混凝土置换法在某短肢剪力墙高层住宅加固中的应用

胡克旭　赵志鹏

(同济大学结构工程与防灾研究所, 上海 200092)



混凝土置换法在某短肢剪力墙高层住宅加固中的应用

胡克旭*赵志鹏

(同济大学结构工程与防灾研究所, 上海 200092)

摘要某新建的17层短肢剪力墙结构住宅楼,结构封顶后发现该房屋第七层的混凝土强度明显偏低,取芯试验显示混凝土强度不足C15,远达不到C25的设计要求。根据第七层剪力墙的轴压比情况,现场采用免支撑混凝土分段置换方法,以高强度自密实混凝土分段置换全部原七层剪力墙混凝土,对此结构进行“加固”。通过预先制定置换顺序和分段置换量,严格控制施工质量,取得了良好的加固效果。结合该工程实例,给出了短肢剪力墙结构用免支撑混凝土置换加固的技术要点。

关键词高层住宅, 短肢剪力墙, 混凝土强度不足, 免支撑, 分段置换法

Application of Concrete-replacing Method in Reinforcement of a High-rise Short-leg Shear Wall Residential Building

HU Kexu*ZHAO Zhipeng

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092,China)

AbstractA 17-story residential building of short-leg shear wall structure was under construction. After the main structure had been completed, the detection personnel found that the concrete strength of shear wall in 7th floor was obviously low. And the core tests showed that the concrete strength in 7th floor was less than C15, far less than the design strength of C25. According to the condition of axial compression of the shear wall in 7th floor, the structure was to be retrofitted through the unpropped concrete-replacing method. It meant that all of the original concrete shall be segmentally replaced by high-strength and self-compaction concrete. The replacement order and segmental displacement and also the construction quality were under strictly control during the whole process, and ultimately the strengthening method had achieved good effect. Through this project example, this paper presents the essential points of the use of unpropped concrete-replacing method.

1引言

近年来,随着我国经济的快速发展,高层住宅越来越多,采用短肢剪力墙结构体系的房屋住宅也蓬勃发展。然而受地方商业混凝土生产水平、工程施工质量控制水平的影响,可能会出现剪力墙混凝土强度不足的现象。海南某17层高层住宅,采用短肢剪力墙结构,由于商品混凝土供应过程中操作失误,导致第七层剪力墙混凝土配比错误,强度远不满足设计要求,需要进行加固处理。目前,混凝土结构常用加固方法有加大截面加固法、粘贴钢板或粘贴碳纤维加固法及混凝土置换加固法等[1-2]。本工程由于加固部位位于第七层,剪力墙轴压比过大,粘贴钢板和粘贴碳纤维加固方法并不适用,而加大截面方法加固不仅难以施工,加固后还明显影响使用。经多方案比较决定采用置换混凝土方法处理[3-4]。由于上部有9层楼的荷载,现场难以支撑,本工程通过分段置换严格控制剪力墙内部应力,施工时不设支撑,实现免支撑的置换技术。不仅工期大大缩短,也大大降低了加固成本,对类似工程具有参考意义。

2工程概况

2.1　房屋建筑概况

该房屋为一幢地下一层、地上十六层的商住楼,平面呈Y形,建筑面积10 122 m2。该房屋地下一层作商铺用,层高4.5 m;地上一层为架空层,层高3.6 m;二层以上为住宅,层高均为3.0 m;室内外高差0.2 m,房屋总高度为53.3 m。

加固前结构已封顶并完成了填充墙体砌筑,整幢房屋尚未进行内外墙粉刷和地坪瓷砖铺设。该房屋填充墙采用蒸压加气混凝土砌块和M5混合砂浆砌筑,走廊和分户填充墙厚200 mm,户内填充墙厚100 mm。

2.2　房屋结构概况

该房屋为现浇钢筋混凝土短肢剪力墙结构,结构平面布置如图1所示,地下一层到地上三层墙厚300 mm,四层以上墙厚均为200 mm;一层板厚120、130 mm,二层及以上各层板厚100、120、130 mm。该房屋采用人工挖孔桩基础,基本为每墙肢下一桩,桩径1.0 m、1.2 m和1.5 m三种。桩承台厚1 200 mm。

图1　房屋结构平面图(单位:mm)Fig.1　Structural layout(Unit:mm)

原设计剪力墙混凝土强度等级:地下一层到地上一层为C35,二到六层为C30,七层及以上层为C25。梁、板混凝土强度等级:地下一层到地上两层为C30;三层及以上各层均为C25。

