劉 歡

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

1 工程背景

某高層建筑為地上32層，地下1層，建筑高度99 m,建筑面積約2萬(wàn)m2，鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目建成以后對(duì)其進(jìn)行了混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)鑒定：從第9層開始，以上部分樓層的部分墻肢混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20至C30不等，與原設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40相差較大，質(zhì)量問題嚴(yán)重。經(jīng)檢測(cè)分析，造成其質(zhì)量問題的原因可能有：混凝土配合比不合理、外加劑的摻加量過(guò)大、攪拌站用石粉代替了黃沙等。造成每片墻肢強(qiáng)度略有不同的原因有不同墻肢所用混凝土不是一罐料、攪拌時(shí)間的差異、混凝土的振搗差異、養(yǎng)護(hù)時(shí)間差異等。

本文通過(guò)高層建筑的加固工程，對(duì)施工方案的比選、施工前的結(jié)構(gòu)計(jì)算、原結(jié)構(gòu)墻肢的置換施工工藝、施工監(jiān)控實(shí)測(cè)、置換后的加固效果進(jìn)行了分析。

2 方案選擇

2.1 施工方案選擇

目前常用的結(jié)構(gòu)加固方法有加大截面法、外包型鋼法、碳纖維加固法、置換加固法等。

本項(xiàng)目出現(xiàn)的問題是混凝土強(qiáng)度不足，通常采用拆除原結(jié)構(gòu)重新施工、加大截面法和置換加固法3種方案處理。

(1)拆除原結(jié)構(gòu)重新施工。本項(xiàng)目部分墻肢強(qiáng)度不足，若全部拆除會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，且會(huì)嚴(yán)重影響工期。

(2)加大截面法。會(huì)增加自重，加大截面尺寸，減少使用面積，影響外觀和使用，增大尺寸的范圍及產(chǎn)生的效果沒有明確的結(jié)論[1]。

(3)置換加固法。對(duì)于強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或者破壞嚴(yán)重的混凝土結(jié)構(gòu)，加固效果較明顯，較為適合本項(xiàng)目出現(xiàn)的強(qiáng)度不足等問題。

2.2 置換施工設(shè)計(jì)

(1)采用PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，按原設(shè)計(jì)荷載分析軸壓比，根據(jù)墻肢軸壓比是否超限，結(jié)合墻肢混凝土強(qiáng)度，判斷墻肢是否需要進(jìn)行加固[2]。本工程抗震等級(jí)為3級(jí)，規(guī)范中墻肢軸壓比的規(guī)定限值為0.6[3]。

(2)考慮到施工成本和工期限制，結(jié)合工程實(shí)際情況，在置換施工方案中，放棄了傳統(tǒng)的全托換一次置換法，采用分批置換法。由于加固工期較短，在置換施工過(guò)程中上部結(jié)構(gòu)禁止施工，僅考慮結(jié)構(gòu)自重及較少的施工活荷載，不考慮地震作用。進(jìn)行墻肢分批寬度及批次數(shù)量設(shè)計(jì)，以剩余構(gòu)件能支撐上部荷載為標(biāo)準(zhǔn)。

(3)在置換施工前后，進(jìn)行監(jiān)控是為了觀察墻肢構(gòu)件狀態(tài)，保證施工安全。

(4)新澆筑的混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，要與原有結(jié)構(gòu)共同受力，共同受力的關(guān)鍵在于結(jié)合面的處理[4]?；炷猎诮Y(jié)合面處的粘結(jié)強(qiáng)度是低于其本身強(qiáng)度的，所以二次組合結(jié)構(gòu)承載能力低于整澆結(jié)構(gòu)。但在實(shí)際工程中空腔兩側(cè)有端柱約束，且新舊混凝土有鋼筋網(wǎng)相連。新老混凝土結(jié)合面處的界面處理和施工質(zhì)量符合規(guī)范要求時(shí)，可按整體受力計(jì)算[5]。

3 結(jié)構(gòu)加固計(jì)算

3.1 置換施工前計(jì)算

回彈儀檢測(cè)剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取11.9 MPa[6]。在原設(shè)計(jì)條件下，荷載按規(guī)范取值[7]，由PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算墻肢內(nèi)力:N=8.4×106N。實(shí)際荷載條件下，僅考慮結(jié)構(gòu)自重及隔墻自重，施工活荷載適當(dāng)折減取1 kN/m2，PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算墻肢內(nèi)力:N=4.07×106N?；炷凛S心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值如表1所示。

表1 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 單位：MPa

3.2 構(gòu)件剔除

剔除墻肢第一批次構(gòu)件后，由PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算墻肢內(nèi)力合計(jì)為:N=4.04×106N，其中a端墻396 000 N，其余構(gòu)件3 648 000 N。

由PKPM計(jì)算墻肢軸壓比?？梢?，在當(dāng)前荷載條件下，墻肢剩余構(gòu)件軸壓比均不超限，其中a端墻肢0.32，其余構(gòu)件0.24，僅靠剩余構(gòu)件可以支持上部荷載。

3.3 置換完工后計(jì)算

置換軸心受壓構(gòu)件時(shí)，其正截面承載力應(yīng)符合下式規(guī)定：

(1)

