既有建筑剪力墻擴(kuò)門洞鑒定及加固設(shè)計(jì)分析

張長(zhǎng)雷 （安徽省建設(shè)工程測(cè)試研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230051）

1 引言

在新建高層建筑中，因建筑功能要求需要在剪力墻開設(shè)洞口時(shí)，建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)會(huì)在開洞前密切配合，結(jié)構(gòu)工程師通常采取增設(shè)暗柱（邊緣構(gòu)件）、暗梁或增加加強(qiáng)鋼筋補(bǔ)強(qiáng)剪力墻的抗剪承載力[1]。但在既有建筑使用過(guò)程中，時(shí)有剪力墻局部開洞的要求，此時(shí)，剪力墻既是結(jié)構(gòu)的主要豎向和抗側(cè)力構(gòu)件，也是結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，其邊緣構(gòu)件、連梁在改善結(jié)構(gòu)延性、提高剪力墻的抗震能力等方面具有重要作用。在對(duì)剪力墻局部區(qū)域改造開洞，將很大程度降低原剪力墻的安全性及抗震性，對(duì)此，趙更歧等[2]對(duì)既有剪力墻開洞粘鋼加固方法進(jìn)行研究，得出粘鋼加固可以應(yīng)用到開洞剪力墻加固。戎芹等[3]對(duì)某高層剪力墻封洞加固設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，提出了剪力墻洞口內(nèi)置帶肋鋼套筒，焊接剪力墻洞口截?cái)噤摻罴岸纯诜舛碌姆桨?，使封堵后剪力墻結(jié)構(gòu)安全性不低于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。宋春雷等[4]對(duì)某高層住宅墻體開洞的安全性及加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，給出了幫條焊接截?cái)噤摻?、澆筑微膨脹混凝土的加固方案。目前，在?shí)際工程中對(duì)剪力墻開洞、墻體加固的研究越來(lái)越多，關(guān)于既有建筑剪力墻擴(kuò)門洞后的鑒定及加固設(shè)計(jì)分析較少，所以，對(duì)其鑒定過(guò)程、加固設(shè)計(jì)進(jìn)行研究很有必要。

本文以某高層框架-剪力墻辦公樓的部分樓層剪力墻擴(kuò)門開洞為例，采用PKPM 軟件建立剪力墻擴(kuò)門洞加固前后的模型，分析加固前后的安全性和抗震性能，給出優(yōu)化的加固方案。

2 工程概況

本工程為某單位辦公樓，地下1 層，地上18 層，建筑面積約為12354m2，竣工時(shí)間約為1997 年。結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。本工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，框架、剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為乙類。

2022年9月，業(yè)主對(duì)該建筑5～9層、13 層、15 層實(shí)施剪力墻擴(kuò)大門洞改造，改造數(shù)量為21 處，開洞位置結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1 所示，擴(kuò)洞前后門洞具體參數(shù)如表1所示。

表1 擴(kuò)洞前后門洞具體參數(shù)（單位：mm）

圖1 開洞位置結(jié)構(gòu)平面布置圖

3 擴(kuò)門洞后的結(jié)構(gòu)調(diào)查與檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，第5～9 層、13 層、15層剪力墻（軸線位置為3-4/B、3/A-B、2/C-D）洞口在擴(kuò)大后均對(duì)原結(jié)構(gòu)暗柱（構(gòu)造邊緣構(gòu)件）、連梁造成損傷，部分暗柱、連梁被靜力拆除，邊框梁保持原狀，未見損傷。墻體擴(kuò)門洞如圖2所示。

圖2 墻體擴(kuò)門洞

因該建筑檔案資料完整、齊全，依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50292-2015），對(duì)構(gòu)件的材料性能、構(gòu)件尺寸進(jìn)行驗(yàn)證性檢測(cè)和抽樣復(fù)核。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50784-2013），《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取部分框架梁、框架柱、剪力墻構(gòu)件采用回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度，按《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50367-2013）進(jìn)行混凝土強(qiáng)度齡期修正（修正系數(shù)為0.92），修正后的混凝土構(gòu)件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，具體結(jié)果如表2 所示。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)澆板、框架柱及剪力墻鋼筋配置、截面尺寸進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明所抽檢的現(xiàn)澆板、框架柱及剪力墻鋼筋配置、截面尺寸基本滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 混凝土構(gòu)件齡期修正后抗壓強(qiáng)度值（單位：MPa）

4 結(jié)構(gòu)安全性和抗震鑒定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、檢測(cè)結(jié)果及設(shè)計(jì)圖紙，采用PKPM 軟件建立加固前（擴(kuò)洞后）三維實(shí)體模型，混凝土強(qiáng)度、構(gòu)件截面尺寸按原設(shè)計(jì)取用。設(shè)計(jì)活荷載按照原設(shè)計(jì)圖紙，且不低于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）取值，辦公室、會(huì)議室取2.0kN/m2，樓梯間取3.5kN/m2，衛(wèi)生間取2.5kN/m2，資料室、庫(kù)房取5.0kN/m2，電梯機(jī)房樓面取7.0kN/m2，走道取2.5kN/m2，機(jī)房取3.5kN/m2，調(diào)度中心取2.5kN/m2，不上人屋面取0.7kN/m2，上人屋面取2.0kN/m2。框架、剪力墻抗震等級(jí)二級(jí)，結(jié)構(gòu)三維驗(yàn)算模型如圖3所示。

