高層混凝土剪力墻置換加固與施工監測

雷 拓， 劉 宜， 董軍鋒

(1.長安大學建筑工程學院， 西安 710061； 2.陜西省建筑科學研究院， 西安 710082)

傳統混凝土結構施工條件下，由于各種原因導致混凝土強度偏低或缺陷的情況時有發生；加之服役期較長的混凝土結構由于環境作用下的混凝土劣化等因素。近年來，混凝土結構加固改造在中國得到迅速發展。新的加固理論和方法研究已成為學術界和工程界關注的熱點之一。

置換混凝土加固[1-3]因具有恢復結構原貌，不影響使用空間等優點，被廣泛應用于工程中。胡克旭等[4]對一棟已封頂17層剪力墻結構住宅樓第7層剪力墻利用高強自密實混凝土進行分段置換加固，通過控制軸壓比的方式設計了無支撐分段置換方案；李春濤等[5]對一棟31層住宅樓第18層所有剪力墻利用高強灌漿料進行分段置換加固，通過控制軸壓比設計了無支撐分段置換方案，同時對分段置換過程中各墻段的應力情況利用ABAQUS軟件進行有限元模擬，模擬結果表明置換過程最大應力均不大于6.5 MPa；鄭文杰等[6]對一棟32層住宅樓第3層共3片剪力墻采用C50混凝土灌漿料采用分段置換方案進行置換加固，同時為了監測施工期間周邊混凝土構件的變形，在第2層和第4層需要置換墻體的相鄰剪力墻上設置了部分沉降變形監測點，監測結果顯示在進行置換施工過程中，沉降變化的最大值出現在中間置換墻體周圍的剪力墻，最大變形也僅為0.4 mm，并認為沉降變形可以忽略不計。雖然目前對于混凝土置換加固方面工程應用較多，但從已有研究[4-7]來看，為確保施工期安全以及置換后結構滿足加固要求，置換段的劃分、新型置換材料的選取、新置換材料的應力滯后現象、是否需要支撐、監控方案等一系列問題還需要深入研究。

為此，以某實際工程為背景，按照《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367—2013)[8]設計了分段置換混凝土的加固方案。根據施工順序及分段，采用PKPM軟件建立整體結構分析模型，得到置換剪力墻拆除過程中結構相關構件承載力、裂縫發展情況，并為制定合理的支撐方案提供依據。另外，在進行置換施工時，通過布置傳感器對結構在置換施工過程及施工完成后的位移和應變變化進行監測，確保結構施工安全并達到置換加固目的。

1 工程概況

某住宅樓工程為混凝土框架剪力墻結構，共34層，設計使用年限50年，抗震等級為二級(軸壓比限值0.6)，建筑高度103.3 m，標準層高2.9 m，兩層地下室(負一層高3.4 m，負二層高3.7 m)。該工程18、19層剪力墻混凝土設計強度等級為C30，鋼筋采用HPB300級，墻厚200 mm，板厚100 mm。在竣工驗收階段，發現其第18、19層部分混凝土剪力墻實測混凝土強度僅為C15，不滿足設計要求，需要對其進行加固。經加固方案綜合比較分析，確定采用強度等級為C35的微膨脹水泥基灌漿料進行置換混凝土加固。微膨脹水泥基灌漿料[9-10]加水拌合后具有流動性好、微膨脹、早期和后期強度高、不泌水等優點，得到了越來越多的工程應用。圖1為該工程結構平面布置及18、19層需要加固的剪力墻。

2 混凝土剪力墻置換方案

2.1 結構初始應力狀態

為充分了解置換前剪力墻結構應力狀態及拆除時可能的風險。首先通過PKPM進行建模分析計算得到需要進行置換加固墻體的內力，為分段拆除方案及支撐卸荷設計提供計算依據。

鑒于該工程處于竣工驗收階段，在進行施工計算時僅需考慮結構恒載和施工期的施工荷載，結構的恒載按設計圖紙中構件的自重經程序自動計算考慮，施工荷載僅需考慮加固層進行施工時產生的荷載，按規范取2.0 kN·m2。

