混凝土結(jié)構(gòu)剪力墻置換加固技術(shù)與施工監(jiān)控研究

廖曉坤 （安徽省建設(shè)監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

置換混凝土加固技術(shù)采用挖補(bǔ)替換的方法，用優(yōu)質(zhì)混凝土置換掉缺陷混凝土，達(dá)到恢復(fù)或者增強(qiáng)構(gòu)件承載力的目的[1]。采用這種加固方法具有其他加固方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)加固后能大部分或全部恢復(fù)原貌，不改變使用空間[2]。近些年，由于檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)工程安全檢查的重視，大量在建或已投入使用的高層建筑被檢測(cè)出工程質(zhì)量問(wèn)題，混凝土構(gòu)件包括剪力墻構(gòu)件置換加固在工程中的應(yīng)用日漸增多[3]。

2016年王健、姜超等人[4]采用分期置換加固法完成了某在建商住樓的底層剪力墻混凝土置換設(shè)計(jì)與施工工作。2014年于興華、呂林等人[5]對(duì)某在建框架-筒體結(jié)構(gòu)體系的1～3層部分強(qiáng)度不足的剪力墻進(jìn)行了混凝土置換加固設(shè)計(jì)。胡克旭、趙志鵬等人[6]以某新建十七層短肢剪力墻高層住宅為背景，通過(guò)建模計(jì)算不同施工階段工況下的承載力，嚴(yán)格控制剪力墻的軸壓比，嚴(yán)格制定分段置換量，合理布置拆除順序，對(duì)該樓七層部分強(qiáng)度不夠的剪力墻進(jìn)行了免支撐混凝土置換加固。2010年，羅守權(quán)[7]在對(duì)某框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅進(jìn)行剪力墻混凝土置換加固處理時(shí)，同時(shí)采用了剪力墻支頂和輔助支頂兩種支頂方案。剪力墻支頂采用型鋼支頂方案，輔助支頂采用在所需加固樓層及上下各三層架滿堂腳手架方案，兩種方案相輔相成。

文章以某在建高層住宅剪力墻置換加固的實(shí)際工程，置換混凝土加固技術(shù)應(yīng)用其中，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案，進(jìn)行有限元模擬與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。驗(yàn)算分析得出結(jié)果，為工程后續(xù)的施工提供依據(jù)及分析基礎(chǔ)。

1 工程背景

1.1 工程概況

某在建高層住宅位于安徽省合肥市包河區(qū)，建筑結(jié)構(gòu)主體均為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式為34層一般剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑東西方向長(zhǎng)39.8m。南北方向長(zhǎng)15.05m，建筑設(shè)計(jì)總高度（室外地面至大屋面）為98.950m。該建筑的主要豎向承重構(gòu)件為鋼筋混凝土剪力墻，并且其混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值隨層高減少。其中負(fù)一層至五層的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C45，六層至十一層的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，十二層至十六層的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)發(fā)現(xiàn)部分剪力墻的強(qiáng)度不滿足要求后委托相關(guān)檢測(cè)部門(mén)進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)這些剪力墻進(jìn)一步采取鉆芯取樣的方法進(jìn)行檢測(cè)推定，最終得出結(jié)果，共6片剪力墻的強(qiáng)度較低，未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。具體軸線位置為一層6/H-K與9/H-K、二層20/C-E、三層3/(1/G)-H、四層3/(1/G)-H、七層21/(1/G)-H。為避免重復(fù)，將對(duì)一層9/H-K與二層20/C-E進(jìn)行主要分析介紹，其它層情況相似，相應(yīng)位置如圖1所示。

圖1 剪力墻所在軸線位置示意圖

2 剪力墻置換整體分析

2.1 選取計(jì)算模型

本文采用有限元軟件MIDAS/GEN對(duì)住宅結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體模擬分析，整樓模型如圖2所示。混凝土板構(gòu)件定義為板單元；混凝土梁、柱構(gòu)件定義為梁?jiǎn)卧换炷翂?gòu)件定義為板單元。各個(gè)單元之間的約束均為剛接，即約束支座X、Y、Z方向的平動(dòng)位移及空間轉(zhuǎn)角。為了分析剪力墻的受力狀況，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬計(jì)算并分析計(jì)算結(jié)果。

