剪力墙置换加固中内力和位移变化研究——以龙奥御苑住宅楼加固工程为例

李树明，王美杰，崔庆海，王欣

（1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101；2.山东建固特种专业工程有限公司，山东 济南250014）

剪力墙置换加固中内力和位移变化研究
——以龙奥御苑住宅楼加固工程为例

李树明1，王美杰1，崔庆海2，王欣1

（1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101；2.山东建固特种专业工程有限公司，山东 济南250014）

研究剪力墙结构置换加固过程中内力和位移的变化，可为相关置换加固工程的设计、施工提供一定依据。文章以龙奥御苑住宅楼加固工程为背景，采用应变采集箱对部分墙体置换加固施工过程进行了实时监测，并进行了相关的卸载试验，研究了剔完剪力墙混凝土后墙垛的内力变化及连梁的位移变化，对比分析了PKPM、ABAQUAS软件模拟的墙垛内力变化及连梁位移变化。结果表明：剔除腹板墙肢后，翼缘墙肢的轴力变化最大，墙垛轴力试验值比PKPM模型的计算值大110 kN，而其他轴力变化较小；ABAQUAS软件模拟的墙肢应力变化值与试验测得的变化值接近，仅相差0.15 MPa；剔除腹板墙肢后，连梁的位移变化较小，未超过规范限值，ABAQUAS软件模拟的位移比试验值小0.36 mm。

剪力墙；置换加固；卸载；内力；位移

0 引言

近年来，我国建筑业取得了突飞猛进的发展和巨大的成就，与此同时我国的工程质量也存在较多问题，由于不同原因导致的局部混凝土强度不足而产生的安全问题占有很大比例［1］。置换混凝土加固法通常用于局部混凝土有严重缺陷的混凝土构件加固，能从根本上解决混凝土强度不足的问题［2］。吴志雄对某高层框剪结构柱头缺陷混凝土置换加固设计与施工进行了研究，重点对两种不同的卸载方案进行了对比分析［3］。胡克旭等采用免支撑分段置换法，通过严格控制剪力墙的轴压比的方法，采用三次置换的分段置换顺序对某短肢剪力墙高层住宅进行了加固［4］。耿庆和等利用SAP2000模拟了某商业综合楼拆除顺序对结构构件的影响，分析了采用三种不同的拆除顺序梁的内力变化，分析表明结构改造过程中施工顺序对结构受力影响较大［5］。迟易择等人采用PKPM软件SATWE模块对某住宅楼模型分析得出：局部混凝土强度不足对剪力墙结构整体性能如自振周期、层间位移角等产生的影响较小，但对剪力墙的承载力影响较大，加固的重点应在结构构件的承载力加固上［6］。潘立对多片等截面置换表层加固墙体进行了轴压试验，计算与试验表明被加固墙体组合截面的折算平均强度随置换表层厚度增大而增加时，其轴压承载力也随之提高［7-8］。刘雄等通过分期置换加固某框架角柱一小段混凝土的工程实例，分析了施工检测结果以及置换加固的效果，试验结果表明支撑结构、柱受力钢筋、混凝土等构件的应力变化非常微小，新旧混凝土协调受力良好［9］。

但上述研究大多数只是对施工方案可行性的研究，对剪力墙结构置换加固过程中的内力和位移变化研究较少。文章以龙奥御苑住宅楼置换加固工程为背景，研究了结构在置换加固过程中的内力及连梁位移的变化，为相关的置换加固工程提供一定的设计、施工建议，从而达到降低施工成本、提高工程质量的目的。

1 工程概况

龙奥御苑住宅楼总建筑面积约7568 m2，其地下一层为储藏室，层高5.0 m；地上11层为住宅，1层的层高为4.35 m，其余各层层高为3.0 m，建筑高度为34.50m，抗震设防烈度为6度，抗震等级为四级，混凝土设计强度等级为C30。住宅楼主体结构及隔墙工程已完成，经检测发现第8层（如图1所示）18轴至33轴墙体及梁、板结构混凝土强度过低，强度均不足C15，远不能满足C30的设计强度，对结构构件采用增大截面法或外包角钢加固法不能满足设计及使用要求，因此工程采用置换混凝土加固法［10］。

