既有建筑剪力墻擴門洞鑒定及加固設計分析

張長雷 （安徽省建設工程測試研究院有限責任公司，安徽 合肥 230051）

1 引言

在新建高層建筑中，因建筑功能要求需要在剪力墻開設洞口時，建筑和結構專業會在開洞前密切配合，結構工程師通常采取增設暗柱（邊緣構件）、暗梁或增加加強鋼筋補強剪力墻的抗剪承載力[1]。但在既有建筑使用過程中，時有剪力墻局部開洞的要求，此時，剪力墻既是結構的主要豎向和抗側力構件，也是結構抗震的第一道防線，其邊緣構件、連梁在改善結構延性、提高剪力墻的抗震能力等方面具有重要作用。在對剪力墻局部區域改造開洞，將很大程度降低原剪力墻的安全性及抗震性，對此，趙更歧等[2]對既有剪力墻開洞粘鋼加固方法進行研究，得出粘鋼加固可以應用到開洞剪力墻加固。戎芹等[3]對某高層剪力墻封洞加固設計進行分析，提出了剪力墻洞口內置帶肋鋼套筒，焊接剪力墻洞口截斷鋼筋及洞口封堵的方案，使封堵后剪力墻結構安全性不低于原設計標準。宋春雷等[4]對某高層住宅墻體開洞的安全性及加固設計進行了研究，給出了幫條焊接截斷鋼筋、澆筑微膨脹混凝土的加固方案。目前，在實際工程中對剪力墻開洞、墻體加固的研究越來越多，關于既有建筑剪力墻擴門洞后的鑒定及加固設計分析較少，所以，對其鑒定過程、加固設計進行研究很有必要。

本文以某高層框架-剪力墻辦公樓的部分樓層剪力墻擴門開洞為例，采用PKPM 軟件建立剪力墻擴門洞加固前后的模型，分析加固前后的安全性和抗震性能，給出優化的加固方案。

2 工程概況

本工程為某單位辦公樓，地下1 層，地上18 層，建筑面積約為12354m2，竣工時間約為1997 年。結構形式為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，基礎采用鉆孔灌注樁。本工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組為第二組，框架、剪力墻抗震等級為二級，抗震設防類別為乙類。

2022年9月，業主對該建筑5～9層、13 層、15 層實施剪力墻擴大門洞改造，改造數量為21 處，開洞位置結構平面布置圖如圖1 所示，擴洞前后門洞具體參數如表1所示。

表1 擴洞前后門洞具體參數（單位：mm）

圖1 開洞位置結構平面布置圖

3 擴門洞后的結構調查與檢測

現場調查發現，第5～9 層、13 層、15層剪力墻（軸線位置為3-4/B、3/A-B、2/C-D）洞口在擴大后均對原結構暗柱（構造邊緣構件）、連梁造成損傷，部分暗柱、連梁被靜力拆除，邊框梁保持原狀，未見損傷。墻體擴門洞如圖2所示。

圖2 墻體擴門洞

因該建筑檔案資料完整、齊全，依據《民用建筑可靠性鑒定標準》（GB 50292-2015），對構件的材料性能、構件尺寸進行驗證性檢測和抽樣復核。根據《混凝土結構現場檢測技術標準》（GB/T 50784-2013），《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》（JGJ/T 23-2011）現場隨機抽取部分框架梁、框架柱、剪力墻構件采用回彈法檢測混凝土強度，按《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367-2013）進行混凝土強度齡期修正（修正系數為0.92），修正后的混凝土構件強度滿足設計要求，具體結果如表2 所示。同時，對現澆板、框架柱及剪力墻鋼筋配置、截面尺寸進行檢測，檢測結果表明所抽檢的現澆板、框架柱及剪力墻鋼筋配置、截面尺寸基本滿足設計要求。

