混凝土结构剪力墙置换加固技术与施工监控研究

廖晓坤 （安徽省建设监理有限公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

置换混凝土加固技术采用挖补替换的方法，用优质混凝土置换掉缺陷混凝土，达到恢复或者增强构件承载力的目的[1]。采用这种加固方法具有其他加固方法无法比拟的优点，结构加固后能大部分或全部恢复原貌，不改变使用空间[2]。近些年，由于检测技术的发展和国家有关部门对工程安全检查的重视，大量在建或已投入使用的高层建筑被检测出工程质量问题，混凝土构件包括剪力墙构件置换加固在工程中的应用日渐增多[3]。

2016年王健、姜超等人[4]采用分期置换加固法完成了某在建商住楼的底层剪力墙混凝土置换设计与施工工作。2014年于兴华、吕林等人[5]对某在建框架-筒体结构体系的1～3层部分强度不足的剪力墙进行了混凝土置换加固设计。胡克旭、赵志鹏等人[6]以某新建十七层短肢剪力墙高层住宅为背景，通过建模计算不同施工阶段工况下的承载力，严格控制剪力墙的轴压比，严格制定分段置换量，合理布置拆除顺序，对该楼七层部分强度不够的剪力墙进行了免支撑混凝土置换加固。2010年，罗守权[7]在对某框架-剪力墙结构的高层住宅进行剪力墙混凝土置换加固处理时，同时采用了剪力墙支顶和辅助支顶两种支顶方案。剪力墙支顶采用型钢支顶方案，辅助支顶采用在所需加固楼层及上下各三层架满堂脚手架方案，两种方案相辅相成。

文章以某在建高层住宅剪力墙置换加固的实际工程，置换混凝土加固技术应用其中，并依据现场实际情况，设计相应的方案，进行有限元模拟与监测技术研究。验算分析得出结果，为工程后续的施工提供依据及分析基础。

1 工程背景

1.1 工程概况

某在建高层住宅位于安徽省合肥市包河区，建筑结构主体均为现浇结构，结构形式为34层一般剪力墙结构。建筑东西方向长39.8m。南北方向长15.05m，建筑设计总高度（室外地面至大屋面）为98.950m。该建筑的主要竖向承重构件为钢筋混凝土剪力墙，并且其混凝土强度设计值随层高减少。其中负一层至五层的混凝土设计强度为C45，六层至十一层的混凝土设计强度为C40，十二层至十六层的混凝土设计强度为C35。

现场施工时发现部分剪力墙的强度不满足要求后委托相关检测部门进行检测。针对这些剪力墙进一步采取钻芯取样的方法进行检测推定，最终得出结果，共6片剪力墙的强度较低，未达到设计标准。具体轴线位置为一层6/H-K与9/H-K、二层20/C-E、三层3/(1/G)-H、四层3/(1/G)-H、七层21/(1/G)-H。为避免重复，将对一层9/H-K与二层20/C-E进行主要分析介绍，其它层情况相似，相应位置如图1所示。

图1 剪力墙所在轴线位置示意图

2 剪力墙置换整体分析

2.1 选取计算模型

本文采用有限元软件MIDAS/GEN对住宅结构进行结构整体模拟分析，整楼模型如图2所示。混凝土板构件定义为板单元；混凝土梁、柱构件定义为梁单元；混凝土墙构件定义为板单元。各个单元之间的约束均为刚接，即约束支座X、Y、Z方向的平动位移及空间转角。为了分析剪力墙的受力状况，应对结构模型进行模拟计算并分析计算结果。

图2 整楼模型示意图

采用PKPM进行模拟计算，对结构构件的裂缝及挠度的变化进行分析。

2.2 剪力墙墙底内力对比分析

为了对后期支撑卸载提供计算依据，需模拟计算剪力墙底部的实际内力大小。因该状态为短期停工及施工状态，并非长期的使用状态，因此应不考虑分项系数以及水平荷载的作用，同时因为该建筑结构并未投入使用且已经进入停工状态，活荷载取值为0。取1.0恒载+1.0活载工况进行计算，通过MIDAS/GEN与PKPM共同模拟分析，得出此工况下一层9/H-K一片剪力墙墙底内力大小并相互校核准确性，为后续的设计提供了相应条件及依据。具体计算结果分别如图3和图4所示。