圖2 整樓模型示意圖

采用PKPM進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫及撓度的變化進(jìn)行分析。

2.2 剪力墻墻底內(nèi)力對(duì)比分析

為了對(duì)后期支撐卸載提供計(jì)算依據(jù)，需模擬計(jì)算剪力墻底部的實(shí)際內(nèi)力大小。因該狀態(tài)為短期停工及施工狀態(tài)，并非長(zhǎng)期的使用狀態(tài)，因此應(yīng)不考慮分項(xiàng)系數(shù)以及水平荷載的作用，同時(shí)因?yàn)樵摻ㄖY(jié)構(gòu)并未投入使用且已經(jīng)進(jìn)入停工狀態(tài)，活荷載取值為0。取1.0恒載+1.0活載工況進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)MIDAS/GEN與PKPM共同模擬分析，得出此工況下一層9/H-K一片剪力墻墻底內(nèi)力大小并相互校核準(zhǔn)確性，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)條件及依據(jù)。具體計(jì)算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 PKPM一層9/H-K剪力墻墻底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

一層9/H-K剪力墻墻底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果為：

PKPM計(jì)算結(jié)果：軸力為 393.5kN，1888kN，176.5kN，總計(jì)：2458kN；

MIDAS計(jì)算結(jié)果：軸力為353 kN，1814kN，161 kN，總計(jì)：2328kN；

圖4 MIDAS/GEN一層9/H-K剪力墻墻底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

PKPM計(jì)算結(jié)果：軸力為917.4kN，276.0kN，總計(jì)1193.4kN；

MIDAS計(jì)算結(jié)果:軸力為 958 kN，301 kN，總計(jì)：1259kN；

從上述結(jié)果看出，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果相近，基本吻合，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果能較好的反應(yīng)該結(jié)構(gòu)目前的受力狀態(tài)。

2.3 剪力墻拆除前后結(jié)構(gòu)驗(yàn)算對(duì)比分析

模型在模擬時(shí)，僅計(jì)算一片墻體拆除前后，周邊構(gòu)件的狀態(tài)變化，例如模擬計(jì)算一層9/H-K的剪力墻不設(shè)支撐直接拆除時(shí)，其他層剪力墻構(gòu)件維持不動(dòng)，模擬計(jì)算周邊構(gòu)件的狀態(tài)變化。以此類推，再對(duì)其他層剪力墻進(jìn)行模擬。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 一層9/H-K拆除前后裂縫及撓度對(duì)比圖

經(jīng)過(guò)結(jié)果分析對(duì)比可以看出，一層9/H-K軸線剪力墻，不設(shè)支撐直接拆除前后，撓度及裂縫變化明顯，超過(guò)規(guī)范限值。同時(shí)，與其相連的9/H-(1/G)軸梁承載力不足，需設(shè)置支撐處理。

3 剪力墻置換施工流程

剪力墻在目前的停工狀態(tài)下依然承受較大的豎向荷載，所以應(yīng)對(duì)其采取可靠的支撐卸載方案。為安全起見(jiàn)，置換施工過(guò)程應(yīng)分層、分段拆除。

分層主要有上到下，這里主要分析一層9/H-K，其它層與其類似。

對(duì)每層的剪力墻進(jìn)行分段，應(yīng)依據(jù)每片剪力墻的長(zhǎng)度以及總墻底內(nèi)力，將其劃分為不超過(guò)800kN的置換區(qū)段，一層9/H-K剪力墻區(qū)段劃分示意圖如圖6所示。