2.2 分段置換方案

結合工程實際以及規范要求設計了如圖2所示的分段置換施工方案。該方案將六道剪力墻跳開分段進行拆除并架設支撐，每次拆除的墻段間距為400～700 mm，每拆除完一段立即支模澆筑灌漿料，置換共分36段，澆筑按順序分為23批次。為驗證該拆除方案的可行性，進一步采用PKPM軟件按上述施工分段方案進行無支撐拆除施工過程模擬，分析剪力墻承載力(軸壓比)和裂縫變化情況。

圖3 18、19層梁最大裂縫寬度Fig.3 The maximum crack width of beams on 18、19 floors

拆除過程中連梁的裂縫最大值如圖3所示，每次拆除剪力墻段時各剪力墻的軸壓比變化如圖4所示。由圖3、圖4可知，采用無支撐分段拆除方案進行拆除施工，當第14次拆除時(五號墻體的第4次拆除)及第16次拆除時(二號墻體的第7次拆除)，與該墻體相連的部分梁的裂縫超過0.3 mm的規范限值，而且在拆除過程中也發現，與待拆除墻段相連的梁底裂縫與不在拆除墻段一跨范圍內的梁裂縫相比增大明顯。同時，各段墻體在進行拆除施工過程中，軸壓比均有所增大(五號墻體增大最多，為84%，即使是軸壓比增大最小的六號墻體也有約37%的增長幅度)。軸壓比的增大表示拆除墻段后，上部荷載由于內力重分布繼而由沒有拆除的剩余墻體承擔，剩余墻段荷載增大較多可能會造成結構構件提前失效，因此為保證施工期間結構安全必須在拆除施工前設置必要的支撐保護結構在施工期的安全。

圖4 拆除過程各剪力墻軸壓比變化Fig.4 Axial compression ratio change of wall segments in removal process

2.3 置換加固施工工藝

施工準備→支撐搭設→卸載→剔除未達標混凝土→原有鋼筋調直或加筋→支模→澆筑混凝土→養護→施工質量檢查→拆除卸載結構→驗收。

2.4 剪力墻卸荷及支撐

通過PKPM計算結果表明結構在置換加固期間主要是與加固剪力墻相連的梁裂縫增長明顯，因此本次置換施工卸荷方案主要是利用液壓千斤頂同步頂升系統對連梁進行卸荷支撐，利用臨時支撐來代替梁受力，同時為了保證樓板安全布置了腳手架對樓板進行部分支撐。

支撐架設卸荷方案如下：在置換剪力墻混凝土時，應將相對應的本層，上一層及下一層樓蓋進行鋼管腳手架頂撐(靠置換剪力墻一側一跨范圍)，頂撐需上下層混凝土構件緊密接觸，鋼管腳手架采用間距800 mm對剪力墻四周一跨范圍內進行搭設，搭設應符合腳手架支撐搭設規范要求。

連梁處的支撐方案為采用液壓千斤頂同步頂升系統對梁體進行頂升支撐，以確保在剪力墻拆除置換過程中框架梁梁端支座處不發生位移。待液壓同步千斤頂達到有效支撐效果后，千斤頂兩側(枕木與型鋼之間位置)用斜鐵鍥緊，斜鐵用電焊固定，然后液壓同步千斤頂回壓撤離或關閉液壓同步千斤頂回壓閥。液壓千斤頂壓力采用1～17.5 MPa，根據現場監測等情況靈活加減壓力。頂撐施工時施工單位要時刻注意觀察梁體混凝土與液壓千斤頂支撐接觸面，預防液壓千斤頂支撐壓力過大破壞原梁體混凝土。型鋼與框架梁連接支撐如圖5所示。

