被动式双面加大截面法加固底层剪力墙的轴心受压计算方法探讨

廖新雪，袁灵，林文修，李文杰,邹勇，王耀伟

（1重庆市建筑科学研究院，重庆 400015；2重庆科技学院，重庆 401331）

0 引言

剪力墙加固方法运用及研究较多的是粘钢加固、碳纤维加固等[1-3]，加大截面法加固剪力墙则运用较少，现行混凝土结构加固设计规范认为加大截面法的适用范围以定位在梁、板、柱为宜[4]；《混凝土结构加固构造》13G311-1则对剪力墙加大截面法做出相应规定，有加大截面的详图，说明提倡加大截面法加固墙体。

在实际工程中，当高层建筑的底层剪力墙出现混凝土强度不满足时，将可能导致剪力墙轴压比不足，此时适宜的加固方法有3个：减小荷载[5]、加大截面[5]及置换混凝土。由于置换法的施工难度和风险性相对较大，因此往往采用加大截面法。当民用高层建筑修建完毕，底层剪力墙已基本承受全部恒载，占总竖向荷载的70%～80%，此时采用加大截面法加固底部剪力墙，由于无法对恒载进行有效卸载，仅当原墙体进一步受力，产生竖向压缩变形和横向膨胀变形，新增截面才能受力，因此其加固方式属于被动加固。

目前尚未检索到被动加大截面法加固剪力墙的受力性能的研究文献，因此本文就高层建筑底层剪力墙采用被动式双面加大截面法加固后的轴心受压计算方法展开探讨，为工程加固设计提供借鉴和参考。

1 计算方法探讨

1.1 传力途径分析

双面加大剪力墙如图1所示，当原墙进一步受力，产生竖向压缩变形和横向膨胀变形，通过3个途径把轴力传递给新增截面：

图1 剪力墙双面加大截面

（1）新、旧混凝土界面的咬合力，来自旧混凝土表面凿毛处理后，新、旧混凝土之间的凹、凸咬合；

（2）新、旧混凝土界面的摩擦力，与混凝土之间的摩擦系数及水平压力有关，而水平压力主要来自拉结筋的横向变形产生的拉力；

（3）拉结筋的销键作用，与拉结筋的横截面积和横断面抗剪强度有关。

1.2 计算方法

在进行计算方法讨论之前，需作如下基本假定：（1）新增拉结钢筋的拉伸变形和原构件的横向变形一致；（2）变形在弹性范围内。另外为了简化计算，忽略新、旧混凝土界面咬合力。

1.2.1 新、旧混凝土界面的摩擦力

设原有构件产生新的竖向应变为着y，在弹性范围内，水平应变着x=v着y（v为泊松比），根据基本假定的第⑴条，新增拉结钢筋的水平应变也为v着y，则单根新增拉结筋的水平应力为Ev着y（E为拉结筋的弹性模量）。设新增拉结筋根数为n，单根钢筋面积为Asv，则拉结筋产生的水平压力为：