图3 PKPM一层9/H-K剪力墙墙底内力计算结果

一层9/H-K剪力墙墙底内力计算结果为：

PKPM计算结果：轴力为 393.5kN，1888kN，176.5kN，总计：2458kN；

MIDAS计算结果：轴力为353 kN，1814kN，161 kN，总计：2328kN；

图4 MIDAS/GEN一层9/H-K剪力墙墙底内力计算结果

PKPM计算结果：轴力为917.4kN，276.0kN，总计1193.4kN；

MIDAS计算结果:轴力为 958 kN，301 kN，总计：1259kN；

从上述结果看出，两种软件的计算结果相近，基本吻合，可以认为计算结果能较好的反应该结构目前的受力状态。

2.3 剪力墙拆除前后结构验算对比分析

模型在模拟时，仅计算一片墙体拆除前后，周边构件的状态变化，例如模拟计算一层9/H-K的剪力墙不设支撑直接拆除时，其他层剪力墙构件维持不动，模拟计算周边构件的状态变化。以此类推，再对其他层剪力墙进行模拟。具体计算结果见图5。

图5 一层9/H-K拆除前后裂缝及挠度对比图

经过结果分析对比可以看出，一层9/H-K轴线剪力墙，不设支撑直接拆除前后，挠度及裂缝变化明显，超过规范限值。同时，与其相连的9/H-(1/G)轴梁承载力不足，需设置支撑处理。

3 剪力墙置换施工流程

剪力墙在目前的停工状态下依然承受较大的竖向荷载，所以应对其采取可靠的支撑卸载方案。为安全起见，置换施工过程应分层、分段拆除。

分层主要有上到下，这里主要分析一层9/H-K，其它层与其类似。

对每层的剪力墙进行分段，应依据每片剪力墙的长度以及总墙底内力，将其划分为不超过800kN的置换区段，一层9/H-K剪力墙区段划分示意图如图6所示。

图6 一层9/H-K分段施工顺序图

一层9/H-K剪力墙轴力总计2458kN，分四个置换区段，两个施工区域。第一施工区域剪力墙置换后，待混凝土强度达到C30后再施工第二区域。每区段在置换前须卸载614.5kN的荷载。

4 置换剪力墙钢结构与施工楼板支撑验算分析

4.1 置换剪力墙钢结构支撑验算分析

剪力墙卸载采用钢结构支撑卸载装置，所用型钢材料均为Q345，具体设计尺寸如图7所示，现场施工时，各个构件采用围焊连接。

图7 一层3.57m钢结构卸载装置立面图

验算分析采用有限元软件MIDAS/GEN，构件尺寸其中模型中的H型钢、方柱及钢结构支撑均定义为梁单元，考虑到现场采用的是围焊连接，方柱、H型钢及支撑之间都属于可靠连接，所以在模型中各个单元之间的约束形式均设定为刚接，即约束支座X、Y、Z方向的平动位移及空间转角。考虑最不利的加载形式进行模拟，取划分区段的最大竖向内力669kN，装置按一层的构件尺寸进行建模模拟加载。模拟加载时分两种工况，一种为千斤顶预加载时装置的受力状态，另一种为千斤顶卸载时，装置的受力状态。

千斤顶加载工况下，两片装置上作用669kN的荷载计算模型如图8所示，此时669kN荷载都直接作用于千斤顶下方的两个H型钢中部。

图8 MIDAS/Gen装置加载计算模型图

计算结果得出方柱构件长细比为33.5，H型钢构件长细比为19.1，钢支撑构件长细比为81.0，均小于MIDAS的计算结果限值及规范中的要求。轴向应力、弯曲应力、整体稳定以及剪切强度验算均满足计算结果限值要求。

在MIDAS/GEN中设计规范选择《钢结构设计规范》(GB50017-2017)进行验算，钢支撑应力云图如图9所示。从结果可知，最大应力出现于支撑之中。最大应力为152MPa。小于《钢结构设计规范》(GB50017-2017)中Q345级钢材的强度设计值f=310MPa，构件强度满足要求。