圖6 一層9/H-K分段施工順序圖

一層9/H-K剪力墻軸力總計(jì)2458kN，分四個(gè)置換區(qū)段，兩個(gè)施工區(qū)域。第一施工區(qū)域剪力墻置換后，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到C30后再施工第二區(qū)域。每區(qū)段在置換前須卸載614.5kN的荷載。

4 置換剪力墻鋼結(jié)構(gòu)與施工樓板支撐驗(yàn)算分析

4.1 置換剪力墻鋼結(jié)構(gòu)支撐驗(yàn)算分析

剪力墻卸載采用鋼結(jié)構(gòu)支撐卸載裝置，所用型鋼材料均為Q345，具體設(shè)計(jì)尺寸如圖7所示，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，各個(gè)構(gòu)件采用圍焊連接。

圖7 一層3.57m鋼結(jié)構(gòu)卸載裝置立面圖

驗(yàn)算分析采用有限元軟件MIDAS/GEN，構(gòu)件尺寸其中模型中的H型鋼、方柱及鋼結(jié)構(gòu)支撐均定義為梁?jiǎn)卧紤]到現(xiàn)場(chǎng)采用的是圍焊連接，方柱、H型鋼及支撐之間都屬于可靠連接，所以在模型中各個(gè)單元之間的約束形式均設(shè)定為剛接，即約束支座X、Y、Z方向的平動(dòng)位移及空間轉(zhuǎn)角。考慮最不利的加載形式進(jìn)行模擬，取劃分區(qū)段的最大豎向內(nèi)力669kN，裝置按一層的構(gòu)件尺寸進(jìn)行建模模擬加載。模擬加載時(shí)分兩種工況，一種為千斤頂預(yù)加載時(shí)裝置的受力狀態(tài)，另一種為千斤頂卸載時(shí)，裝置的受力狀態(tài)。

千斤頂加載工況下，兩片裝置上作用669kN的荷載計(jì)算模型如圖8所示，此時(shí)669kN荷載都直接作用于千斤頂下方的兩個(gè)H型鋼中部。

圖8 MIDAS/Gen裝置加載計(jì)算模型圖

計(jì)算結(jié)果得出方柱構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比為33.5，H型鋼構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比為19.1，鋼支撐構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比為81.0，均小于MIDAS的計(jì)算結(jié)果限值及規(guī)范中的要求。軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、整體穩(wěn)定以及剪切強(qiáng)度驗(yàn)算均滿足計(jì)算結(jié)果限值要求。

在MIDAS/GEN中設(shè)計(jì)規(guī)范選擇《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2017)進(jìn)行驗(yàn)算，鋼支撐應(yīng)力云圖如圖9所示。從結(jié)果可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)于支撐之中。最大應(yīng)力為152MPa。小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2017)中Q345級(jí)鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=310MPa，構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求。

圖9 裝置加載鋼支撐應(yīng)力云圖

在MIDAS/GEN中設(shè)計(jì)規(guī)范選擇《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2017)進(jìn)行驗(yàn)算，鋼支撐位移云圖如圖10所示。從結(jié)果可知，最大位移出現(xiàn)在千斤頂下方的H型鋼梁上。最大位移為1.69mm。小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2017)中對(duì)撓度的限值要求l/250（工裝按次梁限制考慮）=2.8mm，構(gòu)件位移滿足要求。

圖10 裝置加載鋼支撐位移云圖

4.2 置換剪力墻施工樓板支撐驗(yàn)算分析

在置換過(guò)程中，擬置換的剪力墻與周圍的梁板結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，不設(shè)置支撐根據(jù)之前的計(jì)算結(jié)果，可以得知梁板結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生明顯的位移及裂縫，因此需要設(shè)置鋼管支撐架支撐，保證剪力墻周圍梁和板的安全性，同時(shí)對(duì)上層樓板的荷載進(jìn)行卸載支撐。一層層高為施工過(guò)程中最不利層高，因此驗(yàn)算一層樓板支撐卸載工況。

