剪力墙结构建筑的剪力墙混凝土置换设计——以湖南某工程为例

朱双全

（湖南大学设计研究院有限公司，长沙410085）

1 引言

城市化建设进程中，高层住宅不断涌现，采用剪力墙结构体系的高层住宅数量也在持续增多。对于采用剪力墙结构体系的高层住宅来说，工程施工质量控制水平、地方商业混凝土生产水平均对剪力墙混凝土强度有较大的影响，易引发剪力墙混凝土强度不足问题。基于此，探索剪力墙结构建筑的剪力墙混凝土置换设计方法具有非常重要的意义。

2 工程概况

湖南某工程位于长沙市天心区，与橘子洲相邻，周边交通便利。工程总建筑面积为305621.5 m2，为地上30层+地下1层剪力墙结构。地基基础为机械钻孔嵌岩桩基础，主体结构为剪力墙结构，外层铺装形式为外墙贴面砖，该工程主要施工内容为施工测量、基础土石方施工、土方回填、基础垫层施工、钢筋工程、模板工程、混凝土工程、后浇带施工、预留洞施工、幕墙工程等。重难点部分为系统穿插管理以及混凝土工程，基础垫层混凝土强度等级为C15；地上14层以下墙柱、地下室承台底板地梁混凝土强度等级为C35；地下室外墙与地下室剪力墙混凝土强度等级为C55；1～5层剪力墙设计强度为C55；地上梁板混凝土强度为C30，在地上施工至7层时，检查发现1～4层剪力墙混凝土出现强度不足情况，需进行混凝土置换设计。

3 设计思路

置换混凝土加固法主要是在一定深度范围内将原有构件强度较低、存在缺陷的混凝土剔除，在原有构件露出坚实表面后，进行结合面处理，并采用高三级或四级的混凝土进行重新局部浇筑，促使原构件承载力提高，达到目标水平[1]。传统的置换法需要完全卸除构件荷载进行混凝土的一次性置换，但考虑到剪力墙结构卸载难度较大，且该工程竖向安全储备处于较高水平，可选择混凝土分期置换法，即分期次将缺陷混凝土逐次置换，并在每一期次混凝土置换前利用现有混凝土构件配合少量支撑，顺利向下层结构转移原构件所承受竖向荷载，规避传统托换时承载力过大、截面过长、构件工作量大、成本高、工序复杂等问题。同时，由于置换混凝土加固法未对剪力墙混凝土结构截面尺寸造成影响，不需要对加固结构进行重新验算。但是，因置换加固阶段存在结构风险，需要以原有墙体分阶段剔除、新旧混凝土结合截面处理为重点，落实置换过程结构安全、新旧混凝土黏结成一个整体等目标，降低结构形状异变或裂缝过多、稳定度丧失问题出现的概率[2]。

具体设计思路为：置换剪力墙支撑是对剪力墙周边梁板支撑卸载，上部剪力墙荷载由自身凿除后剩余部分剪力墙提供支撑作用。顶撑力施加时，需要根据支撑平面在置换剪力墙上进行支撑位置的分段切割，同时，利用对拉螺栓以及黏钢胶将支撑槽钢上端、下端分别与上层、下层墙体连接。在这个基础上，依据先支撑后拆除的顺序重新建模计算，寻找薄弱环节重点置换。依据流水施工要求，可以将剪力墙混凝土结构部划分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区3个区域，进而将各区域划分为①、②、③3个分段（见图1）。首先，进行Ⅰ区①段混凝土拆除，浇筑Ⅰ区①段混凝土的同时进行Ⅱ区①段混凝土拆除，浇筑Ⅱ区①段混凝土的同一时刻进行Ⅲ区①段混凝土拆除，循环开展至第一轮置换完成。在第二轮置换时，进行Ⅰ区②段混凝土拆除，浇筑Ⅰ区②段混凝土的同时进行Ⅱ区②段混凝土拆除，浇筑Ⅱ区②段混凝土的同一时刻进行Ⅲ区②段混凝土拆除，进行Ⅲ区②段混凝土浇筑的同时，开展I区③段混凝土拆除，逐次开展，至Ⅲ区③段混凝土浇筑完成，并保证每一轮拆除前上一轮浇筑混凝土强度在设计强度的100%以上。拆除时，可根据剪力墙混凝土强度下降的情况，以拆除后剪力墙沉降变形小于1.0 mm为标准，选择风钻、风镐等轻型拆除工具或者静态破碎技术将剪力墙混凝土拆除。

图1 分段拆除置换顺序

4 具体设计

4.1 局部支撑

考虑到混凝土剪力墙是一个典型的竖向连续受力构件，因此，在地上1层、2层拆除时，需采取有效支撑，确保上部荷载顺利向下部传递[3]。拟选择25b热轧普通槽钢作为支撑件，在进行Q235B级的2根槽钢对称放置后，利用焊接板将对称的2根槽钢焊接成格构柱，并进行虚轴长细比换算，保证每根格构柱支撑承受的轴心应力能够达到1 500 kN。同时，根据墙肢所承受的竖向力，并结合每根格构柱支撑的承载力，确定每段墙肢格构柱的支撑数量、槽钢数量、布置方案。本次拟选择8根格构柱支撑，16根槽钢，格构柱支撑沿墙肢布置，最大净距离为1.55 m，最小净距离为0.6 8 m。以此为基础，采用对穿螺栓完成槽钢、剪力墙结构的安全固定，对穿螺栓选择5.6级普通双面剪切螺栓，直径为24.00 mm，数量为10个，上下端对称布置，并利用结构胶填充槽钢、混凝土墙间隙，保证每个螺栓的抗剪承载力能够达到180.0 kN，且每个螺栓孔位置混凝土抗压承载力能够达到140.0 kN。