圖3 加固前（擴(kuò)洞后）結(jié)構(gòu)三維驗(yàn)算模型

驗(yàn)算結(jié)果表明，該建筑周期比、剛度比、受剪承載力之比、位移比、位移角、剛重比、剪重比滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）的要求，在承載能力極限狀態(tài)下，剪力墻、框架梁、邊框梁及柱承載力滿足規(guī)范要求，現(xiàn)澆板承載力滿足規(guī)范要求，該建筑的框架柱、剪力墻的軸壓比在規(guī)范限值范圍內(nèi)，但該建筑第5～9 層、13 層、15 層剪力墻（軸線位置為3-4/B、3/A-B、2/C-D）洞口處構(gòu)造邊緣構(gòu)件的配筋、連梁受剪承載力不滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范》（GB 55021-2021）、《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50292-2015）及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB J11-1989），結(jié)構(gòu)安全性及抗震鑒定分析結(jié)果如下。

4.1 安全性鑒定

安全性鑒定評(píng)級(jí)應(yīng)按構(gòu)件、子單元和鑒定單元各分三個(gè)層次，每一層次分為四個(gè)安全性等級(jí)。混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性鑒定，應(yīng)按承載能力、構(gòu)造、不適于繼續(xù)承載的位移或變形、裂縫或其他損傷等四個(gè)檢查項(xiàng)目，分別評(píng)定每一受檢構(gòu)件的等級(jí)，并取其中最低一級(jí)作為該構(gòu)件安全性等級(jí)[5]。因此，該建筑第5-9 層、13 層、15 層剪力墻（軸線位置為3-4/B、3/A-B、2/C-D）、連梁的構(gòu)件安全性等級(jí)為du級(jí)，其余構(gòu)件安全性等級(jí)均為bu級(jí)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該建筑四周地面表面良好，地基承載狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)建筑物因地基不均勻沉降而導(dǎo)致的下陷、傾斜等現(xiàn)象，故評(píng)定該建筑場(chǎng)地地基基礎(chǔ)安全性等級(jí)為Bu級(jí)。上部承重結(jié)構(gòu)子單元的安全性鑒定評(píng)級(jí)，應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)承載功能等級(jí)、結(jié)構(gòu)整體性等級(jí)以及結(jié)構(gòu)側(cè)向位移等級(jí)的評(píng)定結(jié)果進(jìn)行確定，綜合評(píng)定上部承重結(jié)構(gòu)子單元的安全性等級(jí)為Cu級(jí)。

既有建筑第三層次鑒定系統(tǒng)的安全性鑒定評(píng)級(jí)，應(yīng)根據(jù)地基基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)的安全性等級(jí)，以及與整幢建筑有關(guān)的其他安全問題進(jìn)行評(píng)定。鑒定系統(tǒng)的安全性等級(jí)，應(yīng)根據(jù)地基基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)的評(píng)定結(jié)果按其中較低等級(jí)確定[6]，綜合評(píng)定該建筑結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)為Csu級(jí)，顯著影響整體承載。

4.2 抗震鑒定

該建筑按鑒定類別A 類（鑒定標(biāo)準(zhǔn)不低于原建造時(shí)的抗震設(shè)計(jì)要求）進(jìn)行抗震鑒定，該建筑場(chǎng)地、地基和基礎(chǔ)均滿足抗震鑒定要求。上部結(jié)構(gòu)中擴(kuò)洞處連梁及剪力墻的抗震構(gòu)造措施、連梁抗震承載力不滿足抗震鑒定要求，其余構(gòu)件滿足抗震鑒定要求，應(yīng)進(jìn)行抗震加固。

5 加固方案比選

既有建筑剪力墻開洞常用的加固方法有增設(shè)暗柱暗梁法和后注漿加固技術(shù)，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況擇優(yōu)選用。

①增設(shè)暗柱暗梁法是在剪力墻開洞、拆除邊緣構(gòu)件后，通過(guò)計(jì)算和構(gòu)造措施，確定增設(shè)暗柱暗梁部位。施工剔除原混凝土后，采用植筋方法在洞口兩側(cè)增設(shè)暗柱、洞口上側(cè)增設(shè)暗梁，以此來(lái)提高剪力墻的抗剪承載力。

②后注漿加固技術(shù)，使用錨栓將外包鋼板套與既有剪力墻固定，設(shè)置出氣孔與注漿嘴，采用低壓注膠的方法，使外包鋼板套與既有剪力墻共同工作。

采用增設(shè)暗柱暗梁法加固，先拆除部分混凝土，植入鋼筋后再澆筑混凝土，該方法作業(yè)量大，工期長(zhǎng)，二次拆除混凝土對(duì)原結(jié)構(gòu)的安全影響較大[7]。后注漿加固技術(shù)，加固時(shí)二次拆除混凝土量小，只需要將混凝土結(jié)合面處理好即可外包鋼板套，作業(yè)量小，施工方便。

