某高層住宅樓墻體開洞后安全分析及加固設計

宋春雷 金春峰

(中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100840)

0 引言

剪力墻結構體系在高層住宅樓中應用越來越普遍，為了滿足功能及使用要求，在實際使用過程中，對剪力墻進行開洞改造情況時有發生，剪力墻作為主要豎向承重構件，對其進行開洞，不僅影響了房屋的后續使用年限，同時也削弱了房屋的承載能力，對房屋安全性能產生較大影響，針對此，專家學者對剪力墻開洞、墻體抗震加固進行了理論分析及工程應用[1,2]，推動了此類工程科學研究的發展。剪力墻作為抵抗地震作用的第一道防線,其邊緣構件對剪力墻的塑性變形能力具有重要作用，結構后續改造過程中應避免對此部分構件區域進行開洞，對于不可避免需對墻體進行開洞的，應盡可能避開受力性能較大區域，并應限制開洞尺寸，且應對開洞后的墻肢軸壓比、穩定性及承載力等指標進行驗算[3]，并對其采取補強措施，充分保證其延性。

本文以北京市某高層住宅樓剪力墻局部開洞改造為例，對開洞后結構進行安全分析，并給出合理化加固方案。

1 工程概況

本項目位于北京市通州區，為地下2層，地上10層混凝土剪力墻結構房屋，建于2011年，結構高度約為28 m，標準層層高為2.8 m，地下2層為人防層，地下1層為丁戊類儲藏室。本工程設計抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，設計地震分組為第一組，特征周期為0.45 s，場地類別為Ⅲ類，基礎形式為箱型基礎。

2019年年初，開發商對該建筑物地下1層進行改造，改造過程中對部分剪力墻實施了開洞處理，開洞數量為5個，開洞規格為1 600 mm×1 900 mm，在開洞過程中，洞口范圍內水平及縱向鋼筋被截斷。墻體開洞平面圖如圖1所示，墻體開洞典型照片如圖2,圖3所示。

2 需開展的工作

為了對后續結構安全分析及加固設計提供理論依據。需要對該房屋進行結構檢測，以了解材料的實際強度、鋼筋配置等是否與設計相符。

為了考察剪力墻開洞后結構的抗震性能結果，需要建立實體三維模型，以判斷墻體軸壓比、抗剪承載力等指標是否超限。

根據檢測及分析結論，從提高構件延性及塑性變形的能力出發，給出合理的加固設計方案，確保加固后結構可靠度指標不低于原設計值。

3 墻體開洞后檢測

根據GB/T 50784—2013混凝土結構現場檢測技術標準、GB/T 50344—2004建筑結構檢測技術標準、CECS 03:2007鉆芯法檢測混凝土強度技術規程、JGJ/T 23—2011回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程，采用回彈法結合鉆芯修正法對混凝土強度進行檢測。

所測構件混凝土強度推定值為34.6 MPa，達到原設計C30混凝土強度等級要求。混凝土強度檢測結果見表1。

表1 混凝土強度檢測結果

4 結構安全分析

依據檢測結果，采用PKPM結構計算軟件對本工程建立三維實體模型，混凝土強度等級按實測值取用，設計活荷載依據GB 50009—2012建筑結構荷載規范取值，對住宅取2.0 kN/m2,樓梯間取3.5 kN/m2,屋面取2.0 kN/m2，剪力墻抗震等級為二級。結構三維驗算模型如圖4所示。

4.1 開洞后正常使用狀態下剪力墻受剪承載力驗算

開洞后剪力墻墻肢正常使用狀態下承載力，應考慮恒荷載、活荷載及風荷載組合作用下的效應組合。依據GB 50010—2010混凝土結構設計規范(2015版)[4]規定,正常使用狀態下，剪力墻斜截面受剪承載力計算公式為：

經計算，開洞后正常使用狀態下，墻肢受剪承載力滿足規范要求。

計算結果如表2所示。

表2 正常使用狀態荷載效應與抗力計算結果

4.2 開洞后剪力墻軸壓比驗算

JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[5]規定，當剪力墻抗震等級為二級時，墻體軸壓比限值為0.6，經計算，重力荷載代表值作用下，開洞處墻肢軸壓比最大值為0.22。

計算結果如表3所示。

表3 開洞后墻肢軸壓比計算結果

4.3 開洞后剪力墻斜截面抗震受剪承載力驗算

GB 50010—2010混凝土結構設計規范(2015版)規定,剪力墻斜截面抗震受剪承載力計算公式為:

其中，λ為計算截面處的剪跨比；N為考慮地震組合的剪力墻軸向壓力設計值中的較小者,當N>0.2fcbh時取0.2fcbh。經計算，墻體開洞后，其抗震受剪承載力滿足規范要求。

計算結果如表4所示。

表4 地震作用下荷載效應與抗力計算結果

5 剪力墻開洞加固

根據檢測結果及分析結論，雖然本工程開洞后墻肢軸壓比沒有超限，剪力墻開洞，削弱了結構的塑性變形能力及承載能力,結構軸壓比作為反映剪力墻塑性變形能力的重要指標，對房屋安全性具有重要作用，為了使結構塑性變形能力達到設計水平，提高結構抗震承載能力，確保水平力在洞口處的有效傳遞，利用截斷外露鋼筋搭接長度，采用對洞口處截斷鋼筋進行幫條焊接，為了使封洞后洞口混凝土與原結構密實接觸，使封洞處混凝土與原結構協同工作，采用C40微膨脹混凝土進行封洞加固，加固完成后在新舊墻體連接處采用粘貼碳纖維布進行補強。具體施工措施為：

1)對于洞口范圍內無外露鋼筋或外露鋼筋焊接長度不足，需剔除洞口范圍內混凝土，使鋼筋焊接長度達到設計值；對于洞口處有外露鋼筋且其外露長度達到焊接設計值，將洞口處外露鋼筋進行調直并截斷，預留焊接所需長度。

2)鑿毛洞口范圍內剪力墻，并采用鋼刷將洞口清理干凈。

3)在剪力墻洞口范圍內后置HRB400級鋼筋，與原鋼筋進行幫條焊接。

4)采用C40微膨脹免振搗混凝土填充洞口，膨脹劑摻量不低于10%。

加固方案如圖5,圖6所示。

6 結語

高層建筑軸壓比是反映影響結構安全、大震下塑性變形的重要指標，控制結構軸壓比限值，對保證結構能夠完成預定功能，具有重要意義。剪力墻開洞對墻體軸壓比影響尤為顯著，開洞不僅削弱了構件截面，同時也會對墻肢抗剪承載能力及墻體穩定性產生影響，本工程雖然開洞后結構各項指標仍能滿足規范要求，考慮到結構的可靠度水平被降低，為了恢復原結構的可靠度水平，我們對其進行封洞加固。

采用對截斷水平及豎向鋼筋的有效連接及微膨脹混凝土封洞，能夠確保地震力的有效傳遞，增強結構整體性，使加固后的房屋抗震水平不低于原設計值，能夠完成預期使用功能。