圖5 連接支撐示意圖Fig.5 Schematic diagram of the connection support

3 置換加固技術要點

置換施工時，應滿足以下要求：①采用微膨脹灌漿料置換原混凝土，強度等級為C50，施工中所用的鋼材為Q235B，鋼筋采用HRB335,焊條使用E55XX型；②鑿除不合格混凝土時，應在明顯分界線處多鑿30 mm，確保將不合格混凝土鑿除清理徹底；③在打入型鋼前，應將型鋼支承面處混凝土充分鑿平，并采用乳膠水泥或二次灌漿料找平；④新舊灌漿料交界面處理時，應對舊混凝土或灌漿料表面鑿毛，并清理干凈浮渣，并在新灌漿之前再用清水潤濕；⑤剪力墻新舊界面上不宜留通長冷縫，應做分段處理；⑥鑿除不合格混凝土過程中可能對原鋼筋有所擾動，故在灌漿之前，應進行調直、回位以及除銹處理；⑦對于損傷較嚴重的鋼筋應采用綁扎搭接進行替換，搭接長度大于50 d；⑧灌漿料應振搗密實，并加強養護，養護期間應按照規范要求。

4 施工現場監測方案及要點

4.1 監測方案

為保證施工期間結構的安全，根據《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367—2013)要求[8]對結構在施工期間的變形和位移需要進行實時監控，具體為針對置換的六道混凝土墻體,對其相鄰頂梁頂板裂縫，相鄰頂梁頂板的位移(變形)，相鄰剪力墻位移和應變變化進行置換前后的監測。

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監測所用傳感器及18層一號墻體相應布設位置如圖6所示。限于篇幅，圖6(a)僅給出了一號墻體具體傳感器布置，施工現場共布置靜力水準儀沉降觀測點13個，電子水準儀沉降觀測點20個，在靜力水準儀旁布置了23個表面式應變傳感器，如圖6(b)所示。布置了墻體表面式應變傳感器36個，如圖6(c)所示。布置梁板表面式應變傳感器69個，如圖6(d)所示。

圖6 傳感器布置Fig.6 Sensor layout

對圖6(a)中一號剪切墻的傳感器布置進行具體說明。在施工準備階段，通過PKPM建模計算可知，一號剪切墻初始受力以及加固過程結構變形最大，應為重點監測位置。由于拆除剪力墻墻肢時，結構應力以及裂縫變化明顯，所以在該剪力墻是對應的上一層剪力墻中間位置設置墻體傳感器來監測置換過程中的應力變化，共設置4個墻體表面式應變傳感器。靜力水準儀布置原則與墻體表面式應變傳感器布置原則相同，主要對墻肢進行監控，在上一層剪力墻對應墻肢處布置了兩個靜力水準儀，高度為距離樓板1.5 m處。沉降觀測點設置在上一層剪力墻跨中以及兩端墻肢位置處各一個，共設置3個，距離樓板1.5 m處。梁傳感器布置在所有與該剪力墻相連的梁上，位于梁跨中位置，每一梁上布置一個，共設置3個。板傳感器設置在該剪力墻一跨范圍的板上，位于板跨三等分點位置，共2個。

4.2 監測技術要點

施工監測時要注意以下要求：

(1)結構初始裂縫檢測。在進行水準儀和應變傳感器安裝之前需要弄清結構初始裂縫發展狀態，置換施工前，通過水沖六道混凝土墻體相鄰頂梁頂板的方法，經過滲水試驗，完全顯現現澆樓板裂縫情況，并仔細查看相鄰頂梁頂板的初始裂縫，記錄并劃線標記。

(2)相鄰頂梁頂板裂縫監測。置換施工期間，每天觀察裂縫的變化情況，對比初始結構的裂縫狀態，確保施工期間裂縫不會發生擴張，對裂縫的監測直到置換施工完成并拆除支撐架后。