本工程業(yè)主要求工期緊、加固施工最大限度降低對(duì)原結(jié)構(gòu)影響，通過(guò)上述兩種方案的比較，認(rèn)為后注漿加固技術(shù)加固對(duì)既有建筑剪力墻擴(kuò)門洞更合適，具體施工措施如下。

①對(duì)于剪力墻或連梁粘合面，先將表面松散浮渣刷去，再用洗滌劑或有壓冷水沖洗混凝土表面，待完全干后即可涂粘結(jié)劑。鋼板粘接面須進(jìn)行除銹和粗糙處理，如鋼板未生銹或輕微銹蝕，可用噴砂、砂布或平砂輪打磨，直至出現(xiàn)金屬光澤。打磨粗糙度越大越好，打磨紋路應(yīng)與鋼板受力方向垂直。

②根據(jù)圖紙要求，將角鋼、鋼板拼裝焊接，并加化學(xué)錨栓固定。用封縫膠或乳膠水泥沿鋼構(gòu)件邊緣封閉縫隙，并在最底端和一定間距留注膠口，在最頂端留排氣孔，封縫嚴(yán)密，保證注膠排氣通暢且注膠時(shí)結(jié)構(gòu)膠不會(huì)外溢，影響粘接效果。

③按配比準(zhǔn)確配制灌注膠，隨配隨用。配制使用要求同粘鋼膠配制要求。經(jīng)驗(yàn)收合格后，方可進(jìn)行注膠。結(jié)構(gòu)粘接劑配制好后用壓力注膠器灌膠，待膠滿外溢時(shí)，停止注膠，保留加壓使鋼構(gòu)件與混凝土接觸面縫隙灌膠密實(shí)。

④結(jié)構(gòu)膠粘接劑在常溫下固化，固化時(shí)間為24h，期間不可擾動(dòng)。鋼板外掛網(wǎng)抹1:2水泥砂漿20mm做防護(hù)。

6 剪力墻擴(kuò)門洞加固設(shè)計(jì)

依據(jù)結(jié)構(gòu)安全性和抗震鑒定結(jié)果，雖然結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)（周期比、剛度比、受剪承載力之比、位移比、位移角、剛重比、剪重比）沒有超限。但剪力墻擴(kuò)洞，拆除部分暗柱和連梁，導(dǎo)致洞口邊緣構(gòu)件、連梁配筋不滿足規(guī)范要求，削弱結(jié)構(gòu)的塑性變形能力?；诖耍?～9層、13層、15 層3-4/B 剪力墻洞口兩端包鋼，增設(shè)長(zhǎng)度為250mm 的構(gòu)造邊緣構(gòu)件，如圖4 所示。在5～9 層、13 層、15 層2/C-D、3/A-B 剪力墻一端洞口包鋼，增設(shè)長(zhǎng)度為1000mm 的構(gòu)造邊緣構(gòu)件，如圖5 所示。對(duì)洞口上方的連梁采取包鋼加固，連梁及構(gòu)造邊緣構(gòu)件加固做法，如圖6所示。

圖4 3-4/B剪力墻加固做法圖

圖5 2/C-D、3/A-B剪力墻加固做法圖

圖6 連梁及構(gòu)造邊緣構(gòu)件加固做法圖

采用PKPM 軟件建立加固后的三維實(shí)體模型，計(jì)算結(jié)果表明，剪力墻、框架梁、邊框梁、連梁及柱承載力滿足規(guī)范要求，該建筑的框架柱、剪力墻的軸壓比在規(guī)范限值范圍內(nèi)。加固后擴(kuò)洞處墻肢的軸壓比較擴(kuò)洞前變化不大，連梁的抗剪承載力得到提高。

7 結(jié)語(yǔ)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)同時(shí)兼有框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在高層辦公樓中應(yīng)用相當(dāng)普遍。剪力墻擴(kuò)洞處的連梁為一端與框架柱相連，一端與剪力墻相連（梁與剪力墻在剪力墻平面內(nèi)連接）的梁，連梁的剛度較大，在承受豎向荷載、抗震耗能方面起到有利作用。本工程雖然經(jīng)過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體性指標(biāo)、墻肢抗剪承載力滿足規(guī)范要求，但剪力墻擴(kuò)洞后，洞口邊緣構(gòu)件與連梁的剛度及延性降低、配筋不足，洞口成為薄弱部位?？紤]到建筑在剩余設(shè)計(jì)工作年限下的可靠度水平，對(duì)其進(jìn)行后注漿包鋼加固。本工程加固施工完后，順利通過(guò)了施工質(zhì)量驗(yàn)收，加固后結(jié)構(gòu)的整體安全性和抗震性不低于原設(shè)計(jì)要求，能夠滿足剩余設(shè)計(jì)工作年限內(nèi)的功能要求。