趙更歧，李 慶 ，全江偉

(鄭州大學(xué) 土 木工程學(xué)院，河南 鄭 州450001)

0 引言

在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中，剪力墻會(huì)因?yàn)椴晒饧敖ㄖδ苄枰_(kāi)設(shè)門(mén)洞、窗洞，這些洞口在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都會(huì)提前考慮，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師往往會(huì)在洞口薄弱部位采取暗柱或暗梁等加固措施來(lái)確保剪力墻的抗力［1］.然而，在對(duì)既有建筑物的改造工程中，剪力墻的配筋及尺寸已經(jīng)固定，倘若因?yàn)闃I(yè)主的功能要求，需對(duì)剪力墻開(kāi)洞，將很大程度上降低原剪力墻的承載能力.目前，在實(shí)際工程中出現(xiàn)的剪力墻開(kāi)洞問(wèn)題越來(lái)越多，關(guān)于剪力墻開(kāi)洞后的加固方法較少［2］，加固方案的制定帶有一定的盲目性.所以對(duì)既有剪力墻開(kāi)洞的加固方法進(jìn)行研究，已很有必要.

某7度區(qū)內(nèi)的19層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)，由于功能的擴(kuò)展，需要對(duì)現(xiàn)役剪力墻進(jìn)行開(kāi)設(shè)門(mén)洞，基于這種工程背景，筆者采用PKPM建立該建筑物剪力墻開(kāi)洞前后的有限元模型，研究剪力墻開(kāi)洞的加固方法.

1 工程概況

本工程為某小區(qū)的住宅樓，結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，地上18層，地下1層，工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第2組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，剪力墻的抗震等級(jí)為3級(jí).地下1層到地上第2層混凝土采用C35，鋼筋采用HRB400，第3層到第18層混凝土采用C30，鋼筋采用HRB400，該建筑的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示.由于業(yè)主對(duì)建筑功能的要求，需要在?/4～5軸間的剪力墻進(jìn)行開(kāi)設(shè)門(mén)洞，具體參數(shù)如下表1所示，剖面圖如圖2所示.

表1 開(kāi)洞前后墻體的參數(shù)Tab.1 Parameters before and after the shear wallwith openings

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖Fig.1 Standard floor p lane

圖2 開(kāi)洞剪力墻剖面圖Fig.2 The shear wallwith openings in section

2 采用PKPM進(jìn)行剪力墻開(kāi)洞前后對(duì)比分析

本工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部開(kāi)發(fā)的PKPM系列設(shè)計(jì)軟件2010版中的《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件 SATWE》進(jìn)行該結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算［3］，分別建立剪力墻開(kāi)洞前后模型，進(jìn)行分析.對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2及圖3，4所示.

通過(guò)對(duì)比圖3，4及表2，可以看出，開(kāi)洞后，剪力墻洞口暗柱部位的豎向配筋率與水平配筋率

表2 加固前后墻體的配筋率參數(shù)Tab.2 The reinforcement ratio parameter before and after the openings of shear wall strengthened by bonded steel%

較開(kāi)洞前對(duì)應(yīng)部位的配筋率大很多，說(shuō)明此部位需要加固;開(kāi)洞后剪力墻的連梁部位配筋率較開(kāi)洞前相應(yīng)部位的配筋率大，需要加固;開(kāi)洞后剪力墻的邊緣暗柱的水平配筋率較開(kāi)洞前相應(yīng)部位的配筋率多一倍，需要加固.

3 剪力墻開(kāi)洞的粘鋼加固

對(duì)既有剪力墻開(kāi)洞后，無(wú)法將需要增加的配筋添加到結(jié)構(gòu)中，為了滿(mǎn)足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范［4］及結(jié)構(gòu)的安全、適用、耐久，必須對(duì)其進(jìn)行加固.針對(duì)本工程采用粘鋼加固方法［5］，通過(guò)未開(kāi)洞墻體與開(kāi)洞墻體配筋面積的差值，采用等強(qiáng)代換的方法來(lái)設(shè)計(jì)粘貼鋼板的尺寸及粘貼型式，具體加固做法見(jiàn)表3及圖5所示.06SG 311—1［6］中關(guān)于剪力墻開(kāi)洞加固方法見(jiàn)圖6所示，若采用此種加固方法，連梁的上部沒(méi)有采取加固措施，左、右端墻肢邊框也沒(méi)有采取加固措施，洞口兩邊的粘鋼區(qū)域也不足.因此，在實(shí)際工程的改造加固時(shí)，不能生搬硬套現(xiàn)有圖集，應(yīng)該經(jīng)過(guò)特定地分析，來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題.