圖11 每片擬拆除剪力墻處支撐架立面示意圖

支撐形式為滿堂支撐架，立桿的縱距0.8m，立桿的橫距0.8m，步距1.5m。一層層高3.57m，板厚180mm，凈高度為3.39m。鋼管采用Φ48×3.5，A=4.89cm2經(jīng)計(jì)算λ=164，查規(guī)范可知，φ=0.265。樓板自重取 4.5kN/m2，施工活荷載 2.5kN/m2，立桿自重0.49kN/m2，施工時(shí)立桿分擔(dān)的工人自重最考慮4kN。因?yàn)槭鞘覂?nèi)支撐架，故不考慮風(fēng)荷載影響。

經(jīng)驗(yàn)算，σ小于235級(jí)鋼管立桿的設(shè)計(jì)應(yīng)力f=205MPa，鋼管支撐架滿足安全及使用要求。

圖13 一層9/H-K監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)圖

5 施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容

5.1 測(cè)點(diǎn)布置

用應(yīng)變片及應(yīng)變采集儀對(duì)每個(gè)區(qū)段的應(yīng)變關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用百分表對(duì)每個(gè)區(qū)段的結(jié)構(gòu)位移關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。測(cè)點(diǎn)位置如下圖12所示。其中方形代表應(yīng)變監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，三角形代表位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)。

圖12 一層9/H-K監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)示意圖

一層9/H-K剪力墻置換過(guò)程中共計(jì)布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中7個(gè)應(yīng)變監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，5個(gè)位移監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，布置在板下的測(cè)點(diǎn)距離墻體邊緣20mm，減少施工時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)的擾動(dòng)。布置在連梁的測(cè)點(diǎn)，位移測(cè)點(diǎn)T12距離墻體邊緣為20mm，應(yīng)變T7測(cè)點(diǎn)則遠(yuǎn)離剪力墻，在連梁的另一端支座附近進(jìn)行布置。

5.2 剪力墻置換施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

施工階段監(jiān)控項(xiàng)目劃分主要為在每個(gè)施工區(qū)域進(jìn)行施工置換時(shí)，將施工準(zhǔn)備期作為初始階段，將初始值設(shè)定為0，其后數(shù)值的變化將以此為基礎(chǔ)。一、二層的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值如圖13所示。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)以及曲線的走勢(shì)對(duì)比可以分析得出，6個(gè)貼在板底的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)都較為接近，偏差不大，均為增大的壓應(yīng)變，最大值為-134uε；而貼在梁底的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)7顯示為增大的拉應(yīng)變，最大值94uε；5個(gè)位移測(cè)點(diǎn)數(shù)值均為不斷減小的數(shù)值，最大位移差值為-0.82mm。各個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值整體大小及幅值均滿足施工安全要求。

6 結(jié)論

①綜上所述，剪力墻施工在0～3階段中，應(yīng)力應(yīng)變變化及峰值較小，位移差值變化較小，并未產(chǎn)生明顯的撓度。同時(shí)在單片剪力墻置換施工完成后，用肉眼兼用放大鏡的檢查方式，檢查了周邊的梁板構(gòu)件，并未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)卸載裝置及鋼管支撐架卸載起到了作用，保證了結(jié)構(gòu)的整體施工安全。

②經(jīng)過(guò)MIDAS/GEN與PKPM的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，兩者對(duì)墻底內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果基本吻合，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果能較好的反應(yīng)該結(jié)構(gòu)目前的受力狀態(tài)，同時(shí)也為后期的支撐卸載提供數(shù)值依據(jù)。

③從后期的圖表反應(yīng)來(lái)看，貼在板底的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)多數(shù)為增大的壓應(yīng)變，貼在梁底的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均為增大的拉應(yīng)變；位移測(cè)點(diǎn)為不斷減小的位移數(shù)值；從結(jié)果對(duì)比看出，整體應(yīng)變峰值很小，位移差值不明顯，結(jié)構(gòu)在置換施工期間沒(méi)有引起較大的撓度及變形，證明了該加固方案的合理性和可靠性。