图1 8层平面图／mm

2 试验概述

2.1 试验过程

由于加固工程量比较大，现只对25-C-D轴墙的置换加固过程进行了相关的数据采集。采用数字式静态电阻应变采集箱对施工过程进行实时监测，并进行相关的试验。首先在7层顶部及9层中部架设托换钢梁，然后架设托换钢柱，托换钢柱采用HW250×250型钢，置换墙体两侧各两根，如图2、3所示。在托换柱上部与托换梁之间放置一台50 t螺旋式千斤顶，用千斤顶控制加载力的大小。在千斤顶与托换梁之间安放压力传感器，通过传感器显示的数据精确确定千斤顶施加力的大小。由压力传感器算得每个千斤顶施加约250 kN的力，4个千斤顶共施加1000 kN的力，超过了剪力墙承受的上部结构施加的自重荷载，导致剪力墙产生拉应变，但剪力墙拉应变未超过混凝土允许极限拉应变，不会对结构产生较大的影响，置换混凝土加固过程可以偏于安全的施工。千斤顶对剪力墙施加荷载前采集一次数据，作为初始数据，然后加载千斤顶，对剪力墙进行卸载，待墙体的荷载完全转移至托换柱上时，千斤顶停止加载并采集一次数据，开始剔除强度低的25-C-D轴剪力墙混凝土，直到墙体全部剔除完，剔除过程中每10 min采集一次数据，以确保施工安全。当出现较大的、不正常的数据时，应立即停止施工，并分析数据变化原因。剪力墙混凝土剔除为人工剔除，在剔除过程中不能损坏不需要处理的原混凝土结构。

图2 7层顶托梁位置图

图3 9层托梁及千斤顶位置图

待强度过低的混凝土全部剔除完后，将受到影响的纵筋整理至原位置，开始浇筑混凝土，为了缩短工期，被剔除的构件采用微膨胀、自密实、早强的C35灌浆料浇筑。浇筑完成24 h后拆模，拆模后混凝土要洒水养护72 h，以保证混凝土表面具有一定的湿度。置换加固施工过程中，未发现与被置换构件相邻的周边梁板有明显的裂缝及较大的变形，施工可行性良好，取得了很好的加固效果。

2.2 试验测点布置

钢筋应变片主要粘贴在8、9、10层的墙、梁、板受力较大的部位，包括8、9、10层的22-C-D、25-C-D、29-C-D轴剪力墙，22-25-C-G轴和25-29-C-G轴板以及置换加固墙体附近的梁顶、梁底等位置，如图4所示。其中，●为墙及梁上部应变片位置，○为梁下部应变片位置，▲为板上部应变片位置。同时在置换剪力墙上部第8层附近的梁底共安放3个百分表，记录上部结构的位移值，如图5所示。其中，▼为百分表位置。

图4 8层应变片位置图

图5 8层百分表位置（梁底）图

3 结果与分析

3.1 试验结果与分析

3.1.1 剪力墙应变及轴力

为了方便分析，将剪力墙记为m Q-n，连梁记为m L-n，其中，m为楼层层号，n为各层不同位置剪力墙、连梁的编号，8层剪力墙及连梁的具体编号如图4、5所示。试验中8Q-1墙为主要受力构件，位置如图4所示。

千斤顶对8Q-1剪力墙施加荷载前采集一次数据，作为初始数据，千斤顶加载完采集一次数据，然后开始剔除强度不满足设计要求的8Q-2腹板墙混凝土，直到墙体全部剔除完，剔除过程中每10 min采集一次数据。8Q-1墙钢筋应变变化折线如图6所示。