2.3　结构安全状况

检测人员采用取芯和回弹法对检测房屋剪力墙的混凝土强度进行了现场检测。鉴定结果显示七层剪力墙混凝土强度为14.8 MPa,远未达到原设计强度C25,但剪力墙顶暗梁与上层楼板同批浇筑,混凝土强度满足原设计要求,其他各层混凝土强度也均满足原设计要求。

为评定检测房屋的安全状况,合理提出加固处理方案,采用中国建筑科学研究院通用结构分析设计软件PKPM对检测房屋进行建模,验算其当前的承载力状况。验算时的取值情况如下:

人民币升值、绿色壁垒、反倾销以及福利取消交易的一系列交易环境变化,变化的最大值在国际交易和企业利润空间收到挤压类,在以往低税收控股公司以及交货方式的价格将会被税务机关关注。甚至是严厉稽查，根据新的税收，在早期的情况下，这是一个问题，对这两家公司的股东来说是非常重要的。另外，实质是中资的外资企业(俗称假合资企业)在企业中占比较高，这类企业实际上增加了运营成本。

根据原设计要求,该房屋建筑抗震设防类别为丙类,结构安全等级为二级,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05 g,设计地震分组取第一组,场地类别Ⅱ类,特征周期Tg=0.35 s,结构阻尼比0.05,短肢剪力墙抗震等级三级。50年一遇的基本风压为0.85 kN/m2,地面粗糙度类别为B类,风载体型系数为1.3。

在正常使用情况下,结构恒荷载按设计图纸的构件尺寸取值,楼板面层和天花板粉刷层的荷载按规范取为1.5 kN/m2,楼面活荷载取为2.0 kN/m2,内外墙未计墙面粉刷层荷载在混凝土容重中体现,取剪力墙混凝土容重为26.5 kN/m3;结构混凝土材料强度取值:七层剪力墙混凝土强度按实测结果取14.8 MPa,其他楼层剪力墙混凝土强度按原设计取值,即地下一层到一层为C35,二到六层为C30,八层及以上层为C25。梁、板混凝土强度等级:一、二层楼面为C30;三层及以上各层均为C25。钢筋强度按规范要求取值:HPB235取210 MPa,HRB335取300 MPa,HRB400取360 MPa。

PKPM计算所得正常使用荷载下七层剪力墙轴压比如图2所示。

图2　正常使用荷载下第七层轴压比计算结果Fig.2　Axial compression ratio of seventh floorshear wall under service load

短肢剪力墙轴压比普遍超过高层建筑规程规定的轴压比要求,最大轴压比达0.73。此外,七层剪力墙14.8 MPa的混凝土强度也不满足《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[5]规定的C20的钢筋混凝土结构最低混凝土强度要求。结构存在安全隐患,要求对该结构进行加固。

3加固方案选择

3.1　当前结构受力状况

为合理选择加固方案,首先需要了解现场结构的受力状况,尤其是当前结构轴压比状况。在当前情况下,结构恒荷载按设计图纸的构件尺寸结合现场状况取值:楼板未计板面50厚面层和天花板粉刷层荷载,内外墙未计墙面粉刷层荷载(除14～16层内墙外)。楼面活荷载取0.5 kN/m2的施工荷载。

结构混凝土材料强度取值:七层剪力墙混凝土强度按实测结果取14.8 MPa,其他楼层剪力墙混凝土强度按原设计取值。

结果显示,在仅考虑施工荷载下第七层剪力墙轴压比普遍在0.2～0.4之间,最大值为0.54(图3)。

图3　当前施工荷载下第七层轴压比计算结果Fig.3　Axial compression ratio of seventh floor shearwall under current construction load

3.2　加固方案选择

根据结构当前的情况,可行的加固方案有:方案一,直接拆除上部10层,但此法会浪费大量资金,造成的社会影响大;方案二,加大截面加固法,在剪力墙外侧新浇混凝土加厚墙体,但此法会影响使用净空间,新旧混凝土共同参与工作的性能也不易保证,七层结构外墙凸出也不利建筑装饰;方案三,钢板加固,在被加固墙体两侧覆以钢板,但此法会使得装修困难,且加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺,质量不易保证,对后续使用隐患也很大;方案四,从地面开始做支撑结构,对七层以下结构进行支撑,后对七层混凝土拆除置换,但此法支撑工程量巨大,且施工困难,施工时结构稳定性差。

根据现场房屋当前的结构混凝土强度状况,除第七层剪力墙混凝土强度达不到原设计要求外,其它楼层混凝土强度均满足(或超过)原设计要求;再考虑到当前七层剪力墙混凝土强度过低,即使加固后满足承载力要求,也难以保证正常的结构寿命[6-9]。处理方案应以混凝土置换为主,即以高标号混凝土全部置换原七层剪力墙混凝土。原设计混凝土强度等级C25,该工程采用C40微膨胀自密实混凝土进行置换。

