種道坦，繩欽柱，牟 強，張建鵬，崔 瓏，李新泰

（山東省建筑科學研究院，山東 濟南 250031）

0 引 言

改革開放以來，我國經(jīng)濟快速增長。近幾年，我國建筑行業(yè)迎來爆發(fā)期，新建建筑數(shù)量呈幾何倍數(shù)增長。新建建筑中，高層住宅建筑占了相當大的比重［1］，而高層住宅建筑中又以剪力墻結(jié)構(gòu)形式居多。隨著新建建筑井噴式增長，種種原因?qū)е碌氖┕べ|(zhì)量問題頻出，混凝土強度達不到設計強度等級要求的現(xiàn)象時有發(fā)生［2］。

目前比較常用的混凝土剪力墻的加固方法有增大截面加固法、置換混凝土加固法、體外預應力加固法、外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材加固法、預應力碳纖維復合板加固法及增設支點加固法等［3］。在上述諸多加固方法中，置換混凝土加固法最為直接有效，尤其對住宅類建筑的加固來說，置換混凝土加固法不改變原有結(jié)構(gòu)形式，對后期使用影響最小，是住宅類建筑的最優(yōu)加固法。當前置換混凝土加固法的實施中以傳統(tǒng)的先支撐后置換的方式居多，置換過程中需要設置大量支撐，經(jīng)濟成本較高。

同濟大學胡克旭等［4］通過嚴格控制剪力墻的軸壓比，采用免支撐分段置換法對某短肢剪力墻高層住宅進行了加固，取得了良好的效果。湖南大學劉雄、山東建筑大學李樹明等通過分期置換加固某框架角柱一小段混凝土的工程實例，分析了施工檢測結(jié)果以及置換加固的效果，試驗結(jié)果表明支撐結(jié)構(gòu)、柱受力鋼筋、混凝土等構(gòu)件的應力變化非常微小，新舊混凝土結(jié)合及協(xié)調(diào)受力良好［5－6］。中國建筑科學研究院李春濤等［7］通過采用免支撐分段置換混凝土法（分三段）對某在建的 31 層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓第 18 層剪力墻混凝土進行置換，通過對剪力墻的合理分段并制定合理的置換順序，嚴格控制施工階段的混凝土墻內(nèi)部應力，實現(xiàn)免支撐分段置換剪力墻混凝土，取得了良好的加固效果。本文通過對多個高層住宅模型計算分析，并結(jié)合已成功施工完畢的一個工程案例，總結(jié)免支撐置換剪力墻混凝土的控制要點及分段原則，以期為相關(guān)的高層剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻混凝土置換工程提供一定的參考，進而達到降低施工成本、提升施工效率、提高施工質(zhì)量的目的。

1 模型計算參數(shù)設置及計算原則

1.1 模型計算參數(shù)設置

目前在建工程的正常施工速度以 6～7 d 施工一層居多?；炷翉姸鹊臋z測多在構(gòu)件混凝土齡期不少于 28 d 以后進行。工程存在某樓層混凝土強度達不到原設計強度等級要求的發(fā)現(xiàn)時機大都在 28 d 左右。模型計算時以置換層上方施工完畢 6 層為前提進行研究。

模型計算時設定工程案例在施工過程中發(fā)現(xiàn)該工程地上1 層 剪力墻混凝土強度按批次推定值為 14.1 MPa，遠低于原設計強度等級的要求，現(xiàn)有其余各樓層混凝土強度推定值均滿足原設計強度等級的要求，擬采用免支撐置換剪力墻混凝土法對該工程 1 層剪力墻混凝土進行置換。

