某高層住宅混凝土強(qiáng)度不足的加固處理

姚雷，吳小民，尹政雯，陶箴云，張紅梅

（重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016）

1 工程概況

某工程為高層剪力墻結(jié)構(gòu)，位于貴州省貴陽市，地上28 層，地下1 層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3m，嵌固部位為基頂，抗震設(shè)防烈度為6 度（0.05g），設(shè)計(jì)分組第一分組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，抗震等級(jí)為三級(jí)。原設(shè)計(jì)-1～5F 層剪力墻混凝土等級(jí)為C60，梁混凝土等級(jí)為C30。

工程施工至地上7層 時(shí)，發(fā) 現(xiàn) 第1、2 層（±0.000～6.000 標(biāo)高范圍）梁與剪力墻節(jié)點(diǎn)交接處（剪力墻中樓層板面標(biāo)高至與其連接梁的梁底標(biāo)高范圍，如圖1 所示）混凝土按梁混凝土等級(jí)C30進(jìn)行澆筑。經(jīng)檢測(cè)單位實(shí)體檢測(cè)，此處混凝土推定強(qiáng)度為30.1～33.6MPa（齡期已超過28 天），遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)要求。為保證剪力墻承載力滿足要求，安全投入使用，故對(duì)該工程存在質(zhì)量缺陷的混凝土墻體進(jìn)行加固處理。

圖1 剪力墻強(qiáng)度不足區(qū)域示意圖

2 加固設(shè)計(jì)方案的比選

2.1 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀受力狀況分析

該工程目前處于停工狀態(tài)，樓層內(nèi)隔墻、建筑面層等均未實(shí)施。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，樓面恒荷載（不含構(gòu)件自重）取0.5 kN/m2，活荷載取1.0 kN/m2（考慮施工荷載等因素），第1、2 層剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C30 進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果顯示墻肢軸壓比在0.10～0.18 之間，剪力墻配筋值也在原設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，現(xiàn)階段（工程停工狀態(tài)）主體結(jié)構(gòu)安全。

2.2 加固方案選擇

由于該工程已施工至第7 層，為降低社會(huì)影響及經(jīng)濟(jì)損失，擬對(duì)混凝土強(qiáng)度不足部位進(jìn)行加固處理。加固處理方法有增大截面法、置換混凝土法、粘鋼法、粘碳纖維法等[1]。

增大截面法工藝簡單，費(fèi)用較低，工期較短，構(gòu)件承載力及剛度提高幅度大，但加固后房屋有效面積減少，且對(duì)使用功能有一定影響。置換混凝土法不侵占原有建筑使用空間，但施工難度較大，對(duì)原有鋼筋有較大損傷，對(duì)施工單位的綜合素養(yǎng)要求高，費(fèi)用較高，工期較長，必要時(shí)需專設(shè)支撐系統(tǒng)。粘鋼法、粘碳纖維法工藝簡單，費(fèi)用較低，工期較短，但是存在植筋膠耐久性問題、影響業(yè)主裝修問題及物業(yè)管理風(fēng)險(xiǎn)問題等，一般在新建住宅建筑加固中較少使用。

經(jīng)反復(fù)權(quán)衡，確定加固原則為：加固不得影響建筑內(nèi)部空間和使用功能，盡量選用施工周期短、成本低的加固方法。根據(jù)以上原則，保障建筑使用功能成為首要任務(wù)，優(yōu)先采用混凝土置換法[2]。但剪力墻是保證結(jié)構(gòu)豎向和水平受力安全的最重要部位，此處鋼筋多且密，若全部采用混凝土置換法，施工難度大，對(duì)原結(jié)構(gòu)鋼筋也有較大損傷，置換在所有剪力墻內(nèi)部形成較多冷縫，存在降低主體結(jié)構(gòu)安全性的風(fēng)險(xiǎn)，且施工周期較長。故結(jié)合工程實(shí)際情況，采取增大截面法和置換混凝土法相結(jié)合的加固方式，對(duì)影響建筑內(nèi)部空間和使用功能的剪力墻采用置換法，對(duì)不影響空間和使用功能的剪力墻采用增大截面法，具體如圖2 所示。

圖2 豎向構(gòu)件加固方案圖

置換法采用無支撐分段置換方式[3]，材料為具有流動(dòng)性好、自密性高、早期強(qiáng)度高、低收縮等優(yōu)點(diǎn)的高強(qiáng)灌漿料。施工過程中加強(qiáng)質(zhì)量控制，盡量降低冷縫帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)在冷縫界面處增設(shè)抗剪連接鋼筋。增大截面法增大了構(gòu)件的結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)置換法引起的冷縫問題具有主體結(jié)構(gòu)補(bǔ)償作用，且施工周期較短。

