剪力墻結(jié)構(gòu)建筑的剪力墻混凝土置換設(shè)計(jì)
——以湖南某工程為例

朱雙全

（湖南大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙410085）

1 引言

城市化建設(shè)進(jìn)程中，高層住宅不斷涌現(xiàn)，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高層住宅數(shù)量也在持續(xù)增多。對(duì)于采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高層住宅來(lái)說(shuō)，工程施工質(zhì)量控制水平、地方商業(yè)混凝土生產(chǎn)水平均對(duì)剪力墻混凝土強(qiáng)度有較大的影響，易引發(fā)剪力墻混凝土強(qiáng)度不足問(wèn)題。基于此，探索剪力墻結(jié)構(gòu)建筑的剪力墻混凝土置換設(shè)計(jì)方法具有非常重要的意義。

2 工程概況

湖南某工程位于長(zhǎng)沙市天心區(qū)，與橘子洲相鄰，周邊交通便利。工程總建筑面積為305621.5 m2，為地上30層+地下1層剪力墻結(jié)構(gòu)。地基基礎(chǔ)為機(jī)械鉆孔嵌巖樁基礎(chǔ)，主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，外層鋪裝形式為外墻貼面磚，該工程主要施工內(nèi)容為施工測(cè)量、基礎(chǔ)土石方施工、土方回填、基礎(chǔ)墊層施工、鋼筋工程、模板工程、混凝土工程、后澆帶施工、預(yù)留洞施工、幕墻工程等。重難點(diǎn)部分為系統(tǒng)穿插管理以及混凝土工程，基礎(chǔ)墊層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15；地上14層以下墻柱、地下室承臺(tái)底板地梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35；地下室外墻與地下室剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55；1～5層剪力墻設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55；地上梁板混凝土強(qiáng)度為C30，在地上施工至7層時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)1～4層剪力墻混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度不足情況，需進(jìn)行混凝土置換設(shè)計(jì)。

3 設(shè)計(jì)思路

置換混凝土加固法主要是在一定深度范圍內(nèi)將原有構(gòu)件強(qiáng)度較低、存在缺陷的混凝土剔除，在原有構(gòu)件露出堅(jiān)實(shí)表面后，進(jìn)行結(jié)合面處理，并采用高三級(jí)或四級(jí)的混凝土進(jìn)行重新局部澆筑，促使原構(gòu)件承載力提高，達(dá)到目標(biāo)水平[1]。傳統(tǒng)的置換法需要完全卸除構(gòu)件荷載進(jìn)行混凝土的一次性置換，但考慮到剪力墻結(jié)構(gòu)卸載難度較大，且該工程豎向安全儲(chǔ)備處于較高水平，可選擇混凝土分期置換法，即分期次將缺陷混凝土逐次置換，并在每一期次混凝土置換前利用現(xiàn)有混凝土構(gòu)件配合少量支撐，順利向下層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移原構(gòu)件所承受豎向荷載，規(guī)避傳統(tǒng)托換時(shí)承載力過(guò)大、截面過(guò)長(zhǎng)、構(gòu)件工作量大、成本高、工序復(fù)雜等問(wèn)題。同時(shí)，由于置換混凝土加固法未對(duì)剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)截面尺寸造成影響，不需要對(duì)加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新驗(yàn)算。但是，因置換加固階段存在結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，需要以原有墻體分階段剔除、新舊混凝土結(jié)合截面處理為重點(diǎn)，落實(shí)置換過(guò)程結(jié)構(gòu)安全、新舊混凝土黏結(jié)成一個(gè)整體等目標(biāo)，降低結(jié)構(gòu)形狀異變或裂縫過(guò)多、穩(wěn)定度喪失問(wèn)題出現(xiàn)的概率[2]。

具體設(shè)計(jì)思路為：置換剪力墻支撐是對(duì)剪力墻周邊梁板支撐卸載，上部剪力墻荷載由自身鑿除后剩余部分剪力墻提供支撐作用。頂撐力施加時(shí)，需要根據(jù)支撐平面在置換剪力墻上進(jìn)行支撐位置的分段切割，同時(shí)，利用對(duì)拉螺栓以及黏鋼膠將支撐槽鋼上端、下端分別與上層、下層墻體連接。在這個(gè)基礎(chǔ)上，依據(jù)先支撐后拆除的順序重新建模計(jì)算，尋找薄弱環(huán)節(jié)重點(diǎn)置換。依據(jù)流水施工要求，可以將剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)部劃分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)3個(gè)區(qū)域，進(jìn)而將各區(qū)域劃分為①、②、③3個(gè)分段（見(jiàn)圖1）。首先，進(jìn)行Ⅰ區(qū)①段混凝土拆除，澆筑Ⅰ區(qū)①段混凝土的同時(shí)進(jìn)行Ⅱ區(qū)①段混凝土拆除，澆筑Ⅱ區(qū)①段混凝土的同一時(shí)刻進(jìn)行Ⅲ區(qū)①段混凝土拆除，循環(huán)開展至第一輪置換完成。在第二輪置換時(shí)，進(jìn)行Ⅰ區(qū)②段混凝土拆除，澆筑Ⅰ區(qū)②段混凝土的同時(shí)進(jìn)行Ⅱ區(qū)②段混凝土拆除，澆筑Ⅱ區(qū)②段混凝土的同一時(shí)刻進(jìn)行Ⅲ區(qū)②段混凝土拆除，進(jìn)行Ⅲ區(qū)②段混凝土澆筑的同時(shí)，開展I區(qū)③段混凝土拆除，逐次開展，至Ⅲ區(qū)③段混凝土澆筑完成，并保證每一輪拆除前上一輪澆筑混凝土強(qiáng)度在設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%以上。拆除時(shí)，可根據(jù)剪力墻混凝土強(qiáng)度下降的情況，以拆除后剪力墻沉降變形小于1.0 mm為標(biāo)準(zhǔn)，選擇風(fēng)鉆、風(fēng)鎬等輕型拆除工具或者靜態(tài)破碎技術(shù)將剪力墻混凝土拆除。