表2 混凝土構件齡期修正后抗壓強度值（單位：MPa）

4 結構安全性和抗震鑒定

根據現場調查、檢測結果及設計圖紙，采用PKPM 軟件建立加固前（擴洞后）三維實體模型，混凝土強度、構件截面尺寸按原設計取用。設計活荷載按照原設計圖紙，且不低于《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）取值，辦公室、會議室取2.0kN/m2，樓梯間取3.5kN/m2，衛生間取2.5kN/m2，資料室、庫房取5.0kN/m2，電梯機房樓面取7.0kN/m2，走道取2.5kN/m2，機房取3.5kN/m2，調度中心取2.5kN/m2，不上人屋面取0.7kN/m2，上人屋面取2.0kN/m2。框架、剪力墻抗震等級二級，結構三維驗算模型如圖3所示。

圖3 加固前（擴洞后）結構三維驗算模型

驗算結果表明，該建筑周期比、剛度比、受剪承載力之比、位移比、位移角、剛重比、剪重比滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）的要求，在承載能力極限狀態下，剪力墻、框架梁、邊框梁及柱承載力滿足規范要求，現澆板承載力滿足規范要求，該建筑的框架柱、剪力墻的軸壓比在規范限值范圍內，但該建筑第5～9 層、13 層、15 層剪力墻（軸線位置為3-4/B、3/A-B、2/C-D）洞口處構造邊緣構件的配筋、連梁受剪承載力不滿足規范要求。

根據《既有建筑鑒定與加固通用規范》（GB 55021-2021）、《民用建筑可靠性鑒定標準》（GB 50292-2015）及《建筑抗震設計規范》（GB J11-1989），結構安全性及抗震鑒定分析結果如下。

4.1 安全性鑒定

安全性鑒定評級應按構件、子單元和鑒定單元各分三個層次，每一層次分為四個安全性等級。混凝土結構構件的安全性鑒定，應按承載能力、構造、不適于繼續承載的位移或變形、裂縫或其他損傷等四個檢查項目，分別評定每一受檢構件的等級，并取其中最低一級作為該構件安全性等級[5]。因此，該建筑第5-9 層、13 層、15 層剪力墻（軸線位置為3-4/B、3/A-B、2/C-D）、連梁的構件安全性等級為du級，其余構件安全性等級均為bu級。經現場調查，該建筑四周地面表面良好，地基承載狀態良好，未發現建筑物因地基不均勻沉降而導致的下陷、傾斜等現象，故評定該建筑場地地基基礎安全性等級為Bu級。上部承重結構子單元的安全性鑒定評級，應根據其結構承載功能等級、結構整體性等級以及結構側向位移等級的評定結果進行確定，綜合評定上部承重結構子單元的安全性等級為Cu級。

既有建筑第三層次鑒定系統的安全性鑒定評級，應根據地基基礎和主體結構的安全性等級，以及與整幢建筑有關的其他安全問題進行評定。鑒定系統的安全性等級，應根據地基基礎和主體結構的評定結果按其中較低等級確定[6]，綜合評定該建筑結構安全性等級為Csu級，顯著影響整體承載。

4.2 抗震鑒定

該建筑按鑒定類別A 類（鑒定標準不低于原建造時的抗震設計要求）進行抗震鑒定，該建筑場地、地基和基礎均滿足抗震鑒定要求。上部結構中擴洞處連梁及剪力墻的抗震構造措施、連梁抗震承載力不滿足抗震鑒定要求，其余構件滿足抗震鑒定要求，應進行抗震加固。

5 加固方案比選

既有建筑剪力墻開洞常用的加固方法有增設暗柱暗梁法和后注漿加固技術，兩種方法各有優缺點，應結合實際情況擇優選用。

①增設暗柱暗梁法是在剪力墻開洞、拆除邊緣構件后，通過計算和構造措施，確定增設暗柱暗梁部位。施工剔除原混凝土后，采用植筋方法在洞口兩側增設暗柱、洞口上側增設暗梁，以此來提高剪力墻的抗剪承載力。