剪力墙混凝土从8Q-2腹板墙底部开始剔除，对剔腹板墙开始时、剔断腹板墙底部、剔完一半腹板墙、剔到腹板墙梁底等关键部位进行数据采集。当剔除完8Q-2腹板墙尚未剔除剪力墙暗梁部分混凝土时，为了改进施工工艺，达到降低施工成本、提高工程质量的目的，进行了一次卸载试验。试验从4个托换柱共1000 kN卸载至0 kN，每次卸载200 kN，采集完钢筋应变数据后将荷载恢复至1000 kN，开始剔除暗梁缺陷混凝土。对千斤顶施加1000 kN的力使8Q-1墙垛混凝土产生了72×10-6大小的拉应变。随着剪力墙逐渐被剔完，8Q-2剪力墙受到的拉力逐渐由与之相连的墙垛承担，使得该处钢筋在剔除过程中产生的拉应变不断增加，钢筋应变片应变由71×10-6增加到122×10-6，墙垛产生了51×10-6的拉应变增量。荷载从1000 kN卸载到0 kN的过程中，托换钢柱的轴力逐渐减为0 kN，上部结构的大部分荷载逐渐施加给墙垛，8Q-1墙垛的应变变化较大，相对于千斤顶加载前，墙垛产生了大约55×10-6的压应变差，由剪力墙应变与轴力的关系得出8Q-1剪力墙轴力为

图6 8Q-1墙钢筋应变变化折线图

3.1.2 剪力墙连梁位移

在千斤顶卸载过程中，对连梁的位移进行了监测，位移监测点设置在靠近置换加固墙体一侧的连梁8L-1、8L-2、8L-4的梁底，如图5所示。利用百分表观察连梁的位移值，百分表利用支座的磁力固定在钢管上，钢管固定在8层底楼板。

卸载时百分表显示与被置换剪力墙邻近的连梁8L-4梁底位移下降最大，卸载时连梁位移的折线变化如图7所示。

将千斤顶卸载至0后梁底最大位移仅为1.940 mm，结构变形微小，对上部结构的受力无很大影响。根据GB 50010—2010《钢筋混凝土结构设计规范》［11］规定，计算钢筋混凝土受弯构件的最大挠度限值ω＝L0／200＝3800／200＝19 mm，大于试验值，因此剔除8Q-2墙后连梁8L-4的挠度未超过规范限值。

图7 卸载时连梁8L-4梁底位移值变化折线图

在千斤顶卸载的过程中对连梁位移变形监测的同时，也对8Q-2墙体附近的8、9层连梁的开裂情况进行了监测，监测结果发现在整个千斤顶卸载的过程中8Q-2墙体附近的8、9层连梁均未出现裂缝。由此可知，8Q-2墙体的剔除对结构的影响很小，不会导致结构产生较大的变形，从而改变结构的受力状况，使结构产生开裂破损或者破坏。

3.2 模拟与试验结果对比分析

3.2.1 剪力墙轴力的PKPM计算结果对比

由试验测得的剪力墙应变可以计算剪力墙的轴力，PKPM为常用的加固设计软件，将试验测得的剪力墙轴力与PKPM计算结果对比，可以了解实际内力与软件结果的差距，为加固设计者提供一定的实用建议。考虑到施工工期较短，PKPM模型不考虑风荷载、地震作用，只考虑结构自重、隔墙自重及1 kN／m2的施工荷载。利用SATWE模块对工程结构相应的工况进行内力计算。PKPM计算的剔除8Q-2剪力墙混凝土前及剔墙后8层各剪力墙的轴力大小如图8所示。其中N1为剔墙前各剪力墙轴力，N2为剔墙后各剪力墙轴力，N3为剔墙前后各剪力墙轴力差值（等于剔墙后各剪力墙轴力减去剔墙前各剪力墙轴力）。图8中各剪力墙的轴力均为构件内力调整前的标准内力，不考虑各构件的内力放大系数，以较真实的反映试验时结构的实际受力大小。

由图8可以看出，8Q-1墙垛产生的轴力差值为-306 kN。试验值比PKPM模型计算值大110 kN，原因是剔除腹板墙后，上部结构自重荷载使8Q-1墙垛受到弯矩的作用，使墙垛外侧受拉而内侧受压，由于应变片粘贴在墙垛受压侧，压应力较截面其他点压应力大，用此点数据按轴心受压计算得到的墙垛轴力值也就大。而未剔腹板墙前，8Q-2腹板墙墙底的轴力为-366.8 kN，剔完腹板墙后8Q-1墙垛轴力只增加了306 kN，比8Q-2腹板墙墙底的轴力小60.8 kN，说明PKPM的SATWE模块考虑了结构的整体性，8Q-2腹板墙的轴力没有全部施加给8Q-1墙垛，而是通过梁、板的拉结作用传到了附近墙体，附近墙体轴力的增加也说明了这一点［12］。缺陷混凝土的强度按C15计算，轴心抗压强度设计值为7.2 MPa，此时8Q-1墙垛的轴压比为0.31，小于轴压比限值。

