某高层住宅楼墙体开洞后安全分析及加固设计

宋春雷 金春峰

(中电投工程研究检测评定中心有限公司，北京 100840)

0 引言

剪力墙结构体系在高层住宅楼中应用越来越普遍，为了满足功能及使用要求，在实际使用过程中，对剪力墙进行开洞改造情况时有发生，剪力墙作为主要竖向承重构件，对其进行开洞，不仅影响了房屋的后续使用年限，同时也削弱了房屋的承载能力，对房屋安全性能产生较大影响，针对此，专家学者对剪力墙开洞、墙体抗震加固进行了理论分析及工程应用[1,2]，推动了此类工程科学研究的发展。剪力墙作为抵抗地震作用的第一道防线,其边缘构件对剪力墙的塑性变形能力具有重要作用，结构后续改造过程中应避免对此部分构件区域进行开洞，对于不可避免需对墙体进行开洞的，应尽可能避开受力性能较大区域，并应限制开洞尺寸，且应对开洞后的墙肢轴压比、稳定性及承载力等指标进行验算[3]，并对其采取补强措施，充分保证其延性。

本文以北京市某高层住宅楼剪力墙局部开洞改造为例，对开洞后结构进行安全分析，并给出合理化加固方案。

1 工程概况

本项目位于北京市通州区，为地下2层，地上10层混凝土剪力墙结构房屋，建于2011年，结构高度约为28 m，标准层层高为2.8 m，地下2层为人防层，地下1层为丁戊类储藏室。本工程设计抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第一组，特征周期为0.45 s，场地类别为Ⅲ类，基础形式为箱型基础。

2019年年初，开发商对该建筑物地下1层进行改造，改造过程中对部分剪力墙实施了开洞处理，开洞数量为5个，开洞规格为1 600 mm×1 900 mm，在开洞过程中，洞口范围内水平及纵向钢筋被截断。墙体开洞平面图如图1所示，墙体开洞典型照片如图2,图3所示。

2 需开展的工作

为了对后续结构安全分析及加固设计提供理论依据。需要对该房屋进行结构检测，以了解材料的实际强度、钢筋配置等是否与设计相符。

为了考察剪力墙开洞后结构的抗震性能结果，需要建立实体三维模型，以判断墙体轴压比、抗剪承载力等指标是否超限。

根据检测及分析结论，从提高构件延性及塑性变形的能力出发，给出合理的加固设计方案，确保加固后结构可靠度指标不低于原设计值。

3 墙体开洞后检测

根据GB/T 50784—2013混凝土结构现场检测技术标准、GB/T 50344—2004建筑结构检测技术标准、CECS 03:2007钻芯法检测混凝土强度技术规程、JGJ/T 23—2011回弹法检测混凝土抗压强度技术规程，采用回弹法结合钻芯修正法对混凝土强度进行检测。

所测构件混凝土强度推定值为34.6 MPa，达到原设计C30混凝土强度等级要求。混凝土强度检测结果见表1。

表1 混凝土强度检测结果

4 结构安全分析

依据检测结果，采用PKPM结构计算软件对本工程建立三维实体模型，混凝土强度等级按实测值取用，设计活荷载依据GB 50009—2012建筑结构荷载规范取值，对住宅取2.0 kN/m2,楼梯间取3.5 kN/m2,屋面取2.0 kN/m2，剪力墙抗震等级为二级。结构三维验算模型如图4所示。

4.1 开洞后正常使用状态下剪力墙受剪承载力验算

开洞后剪力墙墙肢正常使用状态下承载力，应考虑恒荷载、活荷载及风荷载组合作用下的效应组合。依据GB 50010—2010混凝土结构设计规范(2015版)[4]规定,正常使用状态下，剪力墙斜截面受剪承载力计算公式为：

经计算，开洞后正常使用状态下，墙肢受剪承载力满足规范要求。

计算结果如表2所示。

表2 正常使用状态荷载效应与抗力计算结果

4.2 开洞后剪力墙轴压比验算

JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[5]规定，当剪力墙抗震等级为二级时，墙体轴压比限值为0.6，经计算，重力荷载代表值作用下，开洞处墙肢轴压比最大值为0.22。

计算结果如表3所示。

表3 开洞后墙肢轴压比计算结果

4.3 开洞后剪力墙斜截面抗震受剪承载力验算

GB 50010—2010混凝土结构设计规范(2015版)规定,剪力墙斜截面抗震受剪承载力计算公式为:

其中，λ为计算截面处的剪跨比；N为考虑地震组合的剪力墙轴向压力设计值中的较小者,当N>0.2fcbh时取0.2fcbh。经计算，墙体开洞后，其抗震受剪承载力满足规范要求。

计算结果如表4所示。

表4 地震作用下荷载效应与抗力计算结果

5 剪力墙开洞加固

根据检测结果及分析结论，虽然本工程开洞后墙肢轴压比没有超限，剪力墙开洞，削弱了结构的塑性变形能力及承载能力,结构轴压比作为反映剪力墙塑性变形能力的重要指标，对房屋安全性具有重要作用，为了使结构塑性变形能力达到设计水平，提高结构抗震承载能力，确保水平力在洞口处的有效传递，利用截断外露钢筋搭接长度，采用对洞口处截断钢筋进行帮条焊接，为了使封洞后洞口混凝土与原结构密实接触，使封洞处混凝土与原结构协同工作，采用C40微膨胀混凝土进行封洞加固，加固完成后在新旧墙体连接处采用粘贴碳纤维布进行补强。具体施工措施为：

1)对于洞口范围内无外露钢筋或外露钢筋焊接长度不足，需剔除洞口范围内混凝土，使钢筋焊接长度达到设计值；对于洞口处有外露钢筋且其外露长度达到焊接设计值，将洞口处外露钢筋进行调直并截断，预留焊接所需长度。

2)凿毛洞口范围内剪力墙，并采用钢刷将洞口清理干净。

3)在剪力墙洞口范围内后置HRB400级钢筋，与原钢筋进行帮条焊接。

4)采用C40微膨胀免振捣混凝土填充洞口，膨胀剂掺量不低于10%。

加固方案如图5,图6所示。

6 结语

高层建筑轴压比是反映影响结构安全、大震下塑性变形的重要指标，控制结构轴压比限值，对保证结构能够完成预定功能，具有重要意义。剪力墙开洞对墙体轴压比影响尤为显著，开洞不仅削弱了构件截面，同时也会对墙肢抗剪承载能力及墙体稳定性产生影响，本工程虽然开洞后结构各项指标仍能满足规范要求，考虑到结构的可靠度水平被降低，为了恢复原结构的可靠度水平，我们对其进行封洞加固。

采用对截断水平及竖向钢筋的有效连接及微膨胀混凝土封洞，能够确保地震力的有效传递，增强结构整体性，使加固后的房屋抗震水平不低于原设计值，能够完成预期使用功能。