图9 装置加载钢支撑应力云图

在MIDAS/GEN中设计规范选择《钢结构设计规范》(GB50017-2017)进行验算，钢支撑位移云图如图10所示。从结果可知，最大位移出现在千斤顶下方的H型钢梁上。最大位移为1.69mm。小于《钢结构设计规范》(GB50017-2017)中对挠度的限值要求l/250（工装按次梁限制考虑）=2.8mm，构件位移满足要求。

图10 装置加载钢支撑位移云图

4.2 置换剪力墙施工楼板支撑验算分析

在置换过程中，拟置换的剪力墙与周围的梁板结构联系紧密，不设置支撑根据之前的计算结果，可以得知梁板结构会产生明显的位移及裂缝，因此需要设置钢管支撑架支撑，保证剪力墙周围梁和板的安全性，同时对上层楼板的荷载进行卸载支撑。一层层高为施工过程中最不利层高，因此验算一层楼板支撑卸载工况。

图11 每片拟拆除剪力墙处支撑架立面示意图

支撑形式为满堂支撑架，立杆的纵距0.8m，立杆的横距0.8m，步距1.5m。一层层高3.57m，板厚180mm，净高度为3.39m。钢管采用Φ48×3.5，A=4.89cm2经计算λ=164，查规范可知，φ=0.265。楼板自重取 4.5kN/m2，施工活荷载 2.5kN/m2，立杆自重0.49kN/m2，施工时立杆分担的工人自重最考虑4kN。因为是室内支撑架，故不考虑风荷载影响。

经验算，σ小于235级钢管立杆的设计应力f=205MPa，钢管支撑架满足安全及使用要求。

图13 一层9/H-K监测测点实测图

5 施工监测内容

5.1 测点布置

用应变片及应变采集仪对每个区段的应变关键点进行监测，利用百分表对每个区段的结构位移关键点进行动态观察。测点位置如下图12所示。其中方形代表应变监测测点，三角形代表位移监测测点。

图12 一层9/H-K监测测点示意图

一层9/H-K剪力墙置换过程中共计布置12个测点，其中7个应变监控测点，5个位移监控测点，布置在板下的测点距离墙体边缘20mm，减少施工时对监测的扰动。布置在连梁的测点，位移测点T12距离墙体边缘为20mm，应变T7测点则远离剪力墙，在连梁的另一端支座附近进行布置。

5.2 剪力墙置换施工监测数据及分析

施工阶段监控项目划分主要为在每个施工区域进行施工置换时，将施工准备期作为初始阶段，将初始值设定为0，其后数值的变化将以此为基础。一、二层的测点实测值如图13所示。

经过数据以及曲线的走势对比可以分析得出，6个贴在板底的应变测点的变化趋势都较为接近，偏差不大，均为增大的压应变，最大值为-134uε；而贴在梁底的应变测点7显示为增大的拉应变，最大值94uε；5个位移测点数值均为不断减小的数值，最大位移差值为-0.82mm。各个测点实测值整体大小及幅值均满足施工安全要求。

6 结论

①综上所述，剪力墙施工在0～3阶段中，应力应变变化及峰值较小，位移差值变化较小，并未产生明显的挠度。同时在单片剪力墙置换施工完成后，用肉眼兼用放大镜的检查方式，检查了周边的梁板构件，并未发现有裂缝产生。说明钢结构卸载装置及钢管支撑架卸载起到了作用，保证了结构的整体施工安全。

②经过MIDAS/GEN与PKPM的计算结果对比可知，两者对墙底内力的计算结果基本吻合，可以认为计算结果能较好的反应该结构目前的受力状态，同时也为后期的支撑卸载提供数值依据。

③从后期的图表反应来看，贴在板底的应变测点多数为增大的压应变，贴在梁底的应变测点均为增大的拉应变；位移测点为不断减小的位移数值；从结果对比看出，整体应变峰值很小，位移差值不明显，结构在置换施工期间没有引起较大的挠度及变形，证明了该加固方案的合理性和可靠性。