廖曉坤 （安徽省建設(shè)監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

置換混凝土加固技術(shù)采用挖補替換的方法，用優(yōu)質(zhì)混凝土置換掉缺陷混凝土，達到恢復或者增強構(gòu)件承載力的目的[1]。采用這種加固方法具有其他加固方法無法比擬的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)加固后能大部分或全部恢復原貌，不改變使用空間[2]。近些年，由于檢測技術(shù)的發(fā)展和國家有關(guān)部門對工程安全檢查的重視，大量在建或已投入使用的高層建筑被檢測出工程質(zhì)量問題，混凝土構(gòu)件包括剪力墻構(gòu)件置換加固在工程中的應用日漸增多[3]。

2016年王健、姜超等人[4]采用分期置換加固法完成了某在建商住樓的底層剪力墻混凝土置換設(shè)計與施工工作。2014年于興華、呂林等人[5]對某在建框架-筒體結(jié)構(gòu)體系的1～3層部分強度不足的剪力墻進行了混凝土置換加固設(shè)計。胡克旭、趙志鵬等人[6]以某新建十七層短肢剪力墻高層住宅為背景，通過建模計算不同施工階段工況下的承載力，嚴格控制剪力墻的軸壓比，嚴格制定分段置換量，合理布置拆除順序，對該樓七層部分強度不夠的剪力墻進行了免支撐混凝土置換加固。2010年，羅守權(quán)[7]在對某框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅進行剪力墻混凝土置換加固處理時，同時采用了剪力墻支頂和輔助支頂兩種支頂方案。剪力墻支頂采用型鋼支頂方案，輔助支頂采用在所需加固樓層及上下各三層架滿堂腳手架方案，兩種方案相輔相成。

文章以某在建高層住宅剪力墻置換加固的實際工程，置換混凝土加固技術(shù)應用其中，并依據(jù)現(xiàn)場實際情況，設(shè)計相應的方案，進行有限元模擬與監(jiān)測技術(shù)研究。驗算分析得出結(jié)果，為工程后續(xù)的施工提供依據(jù)及分析基礎(chǔ)。

1 工程背景

1.1 工程概況

某在建高層住宅位于安徽省合肥市包河區(qū)，建筑結(jié)構(gòu)主體均為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式為34層一般剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑東西方向長39.8m。南北方向長15.05m，建筑設(shè)計總高度（室外地面至大屋面）為98.950m。該建筑的主要豎向承重構(gòu)件為鋼筋混凝土剪力墻，并且其混凝土強度設(shè)計值隨層高減少。其中負一層至五層的混凝土設(shè)計強度為C45，六層至十一層的混凝土設(shè)計強度為C40，十二層至十六層的混凝土設(shè)計強度為C35。

現(xiàn)場施工時發(fā)現(xiàn)部分剪力墻的強度不滿足要求后委托相關(guān)檢測部門進行檢測。針對這些剪力墻進一步采取鉆芯取樣的方法進行檢測推定，最終得出結(jié)果，共6片剪力墻的強度較低，未達到設(shè)計標準。具體軸線位置為一層6/H-K與9/H-K、二層20/C-E、三層3/(1/G)-H、四層3/(1/G)-H、七層21/(1/G)-H。為避免重復，將對一層9/H-K與二層20/C-E進行主要分析介紹，其它層情況相似，相應位置如圖1所示。

圖1 剪力墻所在軸線位置示意圖

2 剪力墻置換整體分析

2.1 選取計算模型

本文采用有限元軟件MIDAS/GEN對住宅結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)整體模擬分析，整樓模型如圖2所示?；炷涟鍢?gòu)件定義為板單元；混凝土梁、柱構(gòu)件定義為梁單元；混凝土墻構(gòu)件定義為板單元。各個單元之間的約束均為剛接，即約束支座X、Y、Z方向的平動位移及空間轉(zhuǎn)角。為了分析剪力墻的受力狀況，應對結(jié)構(gòu)模型進行模擬計算并分析計算結(jié)果。

圖2 整樓模型示意圖

采用PKPM進行模擬計算，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫及撓度的變化進行分析。

2.2 剪力墻墻底內(nèi)力對比分析

為了對后期支撐卸載提供計算依據(jù)，需模擬計算剪力墻底部的實際內(nèi)力大小。因該狀態(tài)為短期停工及施工狀態(tài)，并非長期的使用狀態(tài)，因此應不考慮分項系數(shù)以及水平荷載的作用，同時因為該建筑結(jié)構(gòu)并未投入使用且已經(jīng)進入停工狀態(tài)，活荷載取值為0。取1.0恒載+1.0活載工況進行計算，通過MIDAS/GEN與PKPM共同模擬分析，得出此工況下一層9/H-K一片剪力墻墻底內(nèi)力大小并相互校核準確性，為后續(xù)的設(shè)計提供了相應條件及依據(jù)。具體計算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 PKPM一層9/H-K剪力墻墻底內(nèi)力計算結(jié)果