圖1 分段拆除置換順序

4 具體設(shè)計(jì)

4.1 局部支撐

考慮到混凝土剪力墻是一個(gè)典型的豎向連續(xù)受力構(gòu)件，因此，在地上1層、2層拆除時(shí)，需采取有效支撐，確保上部荷載順利向下部傳遞[3]。擬選擇25b熱軋普通槽鋼作為支撐件，在進(jìn)行Q235B級(jí)的2根槽鋼對(duì)稱放置后，利用焊接板將對(duì)稱的2根槽鋼焊接成格構(gòu)柱，并進(jìn)行虛軸長(zhǎng)細(xì)比換算，保證每根格構(gòu)柱支撐承受的軸心應(yīng)力能夠達(dá)到1 500 kN。同時(shí)，根據(jù)墻肢所承受的豎向力，并結(jié)合每根格構(gòu)柱支撐的承載力，確定每段墻肢格構(gòu)柱的支撐數(shù)量、槽鋼數(shù)量、布置方案。本次擬選擇8根格構(gòu)柱支撐，16根槽鋼，格構(gòu)柱支撐沿墻肢布置，最大凈距離為1.55 m，最小凈距離為0.6 8 m。以此為基礎(chǔ)，采用對(duì)穿螺栓完成槽鋼、剪力墻結(jié)構(gòu)的安全固定，對(duì)穿螺栓選擇5.6級(jí)普通雙面剪切螺栓，直徑為24.00 mm，數(shù)量為10個(gè)，上下端對(duì)稱布置，并利用結(jié)構(gòu)膠填充槽鋼、混凝土墻間隙，保證每個(gè)螺栓的抗剪承載力能夠達(dá)到180.0 kN，且每個(gè)螺栓孔位置混凝土抗壓承載力能夠達(dá)到140.0 kN。

4.2 墻體分段拆除

依據(jù)預(yù)先制定的分段置換順序，分3個(gè)批次拆除混凝土。同時(shí)，為保證施工期間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，需要在考慮每個(gè)批次拆除時(shí)本批次已澆筑混凝土強(qiáng)度的情況下，在用PKPM軟件建立的模型中，對(duì)各批次工況開展結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)證性計(jì)算[4]。拆除混凝土?xí)r，利用小型振動(dòng)錘配合人工釬子，輕敲、輕拆，盡可能地減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的振動(dòng)沖擊，保證原剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的完整性。同時(shí)，在拆除剪力墻兩端混凝土?xí)r，根據(jù)與之相連接的梁的臨時(shí)支撐情況，可以將新澆筑混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%及以上視為拆除節(jié)點(diǎn)。

4.3 界面處理

在混凝土面澆筑施工時(shí)，首先進(jìn)行鑿毛處理，處理后進(jìn)行混凝土表面潤(rùn)濕并將浮動(dòng)、疏松混凝土清除[5]，進(jìn)而均勻涂刷界面劑，保證結(jié)合面施工質(zhì)量達(dá)到原剪力墻結(jié)果混凝土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 混凝土澆筑

依據(jù)既定順序進(jìn)行新混凝土澆筑，與混凝土拆除形成流水施工模式。澆筑前，需要按照置換施工圖進(jìn)行模板支設(shè)。即利用螺栓將定制板材（與墻體置換實(shí)際尺寸相符）穿過(guò)墻體后經(jīng)燕尾卡扣固定，同時(shí)，調(diào)整墻體厚度尺寸，使墻體厚度尺寸達(dá)到200.00 mm，且確保墻體1/2高度范圍內(nèi)對(duì)拉螺栓間距小于0.50 m。調(diào)整后，開設(shè)“喇叭”形狀的進(jìn)料口（高于樓板150.0 mm，寬度約120.0 mm）。將灌漿材料灌注至進(jìn)料口，邊灌注邊利用橡膠錘輕輕敲打模板，保證頂部、梁、樓板灌注密實(shí)[6]。灌注后及時(shí)養(yǎng)護(hù)，保證每一批次混凝土抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到C55。