式中：N為構(gòu)件加固后的軸向壓力設(shè)計(jì)值；N′為構(gòu)件加固后的承載力設(shè)計(jì)值；φ為受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，取0.9；αc為置換部分新增混凝土強(qiáng)度利用系數(shù)，置換過(guò)程無(wú)支頂時(shí)，取0.8，置換過(guò)程有支頂時(shí)，取0.9，本工程置換過(guò)程無(wú)支頂，取0.8；fc0、fc為原構(gòu)件混凝土和置換部分新混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；分別取11.9 N/mm2、27.5 N/mm2；Aco、Ac為原構(gòu)件混凝土剩余截面面積和置換部分截面面積。

墻肢加固后的承載力設(shè)計(jì)值：

N′=0.9×0.9×(11.9×0.212 5×106+0.8×27.5×0.512 5×106)

N′=1.12×107N

(2)

墻肢加固后承載力設(shè)計(jì)值是N=1.12×107N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)荷載即軸向壓力設(shè)計(jì)值N=8.41×106N，認(rèn)為達(dá)到預(yù)期的加固效果。

4 施工要點(diǎn)

4.1 施工流程

第一批次構(gòu)件剔除、鋼筋整理、交界面處理、模板搭設(shè)、混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)完成后，進(jìn)行下一批次構(gòu)件施工，如此循環(huán)，將墻肢各構(gòu)件依次置換,如圖1所示。墻肢構(gòu)件的剔除如圖2所示。

圖1 墻肢置換施工順序 圖2 墻肢構(gòu)件的剔除

4.2 施工要點(diǎn)

(1)構(gòu)件剔除。鑿除工具嚴(yán)禁使用大錘，防止破壞鋼筋網(wǎng)和相鄰部位。前一批次澆筑的混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行后一批次構(gòu)件的剔除。各批次置換區(qū)的澆筑一次性完成，澆筑時(shí)間控制在初凝時(shí)間內(nèi)，不留施工縫。

(2)鋼筋整理。構(gòu)件剔除后對(duì)鋼筋網(wǎng)上殘留混凝土顆粒清潔干凈，保證鋼筋與混凝土之間的握裹力。

(3)交界面處理。交界面處采用小型電鉆，以免振動(dòng)過(guò)大造成交界面處破壞。鑿毛1 cm-2 cm以增加結(jié)合面，交界面清潔干凈并保持濕潤(rùn)狀態(tài)[8]。

(4)模板搭設(shè)。模板按構(gòu)件尺寸制作，兩側(cè)模板采用鋼筋卡扣連接緊固，以減少作業(yè)面，便于施工。

(5)混凝土澆筑。在本層剔除構(gòu)件對(duì)應(yīng)的上層地面與墻體結(jié)合處開洞，采用微膨脹的C60高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行澆筑。為避免置換區(qū)域頂面與上層構(gòu)件連接處形成冷縫，在澆筑口設(shè)置喇叭口，使?jié)仓瓿擅娓哂谶B接面10 cm，待混凝土初凝后鑿除[9]。

(6)置換施工。應(yīng)自下而上，下部樓層需要置換的墻肢全部完工并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行上一樓層墻肢的置換施工。置換區(qū)域模板搭設(shè)圖3所示，置換區(qū)域上部灌漿圖4所示。

圖3 置換區(qū)域模板搭設(shè) 圖4 置換區(qū)域上部灌漿

5 施工監(jiān)測(cè)

(1)監(jiān)控目的。在置換施工過(guò)程中觀察剩余構(gòu)件的數(shù)據(jù)變化，保證施工安全；在置換完工后進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，觀察加固效果。

(2)應(yīng)變計(jì)算。在應(yīng)變計(jì)安裝完成，結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定后讀取初值，在結(jié)構(gòu)體被受力或者其他情況時(shí)讀取測(cè)量值，其與初值的差值即為結(jié)構(gòu)體的應(yīng)變情況。

為了計(jì)算墻肢置換完工后的應(yīng)變，將應(yīng)變計(jì)安裝后的數(shù)值作為初值，在埋入式傳感器被埋入墻肢各構(gòu)件中，新澆混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并受力穩(wěn)定后讀取測(cè)量值。差值=測(cè)量值—初值，結(jié)構(gòu)置換完工后的應(yīng)變值即可得出。埋入式應(yīng)變傳感器如圖5所示， 墻肢置換完工后如圖6所示。

圖5 埋入式應(yīng)變傳感器 圖6 墻肢置換完工后

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)置換施工前，在實(shí)際荷載條件下，結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力與監(jiān)測(cè)內(nèi)力誤差為7%，屬于合理范圍，認(rèn)為取值可靠。其誤差主要是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響、數(shù)據(jù)取值偏差等因素影響。

(2)置換完工后，通過(guò)公式計(jì)算墻肢承載力設(shè)計(jì)值與軸向壓力設(shè)計(jì)值比較可知，達(dá)到預(yù)期的加固效果。

(3)本工程采用的無(wú)支撐依次置換，免去了設(shè)置臨時(shí)支撐，從而避免了支撐體系失效的風(fēng)險(xiǎn)，也避免了支撐桿件對(duì)原結(jié)構(gòu)集中力過(guò)大造成的局部破壞，降低了加固施工的難度和成本。

(4)通過(guò)一系列的結(jié)構(gòu)計(jì)算及施工監(jiān)測(cè)證明，采用該方法可有效解決墻肢混凝土強(qiáng)度不足的問題，對(duì)于類似工程問題具有參考意義。