图8 剔除8Q-2墙前后8层各墙PKPM计算轴力及差值图

剔除8Q-2墙肢后，结构内力重分布，8Q-3至8Q-9墙肢的轴力变化较小，8Q-1墙垛承担了8Q-2腹板墙轴力的83.4%，说明8Q-2墙肢剔除后，墙垛为主要受力构件，而邻近剪力墙分担的轴力较小。由于8Q-3及8Q-5墙垛的轴力较小，假设全部施加到腹板墙上，8Q-4、8Q-6腹板墙的轴压比分别为0.11、0.1，故可以利用腹板墙的有利作用，采用免支撑置换加固法，从而达到减少施工工艺，缩短工期的目的［13］。而原设计对墙垛的置换加固采用了利用托换钢梁置换的方法，工艺复杂，增加了施工成本。

3.2.2 ABAQUS应力计算结果对比

ABAQUS有限元分析软件，可解决从相对简单的线性分析到许多复杂的几何非线性和材料非线性问题，能够较真实地模拟工程试验［14］。由于工程结构较大，有限元模型的建立比较复杂，所以试验的ABAQUS模型只模拟了8层及以上结构，将8层剪力墙底部设置为固定约束，各构件之间连接设置为固结，荷载包括剪力墙、连梁、板的自重及板上的施工荷载。由试验可知，结构的变形较小，故只考虑钢筋、混凝土材料的弹性阶段，不考虑材料的塑性阶段，由于其他剪力墙墙体已经置换完成，混凝土弹性模量取为3.0×104MPa，泊松比设置为 0.2，钢筋弹性模量取为 2.1×105MPa，泊松比设置为0.3。混凝土剪力墙、连梁及板采用壳单元S4R，钢筋通过添加钢筋层的方式设置。

如图9所示，在自重荷载作用下，板跨中产生的应力最大，由ABAQUS数据得应力约等于0.5 MPa，板的其他部位应力约为0.13 MPa，8层8Q-2墙肢顶部应力约为1 MPa，剪力墙其他部位的应力与此处应力比较接近。

图9 剔除剪力墙前应力云图

如图10所示，剔除8Q-2墙肢后，板的应力变化较小，8层8Q-1墙肢顶部暗梁部分应力变化最大，应力值约为3.5 MPa，其变化值为2.5 MPa，剪力墙其他部位应力变化较小。8Q-1墙肢中间高度应力值为 2.8 MPa，其变化值为 1.8 MPa，与试验测得的应力变化值1.65 MPa接近，说明ABAQUS能较真实地模拟试验。

图10 剔除剪力墙后应力云图

3.2.3 ABAQUS连梁位移计算结果对比

ABAQUS模拟试验模型为完整结构时，连梁8L-4南侧的位移为0.27 mm，而剔除8Q-2墙肢后连梁8L-4南侧的位移为1.58 mm，与剔除8Q-2墙肢后位移相比变化较小。将ABAQUS模拟试验得到的位移与图7所示的现场试验位移比较可知，模拟试验位移比现场试验位移小0.36 mm，原因是在现场试验时，与8Q-2墙肢连接的楼板由于通过钢柱支撑需要开较大的孔洞，从而使楼板对连梁8L-4的约束减小，连梁位移较大，而ABAQUS模拟试验与8Q-2墙肢连接的楼板与墙肢刚接，没有开洞，楼板对连梁8L-4的约束较大，连梁位移较小。

4 结论

通过上述研究可知：

（1）剔除8Q-2腹板墙混凝土后，墙垛8Q-1的轴力变化最大，墙垛轴力试验值比PKPM模型计算值大110 kN，其他墙肢轴力变化较小。墙垛轴力较小时，可以利用腹板墙的有利作用，采用免支撑置换加固法。