一層9/H-K剪力墻墻底內(nèi)力計算結(jié)果為：

PKPM計算結(jié)果：軸力為 393.5kN，1888kN，176.5kN，總計：2458kN；

MIDAS計算結(jié)果：軸力為353 kN，1814kN，161 kN，總計：2328kN；

圖4 MIDAS/GEN一層9/H-K剪力墻墻底內(nèi)力計算結(jié)果

PKPM計算結(jié)果：軸力為917.4kN，276.0kN，總計1193.4kN；

MIDAS計算結(jié)果:軸力為 958 kN，301 kN，總計：1259kN；

從上述結(jié)果看出，兩種軟件的計算結(jié)果相近，基本吻合，可以認為計算結(jié)果能較好的反應該結(jié)構(gòu)目前的受力狀態(tài)。

2.3 剪力墻拆除前后結(jié)構(gòu)驗算對比分析

模型在模擬時，僅計算一片墻體拆除前后，周邊構(gòu)件的狀態(tài)變化，例如模擬計算一層9/H-K的剪力墻不設(shè)支撐直接拆除時，其他層剪力墻構(gòu)件維持不動，模擬計算周邊構(gòu)件的狀態(tài)變化。以此類推，再對其他層剪力墻進行模擬。具體計算結(jié)果見圖5。

圖5 一層9/H-K拆除前后裂縫及撓度對比圖

經(jīng)過結(jié)果分析對比可以看出，一層9/H-K軸線剪力墻，不設(shè)支撐直接拆除前后，撓度及裂縫變化明顯，超過規(guī)范限值。同時，與其相連的9/H-(1/G)軸梁承載力不足，需設(shè)置支撐處理。

3 剪力墻置換施工流程

剪力墻在目前的停工狀態(tài)下依然承受較大的豎向荷載，所以應對其采取可靠的支撐卸載方案。為安全起見，置換施工過程應分層、分段拆除。

分層主要有上到下，這里主要分析一層9/H-K，其它層與其類似。

對每層的剪力墻進行分段，應依據(jù)每片剪力墻的長度以及總墻底內(nèi)力，將其劃分為不超過800kN的置換區(qū)段，一層9/H-K剪力墻區(qū)段劃分示意圖如圖6所示。

圖6 一層9/H-K分段施工順序圖

一層9/H-K剪力墻軸力總計2458kN，分四個置換區(qū)段，兩個施工區(qū)域。第一施工區(qū)域剪力墻置換后，待混凝土強度達到C30后再施工第二區(qū)域。每區(qū)段在置換前須卸載614.5kN的荷載。

4 置換剪力墻鋼結(jié)構(gòu)與施工樓板支撐驗算分析

4.1 置換剪力墻鋼結(jié)構(gòu)支撐驗算分析

剪力墻卸載采用鋼結(jié)構(gòu)支撐卸載裝置，所用型鋼材料均為Q345，具體設(shè)計尺寸如圖7所示，現(xiàn)場施工時，各個構(gòu)件采用圍焊連接。

圖7 一層3.57m鋼結(jié)構(gòu)卸載裝置立面圖

驗算分析采用有限元軟件MIDAS/GEN，構(gòu)件尺寸其中模型中的H型鋼、方柱及鋼結(jié)構(gòu)支撐均定義為梁單元，考慮到現(xiàn)場采用的是圍焊連接，方柱、H型鋼及支撐之間都屬于可靠連接，所以在模型中各個單元之間的約束形式均設(shè)定為剛接，即約束支座X、Y、Z方向的平動位移及空間轉(zhuǎn)角?？紤]最不利的加載形式進行模擬，取劃分區(qū)段的最大豎向內(nèi)力669kN，裝置按一層的構(gòu)件尺寸進行建模模擬加載。模擬加載時分兩種工況，一種為千斤頂預加載時裝置的受力狀態(tài)，另一種為千斤頂卸載時，裝置的受力狀態(tài)。

千斤頂加載工況下，兩片裝置上作用669kN的荷載計算模型如圖8所示，此時669kN荷載都直接作用于千斤頂下方的兩個H型鋼中部。

圖8 MIDAS/Gen裝置加載計算模型圖

計算結(jié)果得出方柱構(gòu)件長細比為33.5，H型鋼構(gòu)件長細比為19.1，鋼支撐構(gòu)件長細比為81.0，均小于MIDAS的計算結(jié)果限值及規(guī)范中的要求。軸向應力、彎曲應力、整體穩(wěn)定以及剪切強度驗算均滿足計算結(jié)果限值要求。

在MIDAS/GEN中設(shè)計規(guī)范選擇《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2017)進行驗算，鋼支撐應力云圖如圖9所示。從結(jié)果可知，最大應力出現(xiàn)于支撐之中。最大應力為152MPa。小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2017)中Q345級鋼材的強度設(shè)計值f=310MPa，構(gòu)件強度滿足要求。