因此可求得新、旧混凝土摩擦力为：

式中：u—新、旧混凝土的摩擦系数。

1.2.2 拉结筋的销键作用力

设新增拉结筋根数为n，单根钢筋面积为Asv，依据参考文献[6]，横向销键的应力取0.75屈服强度，则新增拉结筋的销键力为：

fyv—拉结钢筋屈服强度；2表示有两个剪切面。

1.2.3 新增截面承载力

根据1.2.1和1.2.2，求得新增截面的承载力为：

简化该式，用fyv代替E·v着y，依据参考文献[6]，混凝土之间的摩擦系数取0.7，则简化后的新增截面承载力为：

1.2.4 总体承载力

依据参考文献[4]，加大截面后的剪力墙轴心受压公式表达成：

式中：0.9为计算系数；

渍—构件稳定系数，根据加固后的截面尺寸，按参考文献[7]的规定进行计算；

fc0—原构件混凝土轴心抗压强度设计值；

f'y0—原构件竖向钢筋强度设计值；

Ac0—原构件混凝土截面面积；

A'y0—原构件竖向钢筋截面面积。

2 算例分析

设某一字型剪力墙厚200mm、长2400mm、高3000mm，墙身水平及竖向配筋B10@150，混凝土强度原设计为C50，检测结果为C40,采用加大截面法进行加固处理。每侧加大75mm，混凝土强度采用C50，墙身水平及竖向配筋B10@150，拉结筋为A8@450，取1m长剪力墙作为计算单元，根据参考文献[7]计算原设计轴压承载力如下：

加固后的承载力计算如下：

另外对新增混凝土截面厚度和配筋进行复核，即新增混凝土承载力和配筋不能低于2.2·n·fyv·Asv=418.3kN，每侧新增截面厚75mm，混凝土强度C50，竖向配筋B10@150，根据公式（7）计算其能承担的竖向力为:

式中的2表示两个截面，0.32为稳定系数渍，根据高度3.0m、厚度75mm求得。计算结果大于418.3kN，满足要求。

为了对比，按参考文献[4]的公式5.4.1计算加固后构件承载力如下：

式中：琢s—综合考虑新增混凝土和钢筋强度利用程度的降低系数，取值为0.8；

fc—新增混凝土轴心抗压强度设计值；

fy—新增竖向钢筋强度设计值；

Ac—新增截面面积；

A'y—新增竖向钢筋截面面积。

经计算，参考文献[4]的公式5.4.1计算结果R=6402.8kN,远大于本文公式(6)计算结果的4072.5kN，其可能原因是本文推导的公式忽略新、旧混凝土的咬合力。

3 讨论

（1）实际工程的加固设计与施工，一般发生在主体结构恒载已基本施加完毕的情况，对于剪力墙结构，其刚度大、层数高、无法卸除恒载，因此对底部剪力墙采用加大截面法加固，属于被动加固，仅当被加固的剪力墙进一步受荷，产生进一步变形时，新增截面才能分担荷载。

（2）当需要加固的底层剪力墙在恒载作用下，其轴压比已超限，此时采用加大截面法值得商榷。因为恒载作用下剪力墙的变形已基本形成，虽然随着时间推移，在徐变等作用下，变形有所发展，但绝大部分恒载还是由原构件承担，构件将长期处在高应力状态，在较大地震作用下，受力性能不佳。这种情况建议采用置换方法。

（3）当恒载作用下底层剪力墙的轴压比不超限，只是在总荷载作用下轴压比超限，建议可以采用加大截面法，同时配合减小上部结构装修荷载及活载的办法，效果更好。

（4）当仅有底部一层墙体需要加固处理，采用加大截面法，除了对该层进行处理外，理想状态是从下至上每层墙体都进行加固，这样能有效降低加固的被动性，受条件限制无法每层加固，也应往上延伸几层，建议不少于2层。

4 结论

本文根据被动加固方式的传力途径，推导出轴心受压的计算公式为该公式能体现被动加固法的传力途径和物理意义，强调拉结筋在加大截面法中不仅仅是构造要求，而是承载力的重要组成部分，希望能引起加固设计人员的重视。

[1]曾洪超.FR加固混凝土竖向构件的抗震性能研究[D].北京：北京工业大学，2010.

[2]张举涛，张华业.采用剪力墙的高层建筑粘钢加固设计[J].建筑结构，1996（3）：30-33.

[3]刘明学.碳纤维布提高剪力墙延性的实验研究[D].天津：天津大学，2004.

[4]GB50367-2013混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[5]张培信.高层住宅剪力墙结构抗震加固试验研究[J].工业建筑，1994(4)：24-27.

[6]王伟，苏小卒，赵勇.钢筋混凝土界面抗剪承载力计算方法比较研究[J].结构工程师，2010,26(4)：130-136.

[7]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.