3 加固關(guān)鍵點(diǎn)分析

3.1 置換分段與施工順序

該工程對(duì)第1、2 層部分剪力墻進(jìn)行混凝土置換處理。為保證置換施工期間的結(jié)構(gòu)安全和施工效率，經(jīng)計(jì)算，每個(gè)墻肢分三段進(jìn)行置換。以典型墻肢Q1、Q2、Q3（平面位置見圖2）分段長度和分段批次為例，具體方案如圖3 所示。

圖3 典型墻肢分段分批方案圖

如圖4—圖7 所示，第1 段混凝土鑿除后，剪力墻軸壓比在0.15～0.44 之間；第1 段置換完成，第2 段混凝土鑿除后，剪力墻軸壓比在0.18～0.32 之間；第2 段置換完成，第3 段混凝土鑿除后，剪力墻軸壓比在0.19～0.32 之間。此外，主體結(jié)構(gòu)配筋也滿足內(nèi)力計(jì)算要求，整個(gè)置換過程大多數(shù)剪力墻軸壓比在0.22～0.3 之間，表明置換過程中結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)，且具有足夠的安全儲(chǔ)備，該置換方案合理可行。

圖4 置換前剪力墻軸壓比

圖5 第1段鑿除后剪力墻軸壓比

圖6 第2段鑿除后剪力墻軸壓比

圖7 第3段鑿除后剪力墻軸壓比

在剪力墻混凝土置換施工前，應(yīng)控制好樓面荷載，確保不超過設(shè)計(jì)要求值，對(duì)置換剪力墻周邊影響范圍內(nèi)的梁板加設(shè)臨時(shí)支撐。分段鑿除剪力墻缺陷混凝土?xí)r，應(yīng)確保鑿除界面橫平豎直。安裝智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。澆筑灌漿料前應(yīng)對(duì)剪力墻鋼筋進(jìn)行修整，確保符合規(guī)范要求，若施工過程中存在損傷、截?cái)嗟痊F(xiàn)象，應(yīng)由設(shè)計(jì)出具處理方案后方可進(jìn)行下一步工序。置換施工流程圖如圖8 所示。

圖8 剪力墻置換混凝土施工流程圖

3.2 整體指標(biāo)、內(nèi)力及配筋分析

為保證工程安全，加固工程完工后，方可開展上部結(jié)構(gòu)施工活動(dòng)。原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)與加固處理后的整體指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表1、圖9、圖10 所示。結(jié)果表明，加固后的結(jié)構(gòu)相對(duì)于原設(shè)計(jì)，剛度略有變大，周期及結(jié)構(gòu)位移略有減小，但幅度有限，在6%以內(nèi)。加固后結(jié)構(gòu)各項(xiàng)整體指標(biāo)滿足規(guī)范要求，且與原設(shè)計(jì)相近。已施工的第3—7 層部分,構(gòu)件截面和配筋滿足加固計(jì)算模型的要求，不需要再行處理。

表1 加固前后指標(biāo)對(duì)比

圖9 加固前后層間位移角對(duì)比

圖10 加固前后地震剪力對(duì)比

此外，由于增大截面法加固的剪力墻剛度較大，承擔(dān)的水平地震力有所增加，置換混凝土法加固的剪力墻承擔(dān)的水平地震力有所下降，表明采用增大截面法與置換混凝土法相結(jié)合的方式，相對(duì)于完全采用置換法，降低了置換法剪力墻（有冷縫問題）的地震風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)安全性具有補(bǔ)償作用。

3.3 置換混凝土法施工階段驗(yàn)算

該工程加固施工時(shí)，主體結(jié)構(gòu)已完工7 層，還存在21 層未施工。由于剪力墻采用分三段、三批置換，第1 批置換的混凝土最早承擔(dān)已施工部分的荷載，第3 批則最后承擔(dān)，由于存在分批時(shí)間差，導(dǎo)致剪力墻內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力滯后現(xiàn)象，截面內(nèi)應(yīng)力并非近似均勻分布[5]。工程竣工交付業(yè)主正常使用階段，存在應(yīng)力滯后的剪力墻將一同承擔(dān)上部21 層荷載以及整樓的隔墻荷載、活荷載、附加恒載等。對(duì)此，該工程采用SAP2000 軟件以剪力墻Q1 為例進(jìn)行詳細(xì)分析，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。采用厚殼單元模擬剪力墻，墻底設(shè)置固定支座，樓層標(biāo)高處設(shè)置僅約束剪力墻水平位移的鉸支座（模擬樓板對(duì)剪力墻的約束），墻頂根據(jù)SATWE 計(jì)算結(jié)果施加豎向節(jié)點(diǎn)荷載，加固階段剪力墻Q1 總荷載為1680kN（平均軸壓比按C30 計(jì)算為0.15，平均壓應(yīng)力為2.10MPa），正常使用階段總荷載為11400kN（平均軸壓比按C60 計(jì)算為0.52，平均壓應(yīng)力為14.25MPa）。SAP2000 計(jì)算模型如圖11—圖13 所示。