5 注意事項(xiàng)

5.1 科學(xué)選擇置換用混凝土材料

置換用混凝土強(qiáng)度一般需要高于原混凝土強(qiáng)度3級(jí)或4級(jí)，不應(yīng)過(guò)高[7]。為了科學(xué)確定置換用混凝土強(qiáng)度，技術(shù)人員可以根據(jù)GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于工程混凝土材料強(qiáng)度等級(jí)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，N為構(gòu)件加固后軸向壓力設(shè)計(jì)值；φ為受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，可以根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定取值；fc0、fc、fy分別為原構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、新澆筑混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、縱向鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；AC0、Ac、As分別為原構(gòu)件截面扣除置換部分的剩余截面面積、新澆筑混凝土截面面積、構(gòu)件內(nèi)全部受壓縱筋的橫截面面積；ac為新澆筑混凝土強(qiáng)度利用系數(shù)，一般在置換過(guò)程沒(méi)有頂支撐措施時(shí)，需取值0.8 ，而在置換過(guò)程中采取了富有效力的頂部支撐措施時(shí)，可以取值1.0 。

鑒于該工程加固的主要目的是在構(gòu)件尺寸不變的情況下滿足以往設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，此時(shí)，軸向壓力設(shè)計(jì)值沒(méi)有變化，原剪力墻混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C55，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為25.3 N/mm2，加固過(guò)程直接卸載難度較大，置換過(guò)程剪力墻周邊具有頂部支撐，因此，取0.8 。將上述數(shù)據(jù)代入式（1）后可以得出：新澆筑混凝土抗壓強(qiáng)度的80%大于原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為18.5 N/mm2，而C75混凝土強(qiáng)度的80%為25.44 N/mm2。因此，可以選擇置換加固用混凝土材料強(qiáng)度為C75。在混凝土材料強(qiáng)度確定后，根據(jù)新舊材料結(jié)合面有效連接問(wèn)題，結(jié)合工程施工作業(yè)空間小、混凝土振搗不易特點(diǎn)，可以選擇兼具自流性高（＞280mm）、微膨脹、早強(qiáng)高強(qiáng)（72 h內(nèi)抗壓強(qiáng)度＞35MPa）、與原混凝土墻體相容性好、強(qiáng)度高、無(wú)收縮水泥基灌漿材料作為置換加固用材料。

5.2 確定最佳拆除開洞尺寸

開洞是分段拆除的第一步，其對(duì)以往墻體結(jié)構(gòu)具有一定的干擾。為了確定最大墻體開洞尺寸，可以用ETABS軟件對(duì)剪力墻實(shí)際受力情況進(jìn)行模擬。模擬時(shí)，選擇截面最長(zhǎng)、受力最大的墻段，截面尺寸為7 000mm×150mm，分別開鑿400mm×3 000mm、600mm×3 000mm的洞口，利用有限元靜態(tài)分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，得出洞口尺寸為400mm×3 000mm時(shí)，最大拉應(yīng)力為1.42 N/mm2，最大壓應(yīng)力為8.01 N/mm2，洞口上邊緣最大變形量為0.15 mm；洞口尺寸為600mm×3 000mm時(shí)，最大拉應(yīng)力為1.62 N/mm2，最大壓應(yīng)力為11.08 N/mm2，洞口上邊緣最大變形量為0.25 mm。由上述數(shù)據(jù)可知，洞口上方混凝土水平方向承受的拉力與洞口尺寸呈正相關(guān)，洞口尺寸超過(guò)400mm×3 000mm時(shí)，部分混凝土拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)定水平，引發(fā)墻體底部豎向開裂問(wèn)題，進(jìn)而出現(xiàn)洞口上方墻體形狀異變，加劇下部鋼筋變形風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)將洞口尺寸控制在400mm×3 000mm以內(nèi)。同時(shí)，考慮到開洞間距對(duì)結(jié)構(gòu)的干擾，選取不同間距對(duì)剪力墻豎向應(yīng)力進(jìn)行分析，得出1 600mm開洞間距的墻體最大豎向應(yīng)力為7.5 N/mm2，應(yīng)控制開洞間距在1 600mm以內(nèi)，以規(guī)避因結(jié)構(gòu)開洞間距過(guò)大而引發(fā)的裂縫、變形風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，置換混凝土加固法可以在保證原有構(gòu)件尺寸一定的情況下直接提高構(gòu)件承載力，但也存在易損傷原構(gòu)件鋼筋混凝土、加固周期長(zhǎng)等風(fēng)險(xiǎn)。因此，施工前技術(shù)人員應(yīng)以新舊混凝土結(jié)合處理為重點(diǎn)，全面分析施工階段原結(jié)構(gòu)承載力狀態(tài)。進(jìn)而對(duì)剪力墻周邊梁板荷載進(jìn)行有效支撐，然后進(jìn)行卸載，以保證建筑物孔洞、蜂窩、強(qiáng)度低、疏松等問(wèn)題可以得到有效處理，提高建筑物質(zhì)量。