圖3 開(kāi)洞前剪力墻配筋圖Fig.3 Reinforcement draw ing before the opening of shear wall

圖4 開(kāi)洞后剪力墻所需配筋圖Fig.4 Reinforcement required draw ing after the opening of shear wall

表3 粘鋼加固開(kāi)洞剪力墻的鋼板參數(shù)Tab.3 Steel parameters of the shear wallwith openings strengthened by bonded steel

4 加固前后結(jié)構(gòu)整體性能的對(duì)比分析

(1)周期比.表4為加固前后自振周期對(duì)比.

通過(guò)對(duì)表4加固前后自振周期對(duì)比分析，開(kāi)洞前結(jié)構(gòu)的第一平動(dòng)周期為1.911 5 s，第一轉(zhuǎn)動(dòng)周期為1.346 6 s，加固后結(jié)構(gòu)的第一平動(dòng)周期為1.905 2 s，第一轉(zhuǎn)動(dòng)周期為1.346 5 s，按照 JG 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的3.4.5條規(guī)定［7］，加固前 Tt/T1=0.70，加固后Tt/T1=0.71，兩者幾乎相等，因此，在該位置開(kāi)此大小的門(mén)洞對(duì)原結(jié)構(gòu)的自振周期影響甚微.

圖5 粘鋼加固開(kāi)洞剪力墻做法圖Fig.5 Practice chart of the shear wallwith openings strengthened by bonded steel

圖6 06SG311—1中剪力墻開(kāi)洞的加固Fig.6 The strengthening method of the shear wallwith openings in 06SG311—1 atlas

表4 加固前后自振周期對(duì)比Tab.4 Comparison of free vibration periods before and after the strengthening method of the shear wall with openings

(2)層間位移角對(duì)比.在地震作用下，開(kāi)洞前，X方向地震作用規(guī)定水平力下的樓層最大層間位移角為1/1 075，Y方向地震作用規(guī)定水平力下的樓層最大層間位移角為1/1 392;加固后，X方向地震作用規(guī)定水平力下的樓層最大層間位移角為1/1 072，Y方向地震作用規(guī)定水平力下的樓層最大層間位移角為1/1 398.按照J(rèn)GJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的3.7.3條規(guī)定［7］，當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，按彈性計(jì)算的風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移與層高之比的限制為1/1 000，開(kāi)洞前與加固后樓層最大位移相差較小，且都滿(mǎn)足規(guī)范的要求.

(3)位移比.在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，開(kāi)洞前X方向最大位移與層平均位移的比值為1.11，X方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.17，Y方向最大位移與層平均位移的比值為1.17，Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.22;加固后X方向最大位移與層平均位移的比值為1.11，X方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.17，Y方向最大位移與層平均位移的比值為1.17，Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.22.按照J(rèn)GJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的3.4.5條的規(guī)定［7］，加固后該剪力墻結(jié)構(gòu)X、Y方向最大位移與層平均位移的比值或最大層間位移與平均層間位移的比值均滿(mǎn)足要求.

(4)剪重比.加固前后，按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.5條規(guī)定［8］，X，Y向各樓層最小剪重比均大于1.60%;X方向的有效質(zhì)量系數(shù)為99.50%，Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)為99.50%.