模型在計算時假定置換層上方已施工完畢各樓層填充墻，樓面做法及頂棚等均未施工，故計算時樓面恒荷載僅考慮板自重。在正常情況下剪力墻混凝土置換加固施工時，置換層上方應停止一切與剪力墻混凝土置換施工無關(guān)的作業(yè)，安全起見并結(jié)合部分實際施工情況考慮，模型計算時樓面活荷載按 0.5 kN/m2取值。根據(jù)假定，混凝土構(gòu)件表面抹灰等裝飾層均未施工，混凝土容重按 25 kN/m3取值；置換層剪力墻混凝土強度按 14 MPa 取值，其余各層構(gòu)件混凝土強度均按原設計強度等級取值。由于剪力墻混凝土置換加固施工周期較短，計算時不考慮地震作用及雪荷載，計算時僅考慮荷載的標準值組合并同時考慮風荷載作用。

1.2 計算原則

規(guī)范規(guī)定，剪力墻抗震等級為二級和三級的高層建筑，在重力荷載代表值作用下剪力墻墻肢的軸壓比不宜超過 0.6［8］。在目前已成功的免支撐剪力墻混凝土置換的工程案例中，在計算階段多將墻肢的最大軸壓比控制在 0.50～0.82，參考既有成功案例，本文在研究過程中將墻肢最大軸壓比控制在不超過 0.7。

在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下為確保施工速度，根據(jù)各待置換墻體的長度，在采用分段、分批次置換原則的前提下，剪力墻劃分的單個置換墻肢的長度原則上控制在 700～1 000 mm，對個別自身長度較小的剪力墻的墻肢長度根據(jù)具體情況另行細分考慮，在方案的制定上盡量使待置換墻體在置換時保持墻體自身及整層墻體的對稱性，同時將每段待置換墻體至少分兩次進行置換。對于自身長度足夠長的墻體，采用按不同分批方案對應的分批次數(shù)進行等長度劃分的原則，同時控制單個墻肢長度不小于 500 mm。

2 模型 A 計算

2.1 模型 A 原設計概況

該工程設計為地下 1 層地上 18 層剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎形式為樁基+筏板基礎，樓屋面板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。該工程結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑設計合理使用年限為 50 年，抗震設防烈度為 6 度，設計地震加速度為 0.05 g，設計地震分組為第三組，建筑抗震設防類別為丙類，框架抗震等級為四級，建筑場地類別為 II 類；基礎設計等級為甲級。設計基本風壓為 0.45 kN/m2，基本雪壓為 0.30 kN/m2，地面粗糙度為 C 類。一類環(huán)境下現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件柱、梁為 20 mm，板、墻、殼鋼筋保護層厚度為 15 mm。

2.2 模型 A 設計材料及現(xiàn)狀

基礎墊層為 C 15，筏板為 C 35，地下 1 層～地上 1 層剪力墻為 C 35，梁、板、2 層及以上剪力墻均為 C 30。

該工程現(xiàn)已施工至 7 層（主體結(jié)構(gòu) 7 層現(xiàn)已施工完畢），填充墻尚未開始砌筑。經(jīng)檢測該工程 1 層剪力墻混凝土強度按批次推定值為 14.1 MPa，遠低于原設計強度等級 C35 的要求，現(xiàn)有其余各樓層混凝土強度推定值均滿足原設計強度等級的要求。

2.3 模型 A 結(jié)構(gòu)計算

2.3.1 模型 A 分批方案

對模型 A 共按 3 種分批方案分別進行計算，即單次分別置換整層剪力墻的 1/4、1/3 及 1/2 進行計算，置換材料采用高強無收縮灌漿料，置換用灌漿料抗壓強度等級較混凝土原設計強度等級高一標號，分批方案如圖1～3 所示。

圖1 模型 A 單次置換整層 1/4 剪力墻分批方案

圖2 模型 A 單次置換整層 1/3 剪力墻分批方案

圖3 模型 A 單次置換整層 1/2 剪力墻分批方案

2.3.2 模型 A 分批置換計算結(jié)果

當進行第二～第四批次置換計算時，置換計算批次之前已置換批次（即第一～第三批次）混凝土強度均按置換用灌漿料強度等級的 70 % 考慮，對該工程按28 MPa 考慮。經(jīng)計算，模型 A 各分批方案各批次計算軸壓比計算結(jié)果中的最大軸壓比如表1 所示。模型 A 各分批方案第一批次軸壓比計算結(jié)果如圖4～6 所示。

