很小。

②第二批次墻段置換完工后，未置換墻段A的平均豎向應力降到了8.0MPa左右，但是第一批置換后的新墻段平均豎向應力增加到11.0MPa左右，其他各墻段的應力差距較小。

③第三批次置換墻段置換完工后，未置換墻段A的平均豎向應力維持在8.0MPa～8.9MPa之間，而此時的第一、二兩段置換后的新墻段的應力差距較小，并且都在10.0MPa～10.5MPa之間，未置換墻段B和第四批次置換墻段應力相比上一個工況，應力變化浮動不明顯。

④剪力墻置換完工后，各置換墻段的應力分布按照置換次序依次遞減。

3 同批次不同寬度的置換加固的優化方案

3.1 各置換墻段的寬度劃分

主要研究分析剪力墻在不增加置換墻段的情況下，通過ABAQUS模擬不同置換墻段的寬度，其置換后的剪力墻的應力分布，在采用有限元模擬之前，先用PKPM軟件計算第一批置換墻段最大寬度的限值，以防在墻體鑿除后出現應力超限情況。通過計算得出當鑿除的置換墻段的寬度為0.7m時，剩余墻體的軸壓比為0.58，接近于規范限值，因此將寬度為0.8m設為置換墻段的最大限值，并且考慮實際工程中的施工的方便性，需設置一個寬度最小值，為了方便現場施工操作，置換墻段的最小寬度不宜低于0.4m。

結合監測數據和有限元分析結果得出，各批次置換墻段的應力按照置換次序逐漸減小，并且當首批置換墻段鑿除時，其剩余墻體的應力會有超限情況，為了解決這類問題，劃分剪力墻置換墻段的寬度時，按照剪力墻置換的次序，從小到大依次置換，再根據置換墻段寬度的上下限定值，得出三組剪力墻寬度劃分方式，將其與原劃分方式進行對比，表1為每組剪力墻中各置換墻段的劃分寬度。

3.2 優化方案的剪力墻應力分析

根據有限元模擬分析得到以下結果。

①第一組置換完工的剪力墻中，未置換墻段A的應力相比于加固前的初始應力增加4.705%，未置換墻段B的應力相比于加固前的初始應力減少了7.877%；第二組置換完工的剪力墻中，未置換墻段A的應力增幅為21.2%，墻段B的應力減少了16.15%。

②第一、二兩組各置換墻段的應力分布規律與第三組各置換墻段的應力分布規律不同，第一、二兩組置換墻段的應力隨著置換次序依次遞增，而第三組各置換墻段的應力依次遞減。

③由表2所示，第一組置換完工的剪力墻中，各置換墻段中的應力差值最大為 3.512MPa，最小差值為 0.977 MPa；第二組各置換墻段的應力差值最大為0.78MPa，最小差值為0.214MPa。

圖3 剪力墻在不同工況下的應力云圖

三組剪力墻置換墻段的劃分寬度（m） 表1

圖4 三組置換完成后的剪力墻應力云圖

三組剪力墻置換完工后的各墻段應力對比 表2

4 結論

①根據對比分析，整個置換過程中，各組剪力墻的最大軸壓比分別為0.595、0.585、0.632，從施工安全性的方面考慮，選擇第二組較為合適。

圖5 三組剪力墻置換完工后的各墻段應力對比圖

②按照第二組 0.4m、0.5m、0.5m、0.6m這種寬度劃分方式，其各置換墻段的應力分布要比第一、三兩組各置換墻段的應力分布要更加均勻，整體的受力性能更好。