(5)剛重比.開(kāi)洞前，X向剛重比為4.91，Y向剛重比為5.87，該結(jié)構(gòu)剛重比為大于1.4，能夠通過(guò)文獻(xiàn)［7］第5.4.4條的整體穩(wěn)定驗(yàn)算;該結(jié)構(gòu)剛重比大于2.7，按照文獻(xiàn)［7］第5.4.1 條可以不考慮重力二階效應(yīng).加固后，X向剛重比為4.88，Y 向剛重比為 5.87，該結(jié)構(gòu)剛重比大于1.4，能夠通過(guò)文獻(xiàn)［7］第5.4.4條的整體穩(wěn)定驗(yàn)算;該結(jié)構(gòu)剛重比大于2.7，按照文獻(xiàn)［7］第5.4.1 條可以不考慮重力二階效應(yīng).

(6)受剪承載力對(duì)比.開(kāi)洞前，原結(jié)構(gòu)開(kāi)洞處墻體的軸壓比為0.36，剪力設(shè)計(jì)值V=415 kN，抗剪承載力Vu=854.4 kN;加固后，開(kāi)洞墻體左墻肢的軸壓比為0.41，剪力設(shè)計(jì)值V=174 kN，抗剪承載力V=285 kN，右墻肢的軸壓比為0.41，剪力設(shè)計(jì)值V=174 kN，抗剪承載力V=285 kN.抗剪承載力均大于剪力設(shè)計(jì)值，加固后滿(mǎn)足原結(jié)構(gòu)抗剪承載力的要求.通過(guò)對(duì)比開(kāi)洞前后墻體的剪力設(shè)計(jì)值，發(fā)現(xiàn)開(kāi)洞后開(kāi)洞墻體承擔(dān)的剪力值變小了，對(duì)比第4層每片剪力墻的剪力設(shè)計(jì)值與抗剪承載力(見(jiàn)圖7)，發(fā)現(xiàn)開(kāi)洞后剪力按墻體的抗側(cè)剛度大小進(jìn)行了重分配，雖然本工程中抗剪承載力能夠滿(mǎn)足，但剪力墻開(kāi)洞對(duì)本層其他抗剪構(gòu)件均有影響，在結(jié)構(gòu)計(jì)算和加固中應(yīng)加以重視.

通過(guò)對(duì)以上指標(biāo)的分析，可知，本實(shí)際工程中剪力墻開(kāi)洞對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響較小，粘鋼加固后可滿(mǎn)足原結(jié)構(gòu)的要求.

圖7 剪力墻開(kāi)洞前后剪力變化對(duì)比Fig.7 Comparison between shear changes before and after shear wallswith openings

5 結(jié)論

(1)剪力墻開(kāi)洞后，洞口邊緣與連梁部位配筋不足，需要對(duì)墻體的承載力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng).

(2)該實(shí)際工程中剪力墻開(kāi)洞采用粘鋼加固，加固前后結(jié)構(gòu)的自振周期、位移、剛重比變化較小，抗剪承載力能夠滿(mǎn)足原結(jié)構(gòu)的要求.

(3)采用此種粘鋼加固方法彌補(bǔ)了06SG 311—1圖集中關(guān)于剪力墻開(kāi)洞加固區(qū)域的不足.

(4)通過(guò)PKPM計(jì)算剪力墻開(kāi)洞前后配筋率的變化，采用粘鋼加固法對(duì)開(kāi)洞剪力墻加固，該種方法可以應(yīng)用在實(shí)際工程中.

(5)剪力墻開(kāi)洞后剪力按墻體的抗側(cè)剛度大小進(jìn)行了重分配，開(kāi)洞對(duì)本層其他抗剪構(gòu)件均有影響，在結(jié)構(gòu)計(jì)算和加固中應(yīng)加以重視.

［1］ 孫繼紅.淺析剪力墻新開(kāi)洞口外包鋼板壓力注膠加固質(zhì)量控制措施［J］.黑龍江科技信息，2010(2):279-279.

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［3］ PKPMCAD工程部.多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件(墻元模型)SATWE用戶(hù)手冊(cè)及技術(shù)條件［M］.北京:中國(guó)建筑科學(xué)研究院，2011:11-39.

［4］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 50367—2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［5］ 余剛.框架梁負(fù)彎矩區(qū)粘鋼加固錨固方法試驗(yàn)研究［D］.鄭州:鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，2012:6-8.

［6］ 國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集.06SG311—1，混凝土結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造總則及構(gòu)架加固［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

［7］ 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［8］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.