考虑到结构在当前施工荷载下第七层剪力墙的轴压比并非很高(最大值0.54),决定采用免支撑分段置换方法进行该房屋第七层剪力墙的混凝土置换。为保证施工期间结构安全及施工速度,经慎重考虑,施工时对七层分为I、Ⅱ、Ⅲ三个施工区,如图4所示,对每墙肢分三次置换,每次置换1/3,按照先中间后两边的原则确定各墙肢分段置换顺序,如图5和图6所示。

图4　施工分区示意图Fig.4　Zoning diagram of construction

图5　第七层Ⅱ区各墙肢分段置换顺序Fig5　The replacement order of shear wallson seventh floor,district Ⅱ

图6　第七层Ⅰ、Ⅲ区各墙肢分段置换顺序Fig.6　The replacement order of shear wall onseventh floor,district I and Ⅲ

置换采用流水施工,即先进行Ⅰ区①段混凝土拆除,浇筑Ⅰ区①段同时拆除Ⅱ区①段,浇筑Ⅱ区①段同时拆除Ⅲ区①段,然后进行Ⅲ区①段的浇筑,并进行第二轮置换……依次进行,直到完成,但应保证每轮拆除前上轮浇筑的混凝土强度不低于70%的设计强度。

3.3　加固方案的可行性

为确保施工期间的结构安全,对施工过程中的不同阶段工况进行结构承载力验算。计算分析时,为安全起见,不考虑每轮拆除时本轮已浇筑混凝土的强度,对第一轮拆除(拆除①段混凝土)后的结构进行PKPM建模,计算分析得到结构第七层剪力墙的轴压比如图7所示,最大值为0.82。第二轮拆除时,第一轮浇筑混凝土强度取70%的混凝土强度即28 MPa,第二轮拆除时第七层剪力墙的轴压比如图8所示,最大值为0.70。第三轮拆除时,第一、二轮浇筑混凝土强度偏安全地均取28 MPa,第三轮拆除时第七层剪力墙的轴压比计算结果如图9所示,最大值为0.50。另需说明的是,考虑施工期较短,计算时不考虑地震作用,但考虑风荷载作用。

图7　第一轮拆除后剪力墙轴压比计算结果Fig.7　Axial compression ratio after the firstround of demolition

图8　第二轮拆除后剪力墙轴压比计算结果Fig.8　Axial compression ratio after the secondround of demolition

4分段置换混凝土施工

本工程由上海某有资质且经验丰富、素质过硬的专业队伍实施,严格按照确定好的置换顺序和分段置换量进行,待新浇混凝土强度达到要求后再进行下一轮置换施工,确保了工程质量和施工期间的整体结构安全。

4.1　混凝土拆除

按照预先制定好的分段置换顺序分三批拆除混凝土。拆除混凝土时应轻敲轻拆,避免对原结构产生过大振动,避免损伤原结构内部钢筋。另外,考虑到拆除②、③段(剪力墙两端)混凝土时与其相连的梁的搁置问题,施工前先对搭在剪力墙上的梁进行临时支撑,待新浇混凝土达到设计强度的70%时再予以拆除。现场拆除情况如图10所示。

4.2　混凝土浇筑

按照既定顺序浇筑新混凝土,与混凝土拆除组成流水作业。注意在先浇和后浇混凝土结合面处,要凿毛先浇混凝土表面,并清除浮松混凝土,再涂刷水泥浆以保证结合面施工质量。现场浇筑及施工后情况如图11所示。

图11　现场浇筑混凝土及置换后情况Fig.11　The pouring on site andthe wall after replacement

5结论

在高层短肢剪力墙结构中,某层混凝土强度明显不足时,根据结构内部的受力情况,可考虑采用免支撑分段置换方法。由该工程的具体实施,可得出免支撑混凝土分段置换方法运用的要点:

(1) 通过对各墙肢进行合理分段,若拆除部分段后剩余墙段轴压比在合理范围内时,可不必对结构进行支撑,靠剩余墙段支撑上部结构。

(2) 剪力墙应用免支撑分段置换加固方法时,各墙肢宜按先中间后两边的置换顺序施工,也可采用更多的分段数,但严格控制分段置换量是

关键;

(3) 与被置换的剪力墙相连的梁下宜设置临时支撑,在混凝土达到强度要求之后再移除;

(4) 混凝土置换方法加固时,新置换混凝土应采用微膨胀、自密实的混凝土,防止新老混凝土之间产生收缩裂缝,并注意结合面的处理。

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基金项目：国家科技支撑计划资助(2009BAJ28B02)

收稿日期：2014-08-11

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