圖9 裝置加載鋼支撐應力云圖

在MIDAS/GEN中設(shè)計規(guī)范選擇《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2017)進行驗算，鋼支撐位移云圖如圖10所示。從結(jié)果可知，最大位移出現(xiàn)在千斤頂下方的H型鋼梁上。最大位移為1.69mm。小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2017)中對撓度的限值要求l/250（工裝按次梁限制考慮）=2.8mm，構(gòu)件位移滿足要求。

圖10 裝置加載鋼支撐位移云圖

4.2 置換剪力墻施工樓板支撐驗算分析

在置換過程中，擬置換的剪力墻與周圍的梁板結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，不設(shè)置支撐根據(jù)之前的計算結(jié)果，可以得知梁板結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生明顯的位移及裂縫，因此需要設(shè)置鋼管支撐架支撐，保證剪力墻周圍梁和板的安全性，同時對上層樓板的荷載進行卸載支撐。一層層高為施工過程中最不利層高，因此驗算一層樓板支撐卸載工況。

圖11 每片擬拆除剪力墻處支撐架立面示意圖

支撐形式為滿堂支撐架，立桿的縱距0.8m，立桿的橫距0.8m，步距1.5m。一層層高3.57m，板厚180mm，凈高度為3.39m。鋼管采用Φ48×3.5，A=4.89cm2經(jīng)計算λ=164，查規(guī)范可知，φ=0.265。樓板自重取 4.5kN/m2，施工活荷載 2.5kN/m2，立桿自重0.49kN/m2，施工時立桿分擔的工人自重最考慮4kN。因為是室內(nèi)支撐架，故不考慮風荷載影響。

經(jīng)驗算，σ小于235級鋼管立桿的設(shè)計應力f=205MPa，鋼管支撐架滿足安全及使用要求。

圖13 一層9/H-K監(jiān)測測點實測圖

5 施工監(jiān)測內(nèi)容

5.1 測點布置

用應變片及應變采集儀對每個區(qū)段的應變關(guān)鍵點進行監(jiān)測，利用百分表對每個區(qū)段的結(jié)構(gòu)位移關(guān)鍵點進行動態(tài)觀察。測點位置如下圖12所示。其中方形代表應變監(jiān)測測點，三角形代表位移監(jiān)測測點。

圖12 一層9/H-K監(jiān)測測點示意圖

一層9/H-K剪力墻置換過程中共計布置12個測點，其中7個應變監(jiān)控測點，5個位移監(jiān)控測點，布置在板下的測點距離墻體邊緣20mm，減少施工時對監(jiān)測的擾動。布置在連梁的測點，位移測點T12距離墻體邊緣為20mm，應變T7測點則遠離剪力墻，在連梁的另一端支座附近進行布置。

5.2 剪力墻置換施工監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

施工階段監(jiān)控項目劃分主要為在每個施工區(qū)域進行施工置換時，將施工準備期作為初始階段，將初始值設(shè)定為0，其后數(shù)值的變化將以此為基礎(chǔ)。一、二層的測點實測值如圖13所示。

經(jīng)過數(shù)據(jù)以及曲線的走勢對比可以分析得出，6個貼在板底的應變測點的變化趨勢都較為接近，偏差不大，均為增大的壓應變，最大值為-134uε；而貼在梁底的應變測點7顯示為增大的拉應變，最大值94uε；5個位移測點數(shù)值均為不斷減小的數(shù)值，最大位移差值為-0.82mm。各個測點實測值整體大小及幅值均滿足施工安全要求。

6 結(jié)論

①綜上所述，剪力墻施工在0～3階段中，應力應變變化及峰值較小，位移差值變化較小，并未產(chǎn)生明顯的撓度。同時在單片剪力墻置換施工完成后，用肉眼兼用放大鏡的檢查方式，檢查了周邊的梁板構(gòu)件，并未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。說明鋼結(jié)構(gòu)卸載裝置及鋼管支撐架卸載起到了作用，保證了結(jié)構(gòu)的整體施工安全。

②經(jīng)過MIDAS/GEN與PKPM的計算結(jié)果對比可知，兩者對墻底內(nèi)力的計算結(jié)果基本吻合，可以認為計算結(jié)果能較好的反應該結(jié)構(gòu)目前的受力狀態(tài)，同時也為后期的支撐卸載提供數(shù)值依據(jù)。

③從后期的圖表反應來看，貼在板底的應變測點多數(shù)為增大的壓應變，貼在梁底的應變測點均為增大的拉應變；位移測點為不斷減小的位移數(shù)值；從結(jié)果對比看出，整體應變峰值很小，位移差值不明顯，結(jié)構(gòu)在置換施工期間沒有引起較大的撓度及變形，證明了該加固方案的合理性和可靠性。