②后注漿加固技術，使用錨栓將外包鋼板套與既有剪力墻固定，設置出氣孔與注漿嘴，采用低壓注膠的方法，使外包鋼板套與既有剪力墻共同工作。

采用增設暗柱暗梁法加固，先拆除部分混凝土，植入鋼筋后再澆筑混凝土，該方法作業量大，工期長，二次拆除混凝土對原結構的安全影響較大[7]。后注漿加固技術，加固時二次拆除混凝土量小，只需要將混凝土結合面處理好即可外包鋼板套，作業量小，施工方便。

本工程業主要求工期緊、加固施工最大限度降低對原結構影響，通過上述兩種方案的比較，認為后注漿加固技術加固對既有建筑剪力墻擴門洞更合適，具體施工措施如下。

①對于剪力墻或連梁粘合面，先將表面松散浮渣刷去，再用洗滌劑或有壓冷水沖洗混凝土表面，待完全干后即可涂粘結劑。鋼板粘接面須進行除銹和粗糙處理，如鋼板未生銹或輕微銹蝕，可用噴砂、砂布或平砂輪打磨，直至出現金屬光澤。打磨粗糙度越大越好，打磨紋路應與鋼板受力方向垂直。

②根據圖紙要求，將角鋼、鋼板拼裝焊接，并加化學錨栓固定。用封縫膠或乳膠水泥沿鋼構件邊緣封閉縫隙，并在最底端和一定間距留注膠口，在最頂端留排氣孔，封縫嚴密，保證注膠排氣通暢且注膠時結構膠不會外溢，影響粘接效果。

③按配比準確配制灌注膠，隨配隨用。配制使用要求同粘鋼膠配制要求。經驗收合格后，方可進行注膠。結構粘接劑配制好后用壓力注膠器灌膠，待膠滿外溢時，停止注膠，保留加壓使鋼構件與混凝土接觸面縫隙灌膠密實。

④結構膠粘接劑在常溫下固化，固化時間為24h，期間不可擾動。鋼板外掛網抹1:2水泥砂漿20mm做防護。

6 剪力墻擴門洞加固設計

依據結構安全性和抗震鑒定結果，雖然結構的整體指標（周期比、剛度比、受剪承載力之比、位移比、位移角、剛重比、剪重比）沒有超限。但剪力墻擴洞，拆除部分暗柱和連梁，導致洞口邊緣構件、連梁配筋不滿足規范要求，削弱結構的塑性變形能力。基于此，在5～9層、13層、15 層3-4/B 剪力墻洞口兩端包鋼，增設長度為250mm 的構造邊緣構件，如圖4 所示。在5～9 層、13 層、15 層2/C-D、3/A-B 剪力墻一端洞口包鋼，增設長度為1000mm 的構造邊緣構件，如圖5 所示。對洞口上方的連梁采取包鋼加固，連梁及構造邊緣構件加固做法，如圖6所示。

圖4 3-4/B剪力墻加固做法圖

圖5 2/C-D、3/A-B剪力墻加固做法圖

圖6 連梁及構造邊緣構件加固做法圖

采用PKPM 軟件建立加固后的三維實體模型，計算結果表明，剪力墻、框架梁、邊框梁、連梁及柱承載力滿足規范要求，該建筑的框架柱、剪力墻的軸壓比在規范限值范圍內。加固后擴洞處墻肢的軸壓比較擴洞前變化不大，連梁的抗剪承載力得到提高。

7 結語

框架-剪力墻結構同時兼有框架結構和剪力墻結構的優點，在高層辦公樓中應用相當普遍。剪力墻擴洞處的連梁為一端與框架柱相連，一端與剪力墻相連（梁與剪力墻在剪力墻平面內連接）的梁，連梁的剛度較大，在承受豎向荷載、抗震耗能方面起到有利作用。本工程雖然經過計算結構的整體性指標、墻肢抗剪承載力滿足規范要求，但剪力墻擴洞后，洞口邊緣構件與連梁的剛度及延性降低、配筋不足，洞口成為薄弱部位。考慮到建筑在剩余設計工作年限下的可靠度水平，對其進行后注漿包鋼加固。本工程加固施工完后，順利通過了施工質量驗收，加固后結構的整體安全性和抗震性不低于原設計要求，能夠滿足剩余設計工作年限內的功能要求。