圖11 Q1三維模型

圖12 加固階段荷載

圖13 使用階段附加荷載

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知（圖14—圖19），剪力墻Q1 應(yīng)力滯后現(xiàn)象明顯，第1 批置換的混凝土應(yīng)力最大為5.40MPa，第2 批置換的混凝土應(yīng)力最大為13.20MPa，第3 批置換的混凝土應(yīng)力最大為15.60MPa，全截面應(yīng)力分布為0.00～15.60MPa，平均應(yīng)力為2.10MPa，最大應(yīng)力為15.60MPa，小 于C60 混 凝 土 設(shè) 計(jì) 值27.50MPa（第3 階段已全部置換為高強(qiáng)灌漿料）。整個(gè)過程中C30區(qū)段的混凝土壓應(yīng)力未超過4.10MPa，小于C30 混凝土的設(shè)計(jì)值14.30MPa，表明加固過程中剪力墻始終處于安全狀態(tài)。

圖14 置換前壓應(yīng)力

圖15 第1段鑿除壓應(yīng)力

圖16 第2段鑿除應(yīng)力圖

圖17 第3段鑿除應(yīng)力圖

圖18 第3段澆筑應(yīng)力圖

圖19 正常使用階段應(yīng)力圖

正常使用階段，剪力墻絕大部分應(yīng)力分布在12.60～15.40MPa范圍內(nèi)，小于C60 混凝土軸力設(shè)計(jì)限值16.50MPa（按軸壓比0.60計(jì)算）；剪力墻極少部分存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為26.60MPa，小于C60 混凝土設(shè)計(jì)值27.50MPa。分析結(jié)果表明，正常使用階段剪力墻處于安全狀態(tài)。

3.4 澆筑混凝土施工及質(zhì)量檢測(cè)

澆筑混凝土或高強(qiáng)灌漿料前需先設(shè)置模板，并在墻模板頂部設(shè)置安裝進(jìn)料口，進(jìn)料口應(yīng)設(shè)置成凸出的楔形，澆筑口應(yīng)高于原樓面300mm，澆筑時(shí)應(yīng)將澆筑口澆滿，待拆模后再將凸出部位剔鑿至與樓面齊平?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)應(yīng)頂緊原混凝土，模板接縫需嚴(yán)密，具有足夠的剛度?；炷林脫Q施工完成后，應(yīng)對(duì)成型混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，按規(guī)范驗(yàn)收[6]，確保符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文通過工程實(shí)例，介紹了增大截面法和置換混凝土法在高層住宅加固處理中的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及建筑需求等因素，制定了合理的加固方案，既保證了結(jié)構(gòu)安全，又兼顧了施工效率和經(jīng)濟(jì)性。采用SATWE 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)加固前現(xiàn)狀、加固施工階段、工程竣工交付業(yè)主正常使用階段的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了分析；采用SAP2000 軟件詳細(xì)研究了分段置換過程中產(chǎn)生的剪力墻截面應(yīng)力滯后現(xiàn)象。得到了如下結(jié)論：

（1）當(dāng)建筑出現(xiàn)大量剪力墻構(gòu)件（如整層剪力墻構(gòu)件）混凝土強(qiáng)度不足的質(zhì)量問題時(shí)，可采取增大截面法和置換混凝土法相結(jié)合的方法進(jìn)行加固；

（2）增大截面法造成主體結(jié)構(gòu)剛度增大，應(yīng)對(duì)加固完成后的整體指標(biāo)和構(gòu)件設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，保證結(jié)構(gòu)安全；

（3）通過分析，可合理制定無支撐置換剪力墻的分段數(shù)量、置換順序，做到安全、經(jīng)濟(jì)。除應(yīng)計(jì)算置換過程中和置換后構(gòu)件的承載力需求外，還應(yīng)對(duì)截面應(yīng)力滯后現(xiàn)象進(jìn)行分析，確保構(gòu)件的安全性。