（2）剔除8Q-2腹板墙混凝土后，墙垛应变最大，说明8Q-1墙垛的应力变化最大，ABAQUAS软件模拟的墙肢应力变化值与试验测得的变化值接近，仅相差0.15 MPa，ABAQUS能较真实地模拟试验。

（3）剔除8Q-2腹板墙后，梁底最大位移仅为1.940 mm，连梁挠度变化较小，ABAQUAS软件模拟的位移比现场试验位移小0.36 mm，结构的变形微小，未超过规范限值，结构未出现开裂破损或者破坏的现象。

［1］ 张义，李书帆，姜明月，等.浅谈混凝土质量缺陷的控制措施［J］.河南建材，2013，2：40-41.

［2］ 陈尚建，刘海波，欧阳普英，等.置换混凝土法在结构加固设计中的应用［J］.武汉大学学报（工学版），2008（s1）：82-84.

［3］ 吴志雄.某高层框剪结构柱头缺陷混凝土置换加固设计与施工［C］.厦门：第九届全国建筑物鉴定与加固改造学术会议，2008.

［4］ 胡克旭，赵志鹏.混凝土置换法在某短肢剪力墙高层住宅加固中的应用［J］.结构工程师，2015，31（6）：172-177.

［5］ 耿庆和，陈景山，董磊磊.某商业楼改造过程剪力墙拆除顺序对结构的影响［J］.结构工程师，2014，30（4）：141-146.

［6］ 迟易择.混凝土强度不足的剪力墙结构抗震性能及加固方法研究［D］.包头：内蒙古科技大学，2014.

［7］ 潘立.高强材料等截面置换表层加固混凝土墙体试验研究［J］.建筑结构，2012，42（10）：139-143.

［8］ 潘立.高强材料等截面置换混凝土柱，墙表层加固方法的应用研究［J］.建筑结构，2013，43（1）：85-90.

［9］ 刘雄.混凝土局部分期置换法在结构加固中的应用研究［D］.长沙：湖南大学，2011.

［10］熊进刚 ，谈歆，林悦慈，等.高性能灌浆料置换加固混凝土柱的受力性能［J］.建筑科学，2015，31（11）：1-7.

［11］GB 50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［12］邱麟麟.关于转换梁上一层剪力墙内力突变问题的研究［J］.南方金属，2016，209（2）：39-41，56.

［13］郑文杰，舒杰，贺子倬.某旧城改造工程混凝土剪力墙置换处理［J］.施工技术，2015，44（4）：53-56.

［14］王玉镯，傅传国.ABAQUS结构工程分析及实例详解［M］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［15］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

Research on internal force and displacement change of shear wall reinforcement：A case study on the strengthening project of Longaoyuyuan residential building

Li Shuming1，Wang Meijie1，CuiQinghai2，et al.
（1.School of Civil Engineering.Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shandong Jiangu Special Professional Engineering Co.Ltd.，Jinan 250014，China）

The change of internal force and displacement in the reinforcement process of shear wall structure can provide some basis for the design and construction of the related replacement and reinforcement engineering.Based on the strengthening project of the residential building of Longaoyuyuan，by using strain collection box for partof thewall for the real-timemonitoring and doing some related unloading experiments，the paper studies the internal force changes and the displacement of the beam after removing the shear wall concrete and analyzes the results of the change of the internal force and the displacement of the simulation of PKPM and ABAQUAS software.The results show that after stripping out the wall of the abdominal wall，the axial force of the limb of the limb varies themost and the shaft force of the wall calculated by PKPM model is 110kN smaller than the test data，and other axial forces change smaller.The value of the wall arm stress simulated by ABAQUAS software is almost the same as thatmeasured by the test，only 0.15 MPa bigger.The deflection of the beam is not exceeded by the specification limit，and the displacement of ABAQUAS software simulation is 0.36 mm less than the test data.

shear wall；strengthening by replacement；unloading；internal force；displacement

TU398

A

1673-7644（2017）05-0496-06

10.12077／sdjz.2017.05.014

2017-08-12

李树明（1973-），男，工程师，学士，主要从事工程结构安全性诊断与加固改造施工等方面的研究.E-mail：13605312955＠163.com［*

］

（学科责编：赵成龙）