表1 模型 A 最大軸壓比統(tǒng)計

圖4 模型 A 單次置換整層 1/4 剪力墻分批方案第一批次軸壓比計算結(jié)果（左側(cè)單元）

圖5 模型 A 單次置換整層 1/3 剪力墻分批方案第一批次軸壓比計算結(jié)果（左側(cè)單元）

3 模型 B～E 計算

3.1 模型 B～E 原設計概況

圖6 模型 A 單次置換整層 1/2 剪力墻分批方案第一批次軸壓比計算結(jié)果（左側(cè)單元）

模型 B 原設計為地下 2 層、地上 18 層剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎形式為樁基+筏板基礎，樓屋面板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。該工程結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑設計合理使用年限為 50 年，抗震設防烈度為 7 度，設計地震加速度為 0.10 g，設計地震分組為第三組，建筑抗震設防類別為丙類，建筑場地類別為Ⅲ類；基礎設計等級為甲級。設計基本風壓為 0.45 kN/m2，基本雪壓為 0.35 kN/m2，地面粗糙度為B類。一類環(huán)境下現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件柱、梁鋼筋保護層厚度為 20 mm，板、墻、殼鋼筋保護層厚度為 15 mm。模型 C～E 概況與模型 B 類似，不再贅述。

模型 B～E 均按以下條件假定：置換層上方現(xiàn)已施工完畢 6 層，填充墻尚未開始砌筑。置換層剪力墻混凝土，遠低于原設計強度等級 C 35（C 30）的要求，除置換層外的其余現(xiàn)有各樓層混凝土強度推定值均滿足原設計強度等級的要求。

3.2 模型 B～E 結(jié)構(gòu)計算

對模型 B～E 均按 3 種分批方案分別進行計算，即單次分別置換整層剪力墻的 1/4、1/3 及 1/2 進行計算，置換材料采用高強無收縮灌漿料，置換用灌漿料抗壓強度等級較混凝土原設計強度等級高一標號。

在模型 B～E 的計算過程中，當進行第二～第四批次置換計算時，置換計算批次之前已置換批次（即第一～第三批次）混凝土強度均按置換用灌漿料強度等級的 70 % 考慮。經(jīng)計算，模型 B～E 各分批方案各批次計算軸壓比計算結(jié)果中的最大軸壓比，除模型 B 的 1/2 分批方案的第一批次軸壓比最大值大于 0.7 以外，其余各分批方案的計算結(jié)果均未超過 0.7，計算結(jié)果如表2 所示。

表2 模型 B～E 最大軸壓比統(tǒng)計

4 工程實例

4.1 工程實例概況

工程實例設計為地下 2 層，地上 22 層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，基礎型式為條形基礎，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，結(jié)構(gòu)設計使用年限 50 年?？拐鹪O防烈度為 6 度（0.05 g），設計地震分組為第三組；抗震設防類別為標準設防類；建筑場地類別為 I2 類。該工程剪力墻及框架抗震等級均為四級。該工程基礎墊層混凝土強度等級為 C 15，基礎底板及樓梯混凝土強度等級為 C 30，地下2～7 層剪力墻混凝土設計強度等級 C 40，8～12 層剪力墻混凝土設計強度等級 C 35，13 層～機房層剪力墻混凝土設計強度等級 C 30，各層梁板混凝土設計強度等級均為 C 30。

該工程施工至地上主體 10 層時發(fā)現(xiàn) 2 層墻體混凝土強度較低，不滿足設計要求。采用置換法對該工程 2 層墻體進行加固，設計考慮上部 8 層荷載。

4.2 工程實例分批方案

對工程實例 2 層剪力墻混凝土共分 4 批進行置換，即單次分別置換整層剪力墻的 1/4，在分段時考慮施工周期，對分批進行了優(yōu)化，總體原則上將單段墻體控制在 800～1 000 mm之間，然后根據(jù)各墻體的自身長度不同按分批次數(shù)進行等長度劃分。在置換順序上，對單段墻體的置換均考慮分兩次進行，通過對墻體的合理安排，使墻體的置換盡量保持墻體的左右對稱（東西向），在南北向上作同樣考慮。置換材料采用高強無收縮灌漿料，置換用灌漿料抗壓強度等級較混凝土原設計強度等級高一標號，分批方案如圖7 所示。