(4)相鄰上一層墻體的豎向位移監測。在每道置換墻體上一層剪力墻上設置1～2個靜力水準儀，用于監測相鄰上一層墻因置換施工可能產生的相對豎向位移。

(5)相鄰頂梁頂板變形監測。在置換墻體相鄰頂梁頂板上設置變形監測點，采用表面式應變計，分別設置在梁和板的底面，監測置換過程中梁板的變形情況。

(6)灌漿料新舊結合面密實度檢測。對新舊灌漿料結合面采用對比檢測方法，確保加固完成后新舊灌漿料協同受力性能。

5 監測結果

5.1 灌漿料密實度及強度檢測

新舊灌漿料結合面密實度采用超聲波進行檢測，方法采用斜測法，確保超聲波斜向穿過新舊灌漿料結合面，每道墻上的測點間距取350 mm。將原有正常使用狀態下，梁板以及墻體混凝土超聲波檢測結果作為對照進行超聲波對比分析。超聲波檢測結果顯示，正常使用狀態下混凝土聲速為 2.905～3.646 km/s，平均值3.291 km/s，判斷值 2.905 km/s，最小值大于判斷值，無異常點，而新舊灌漿料結合面聲速在3.030～4.895 km/s，平均值3.793 km/s，判斷值2.900 km/s，最小值大于判斷值，無異常點。對比可知，置換墻體新舊結合面聲速均值及判斷值大于原結構正常狀態下混凝土聲速均值及判斷值，依據聲速判斷新舊結合面結合良好。施工過程中制作的試塊在標準養護條件下進行養護，測得的試塊強度均滿足設計要求。

5.2 18層一號墻體監測結果

通過每天對裂縫觀察，在整個施工過程中均未發現加固剪力墻相鄰頂梁頂板及相鄰上一層墻體有新的裂縫變化。18層一號剪切墻各傳感器及靜力水準儀在施工期測得的數據變化如圖7～圖9所示。

Q表示墻體傳感器圖7 墻體應變變化Fig.7 Changes of wall strain

L表示梁傳感器；B表示板傳感器圖8 梁及板應變變化Fig.8 Changes of beam and plate strain

SGJ表示靜力水準儀圖9 沉降量變化Fig.9 Changes of wall settlement

由圖7可知，墻體置換過程應變均有所增長，置換加固過程最大壓應變出現在Q3傳感器上為241.6 με,而且各墻體傳感器壓應變值均遠小于規范限值(3 000 με)，滿足規范要求，說明加固過程上層剪力墻結構安全。混凝土的極限拉應變為100 με，根據圖8梁板傳感器測量數據可知，梁板的應變檢測曲線變化規律較為一致，說明了本次監測方案的準確性，同時僅樓板上B1-19傳感器測得樓板拉應變超過100 με，最大拉應變為162.9 με，其余梁板傳感器拉應變均小于100 με，通過現場觀察，超限處均未發現新增裂縫出現，且梁板結構壓應變均遠小于規范限值3 000 με，最大壓應變出現在L1-37傳感器上僅為42.1 με，滿足規范要求。從圖9靜力水準儀數據可知，測點處的相對沉降累計普遍小于1 mm，僅一處達到1.69 mm，整體沉降很小，說明施工各階段沉降量較小總體沉降滿足規范要求。

6 結論

通過對該實際工程的剪力墻置換處理與監測結果顯示施工和監測方案達到了預期加固效果。得出以下結論。

(1)進行置換加固施工前，采用計算分析軟件進行整體分析及施工過程模擬，對于明確置換墻體應力狀態、指導施工順序和分段、保證安全是完全必要且有效的。

(2)采用微膨脹灌漿料進行混凝土置換加固可以解決由于混凝土質量問題導致的工程缺陷，在不改變結構原貌的情況下，強度增長快，可達到較好的置換效果。

(3)由于混凝土置換難度大，施工要求高，通過施工過程監測，發現分段施工過程中結構整體安全性高,不會對結構造成不利影響。

(4)無支撐置換加固的適用條件和優化施工方案的確定以及由于墻段澆筑時間的差異導致的應力滯后現象等一系列問題將是下一步研究的重點。