4.2 墙体分段拆除

依据预先制定的分段置换顺序，分3个批次拆除混凝土。同时，为保证施工期间结构稳定无风险，需要在考虑每个批次拆除时本批次已浇筑混凝土强度的情况下，在用PKPM软件建立的模型中，对各批次工况开展结构承载力验证性计算[4]。拆除混凝土时，利用小型振动锤配合人工钎子，轻敲、轻拆，尽可能地减少对原结构的振动冲击，保证原剪力墙混凝土结构内部钢筋的完整性。同时，在拆除剪力墙两端混凝土时，根据与之相连接的梁的临时支撑情况，可以将新浇筑混凝土达到设计强度100%及以上视为拆除节点。

4.3 界面处理

在混凝土面浇筑施工时，首先进行凿毛处理，处理后进行混凝土表面润湿并将浮动、疏松混凝土清除[5]，进而均匀涂刷界面剂，保证结合面施工质量达到原剪力墙结果混凝土质量标准。

4.4 混凝土浇筑

依据既定顺序进行新混凝土浇筑，与混凝土拆除形成流水施工模式。浇筑前，需要按照置换施工图进行模板支设。即利用螺栓将定制板材（与墙体置换实际尺寸相符）穿过墙体后经燕尾卡扣固定，同时，调整墙体厚度尺寸，使墙体厚度尺寸达到200.00 mm，且确保墙体1/2高度范围内对拉螺栓间距小于0.50 m。调整后，开设“喇叭”形状的进料口（高于楼板150.0 mm，宽度约120.0 mm）。将灌浆材料灌注至进料口，边灌注边利用橡胶锤轻轻敲打模板，保证顶部、梁、楼板灌注密实[6]。灌注后及时养护，保证每一批次混凝土抗压强度能够达到C55。

5 注意事项

5.1 科学选择置换用混凝土材料

置换用混凝土强度一般需要高于原混凝土强度3级或4级，不应过高[7]。为了科学确定置换用混凝土强度，技术人员可以根据GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》中关于工程混凝土材料强度等级的计算公式进行计算：

式中，N为构件加固后轴向压力设计值；φ为受压构件的稳定系数，可以根据现行国家标准GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的规定取值；fc0、fc、fy分别为原构件混凝土抗压强度设计值、新浇筑混凝土抗压强度设计值、纵向钢筋抗压强度设计值；AC0、Ac、As分别为原构件截面扣除置换部分的剩余截面面积、新浇筑混凝土截面面积、构件内全部受压纵筋的横截面面积；ac为新浇筑混凝土强度利用系数，一般在置换过程没有顶支撑措施时，需取值0.8 ，而在置换过程中采取了富有效力的顶部支撑措施时，可以取值1.0 。

鉴于该工程加固的主要目的是在构件尺寸不变的情况下满足以往设计结构的强度要求，此时，轴向压力设计值没有变化，原剪力墙混凝土强度设计值为C55，抗压强度设计值为25.3 N/mm2，加固过程直接卸载难度较大，置换过程剪力墙周边具有顶部支撑，因此，取0.8 。将上述数据代入式（1）后可以得出：新浇筑混凝土抗压强度的80%大于原构件混凝土强度设计值，原构件混凝土强度设计值为18.5 N/mm2，而C75混凝土强度的80%为25.44 N/mm2。因此，可以选择置换加固用混凝土材料强度为C75。在混凝土材料强度确定后，根据新旧材料结合面有效连接问题，结合工程施工作业空间小、混凝土振捣不易特点，可以选择兼具自流性高（＞280mm）、微膨胀、早强高强（72 h内抗压强度＞35MPa）、与原混凝土墙体相容性好、强度高、无收缩水泥基灌浆材料作为置换加固用材料。

5.2 确定最佳拆除开洞尺寸

开洞是分段拆除的第一步，其对以往墙体结构具有一定的干扰。为了确定最大墙体开洞尺寸，可以用ETABS软件对剪力墙实际受力情况进行模拟。模拟时，选择截面最长、受力最大的墙段，截面尺寸为7 000mm×150mm，分别开凿400mm×3 000mm、600mm×3 000mm的洞口，利用有限元静态分析进行结构静力计算，得出洞口尺寸为400mm×3 000mm时，最大拉应力为1.42 N/mm2，最大压应力为8.01 N/mm2，洞口上边缘最大变形量为0.15 mm；洞口尺寸为600mm×3 000mm时，最大拉应力为1.62 N/mm2，最大压应力为11.08 N/mm2，洞口上边缘最大变形量为0.25 mm。由上述数据可知，洞口上方混凝土水平方向承受的拉力与洞口尺寸呈正相关，洞口尺寸超过400mm×3 000mm时，部分混凝土拉应力大于混凝土抗拉强度设定水平，引发墙体底部竖向开裂问题，进而出现洞口上方墙体形状异变，加剧下部钢筋变形风险。因此，应将洞口尺寸控制在400mm×3 000mm以内。同时，考虑到开洞间距对结构的干扰，选取不同间距对剪力墙竖向应力进行分析，得出1 600mm开洞间距的墙体最大竖向应力为7.5 N/mm2，应控制开洞间距在1 600mm以内，以规避因结构开洞间距过大而引发的裂缝、变形风险。

6 结语

综上所述，置换混凝土加固法可以在保证原有构件尺寸一定的情况下直接提高构件承载力，但也存在易损伤原构件钢筋混凝土、加固周期长等风险。因此，施工前技术人员应以新旧混凝土结合处理为重点，全面分析施工阶段原结构承载力状态。进而对剪力墙周边梁板荷载进行有效支撑，然后进行卸载，以保证建筑物孔洞、蜂窝、强度低、疏松等问题可以得到有效处理，提高建筑物质量。