圖7 工程實例剪力墻混凝土置換分批方案（單次置換整層1/4）

4.3 工程實例免支撐分批置換結(jié)果

經(jīng)計算，工程實例在進行第一～第三批次剪力墻混凝土置換時最大軸壓比分別為 0.64、0.34、0.63。剪力墻的置換分 4 個階段進行。在置換方案確定以后，施工主要分 6 步進行：①在待置換墻體周邊梁底設置支撐；②拆除第一階段置換剪力墻混凝土并及時澆筑；③進行第二～第四階段剪力墻混凝土置換施工；④待新澆筑混凝土達到一定強度后拆除置換墻體周邊梁底支撐。具體施工過程如下所述。

為安全起見，在置換施工開始前，針對工程案例制定了一套應急預案。墻體拆除時的臨時支撐方案，以應對現(xiàn)場的突發(fā)情況，設置時使桿件處于未受力狀態(tài)，作為安全儲備，以應對緊急狀況，整個置換施工過程按免支撐方案進行。同時選取其中一道墻體（11/B～E 軸間剪力墻），在置換施工開始前在該墻體兩側(cè)中部的支撐鋼管中各選取其中一道豎向鋼管下部分別放置一臺千斤頂，并在千斤頂上方安放壓力傳感器記錄該墻體混凝土拆除前后支撐的受力狀況。與此同時，在 11/B～E 軸間剪力墻置換施工時，其余墻體均按既定方案同步進行施工。經(jīng)監(jiān)測，在墻體置換過程中傳感器顯示的數(shù)據(jù)基本無變化，現(xiàn)場如圖8～10 所示。11/B～E 軸間剪力墻置換過程中臨時支撐受力變化過程如表3 所示。

5 結(jié) 論

圖8 現(xiàn)場安放壓力傳感器墻體

圖9 壓力傳感器安放于支撐管件底部

圖10 置換墻體

表3 11/B～E 軸間剪力墻置換過程第一階段臨時支撐受力統(tǒng)計

住宅中剪力墻混凝土強度等級不滿足原設計強度等級而導致墻體的承載力不滿足設計要求，必須進行加固處理，而置換混凝土加固方法是最優(yōu)解，通過對置換混凝土墻體的合理分段，嚴格控制墻肢的軸壓比，可實現(xiàn)免支撐置換剪力墻混凝土的施工。

通過對工程實例的剪力墻臨時支撐的受力監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，在剪力墻墻肢的拆除及新混凝土澆筑過程中，臨時支撐管件的受力及力的變化相較墻肢的受力可以忽略不計，在剪力墻混凝土置換施工的整個過程中，臨時支撐均處于非受力狀態(tài)。置換方案中的墻肢承擔了全部的上部荷載，沒有力傳至臨時支撐上。在工程實例中的整個置換施工過程中，該工程各墻肢及周邊梁、板及上下層相關(guān)及相鄰剪力墻、梁及板等構(gòu)件均未發(fā)現(xiàn)異常變形及受力破壞現(xiàn)象，各構(gòu)件均工作正常。工程實例的 1/4 分批方案置換工作進展順利，施工達到預期效果，得到該工程建設、監(jiān)理等各方的一致好評，該分批方案的免支撐置換剪力墻方法得到認可。

工程實例中的免支撐方案提高了置換施工的速度，節(jié)約了支撐材料，縮短了施工周期，并在置換施工過程中保證了結(jié)構(gòu)的安全，為免支撐置換剪力墻混凝土方法做了示范，可為類似工程提供參考，該方法安全可行。目前該方法已有多個成功案例，需進行剪力墻混凝土置換的工程可參考使用該方法，該方法的使用對節(jié)約成本大有益處。