某框架-剪力墙结构建筑的剪力墙混凝土置换设计

刘邵敏 （广州华特建筑结构设计事务所（普通合伙），广东 广州 510000）

1 工程概况

某建筑为一幢29层住宅楼，其中地上27层、地下2层。该建筑物结构形式为框架-剪力墙结构，目前主体结构已经施工完成，分隔墙体也已砌筑完成，施工外架尚未拆除，其他建筑装修、装饰也暂未进行施工。

该建筑十三层剪力墙混凝土原设计强度为C25，现发现该建筑物第十三层共计20片剪力墙混凝土强度不能满足设计要求，严重影响剪力墙承载力，因此需要对强度不满足要求的剪力墙进行混凝土置换设计，以满足后续安全使用要求。本次所有需要进行混凝土置换的剪力墙位置均由委托单位指定。十三层剪力墙原设计厚度为250mm，楼层高度为3.0m。

2 设计思路

2.1 托换平台设计

在需置换剪力墙位置的十四层和十二层分别设置上、下两个托换平台，托换平台与原剪力墙之间通过凿毛进行新旧混凝土界面处理，并通过该界面完成竖向荷载的有效传递。为减少因凿毛而导致剪力墙承载力的降低，本次设计剪力墙的凿毛深度为6mm～8mm。托换平台混凝土强度等级为C30。托换平台平面大样如图1所示，托换平台剖面大样如图2所示。

图1 托换平台平面大样图

图2 托换平台剖面大样图

2.2 支撑设计

在上、下托换平台之间设置钢管千斤顶支撑，并辅以单支顶支撑。钢管千斤顶支撑由螺旋千斤顶和钢管支撑组成，单支顶支撑由小钢管和可调顶托组成。单支顶支撑在需要进行混凝土置换的剪力墙受荷范围之内采用满堂布置，单支顶支撑布置的楼层范围为第11层至第15层，支撑体系剖面示意如图3所示。

图3 支撑系统剖面示意图

2.3 混凝土置换设计

本次共有20片剪力墙混凝土需要进行置换，根据委托单位指定的需置换剪力墙的分布情况，采用分区分批对指定的强度不满足设计要求的剪力墙混凝土进行置换。所需置换的20片剪力墙共分为3个批次进行置换施工，分批置换时，每个批次所置换的剪力墙应尽量分散且分布均匀。所置换混凝土强度等级为C30。

2.4 置换施工顺序

置换施工的施工顺序为布置小钢管支撑→浇筑上、下拖换平台→布置钢管千斤顶支撑→拆除第一批需置换剪力墙混凝土→重新浇筑第一批需置换剪力墙混凝土→拆除第二批需置换剪力墙混凝土→重新浇筑第二批需置换剪力墙混凝土→拆除第三批需置换剪力墙混凝土→重新浇筑第三批需置换剪力墙混凝土→拆除钢管千斤顶支撑→拆除上、下托换平台→拆除小钢管支撑。所需注意的是钢管千斤顶支撑布置前，上、下托换平台混凝土强度需达到设计要求；第二批需置换剪力墙原混凝土拆除前，第一批置换的剪力墙混凝土强度需达到设计要求，后续批次剪力墙置换时混凝土强度均按此要求；钢管千斤顶支撑拆除前，所支撑位置剪力墙置换的混凝土强度需满足设计要求。

2.5 变形监测

在置换施工过程中，需加强竖向变形监测，同时需要对托换平台以及与被置换剪力墙相关的结构构件的裂缝和变形进行观测。剪力墙混凝土置换过程中要求竖向变形值小于2mm，最大裂缝宽度不超过0.1mm。

3 设计计算

3.1 计算模型及荷载取值

剪力墙置换设计过程中采用原结构计算模型，由于该建筑物主体结构虽已建造完成，但未进行装修施工，也还未投入使用，因此托换设计时，十三层及十三层以上各层楼面附加恒载和楼面活荷载均可不予考虑（取0kN/m2），分隔墙体已经砌筑完成，所有墙体荷载仍然考虑，外脚手架荷载折算成墙体饰面层荷载考虑。

3.2 钢管千斤顶支撑数量的计算

本次设计采用钢管千斤顶支撑的型号为以下两种：

①32吨千斤顶配套168×5mm钢管,承载力设计值为250kN；

②50吨千斤顶配套219×10mm钢管，承载力设计值为400kN。

根据《既有建筑混凝土结构改造设计规范》（送审稿）钢管千斤顶支撑数量计算如计算式（1）所示：

式中：n为钢管千斤顶支撑数量

N为墙底轴力设计值

R为钢管千斤顶支撑承载力设计值

3.3 托换平台计算

托换平台设计计算包括平台受弯承载力计算、新旧混凝土界面承载力计算、界面受剪钢筋承载力计算，托换平台计算简图如图4所示。

图4 托换平台计算简图

根据《混凝土结构设计规范》6.2节进行托换平台受弯承载力计算，根据《既有建筑混凝土结构改造设计规范》（送审稿）6.2节进行新旧混凝土界面承载力、界面受剪钢筋承载力计算。

4 设计注意事项

①钢管支撑承载力计算时，应考虑长细比的影响。钢管千斤顶支撑布置时，上下钢管支撑位置应对齐，且钢管千斤顶支撑在托换平台上布置应尽量分布均匀。为应付施工期间的突发情况，在钢管千斤顶支撑旁边，应准备足够数量的千斤顶以进行应急替换。

②托换平台宜设计为梁式平台，梁式平台整体性更好，使得上部荷载能够均匀有效的分布到每个钢管千斤顶上。

③原剪力墙混凝土拆除时，应注意对原剪力墙钢筋的保护，置换混凝土浇筑前，应全面检查原剪力墙钢筋的直径、平直、锚固等损伤情况，对不满足要求的钢筋进行调整，对损坏严重的钢筋应进行替换。

④托换平台受力钢筋穿过原剪力墙时，会对原剪力墙承载力产生削弱，因此，托换平台受力钢筋分布间距不宜过小，间距可取150mm～200mm，如受力钢筋配筋量大，可采用分层布置，上下层钢筋竖向间距可取100mm～150mm。钻孔植筋时也宜分批进行，尽量减少施工过程中对原结构承载力的削弱。

⑤托换平台拆除时，应采用切割或其他震动小的拆除方法，以减少对其他结构构件的损伤。托换平台拆除后，原剪力墙凿毛面应采用钢丝网聚合物砂浆进行修复。

5 结语

目前，因混凝土质量缺陷导致结构构件承载力不满足要求的问题比较常见。在进行混凝土置换设计和施工过程中，竖向承重构件的混凝土置换难度大于水平构件的混凝土置换，当需置换构件上部楼层较多、荷载较大时，置换设计和施工难度更大也更为繁琐。本文所述案例为典型的置换构件上部楼层较多、荷载较大的类型，文中从设计计算、施工顺序、设计和施工注意事项等方面阐述了一种有效的剪力墙混凝土置换设计方法，可以为以后类似工程设计和施工提供参考。