某高层住宅混凝土强度不足的加固处理

姚雷，吴小民，尹政雯，陶箴云，张红梅

（重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016）

1 工程概况

某工程为高层剪力墙结构，位于贵州省贵阳市，地上28 层，地下1 层，标准层层高为3m，嵌固部位为基顶，抗震设防烈度为6 度（0.05g），设计分组第一分组，场地类别为Ⅱ类，抗震等级为三级。原设计-1～5F 层剪力墙混凝土等级为C60，梁混凝土等级为C30。

工程施工至地上7层 时，发 现 第1、2 层（±0.000～6.000 标高范围）梁与剪力墙节点交接处（剪力墙中楼层板面标高至与其连接梁的梁底标高范围，如图1 所示）混凝土按梁混凝土等级C30进行浇筑。经检测单位实体检测，此处混凝土推定强度为30.1～33.6MPa（龄期已超过28 天），远低于原设计要求。为保证剪力墙承载力满足要求，安全投入使用，故对该工程存在质量缺陷的混凝土墙体进行加固处理。

图1 剪力墙强度不足区域示意图

2 加固设计方案的比选

2.1 结构现状受力状况分析

该工程目前处于停工状态，楼层内隔墙、建筑面层等均未实施。结合现场实际情况，楼面恒荷载（不含构件自重）取0.5 kN/m2，活荷载取1.0 kN/m2（考虑施工荷载等因素），第1、2 层剪力墙混凝土强度等级按C30 进行复核，结果显示墙肢轴压比在0.10～0.18 之间，剪力墙配筋值也在原设计范围内，现阶段（工程停工状态）主体结构安全。

2.2 加固方案选择

由于该工程已施工至第7 层，为降低社会影响及经济损失，拟对混凝土强度不足部位进行加固处理。加固处理方法有增大截面法、置换混凝土法、粘钢法、粘碳纤维法等[1]。

增大截面法工艺简单，费用较低，工期较短，构件承载力及刚度提高幅度大，但加固后房屋有效面积减少，且对使用功能有一定影响。置换混凝土法不侵占原有建筑使用空间，但施工难度较大，对原有钢筋有较大损伤，对施工单位的综合素养要求高，费用较高，工期较长，必要时需专设支撑系统。粘钢法、粘碳纤维法工艺简单，费用较低，工期较短，但是存在植筋胶耐久性问题、影响业主装修问题及物业管理风险问题等，一般在新建住宅建筑加固中较少使用。

经反复权衡，确定加固原则为：加固不得影响建筑内部空间和使用功能，尽量选用施工周期短、成本低的加固方法。根据以上原则，保障建筑使用功能成为首要任务，优先采用混凝土置换法[2]。但剪力墙是保证结构竖向和水平受力安全的最重要部位，此处钢筋多且密，若全部采用混凝土置换法，施工难度大，对原结构钢筋也有较大损伤，置换在所有剪力墙内部形成较多冷缝，存在降低主体结构安全性的风险，且施工周期较长。故结合工程实际情况，采取增大截面法和置换混凝土法相结合的加固方式，对影响建筑内部空间和使用功能的剪力墙采用置换法，对不影响空间和使用功能的剪力墙采用增大截面法，具体如图2 所示。

图2 竖向构件加固方案图

置换法采用无支撑分段置换方式[3]，材料为具有流动性好、自密性高、早期强度高、低收缩等优点的高强灌浆料。施工过程中加强质量控制，尽量降低冷缝带来的安全风险，必要时在冷缝界面处增设抗剪连接钢筋。增大截面法增大了构件的结构刚度，对置换法引起的冷缝问题具有主体结构补偿作用，且施工周期较短。

3 加固关键点分析

3.1 置换分段与施工顺序

该工程对第1、2 层部分剪力墙进行混凝土置换处理。为保证置换施工期间的结构安全和施工效率，经计算，每个墙肢分三段进行置换。以典型墙肢Q1、Q2、Q3（平面位置见图2）分段长度和分段批次为例，具体方案如图3 所示。

图3 典型墙肢分段分批方案图

如图4—图7 所示，第1 段混凝土凿除后，剪力墙轴压比在0.15～0.44 之间；第1 段置换完成，第2 段混凝土凿除后，剪力墙轴压比在0.18～0.32 之间；第2 段置换完成，第3 段混凝土凿除后，剪力墙轴压比在0.19～0.32 之间。此外，主体结构配筋也满足内力计算要求，整个置换过程大多数剪力墙轴压比在0.22～0.3 之间，表明置换过程中结构始终处于安全状态，且具有足够的安全储备，该置换方案合理可行。

图4 置换前剪力墙轴压比

图5 第1段凿除后剪力墙轴压比

图6 第2段凿除后剪力墙轴压比

图7 第3段凿除后剪力墙轴压比

在剪力墙混凝土置换施工前，应控制好楼面荷载，确保不超过设计要求值，对置换剪力墙周边影响范围内的梁板加设临时支撑。分段凿除剪力墙缺陷混凝土时，应确保凿除界面横平竖直。安装智能化监测系统进行实时监测[4]。浇筑灌浆料前应对剪力墙钢筋进行修整，确保符合规范要求，若施工过程中存在损伤、截断等现象，应由设计出具处理方案后方可进行下一步工序。置换施工流程图如图8 所示。

图8 剪力墙置换混凝土施工流程图

3.2 整体指标、内力及配筋分析

为保证工程安全，加固工程完工后，方可开展上部结构施工活动。原设计结构整体指标与加固处理后的整体指标对比结果如表1、图9、图10 所示。结果表明，加固后的结构相对于原设计，刚度略有变大，周期及结构位移略有减小，但幅度有限，在6%以内。加固后结构各项整体指标满足规范要求，且与原设计相近。已施工的第3—7 层部分,构件截面和配筋满足加固计算模型的要求，不需要再行处理。

表1 加固前后指标对比

图9 加固前后层间位移角对比

图10 加固前后地震剪力对比

此外，由于增大截面法加固的剪力墙刚度较大，承担的水平地震力有所增加，置换混凝土法加固的剪力墙承担的水平地震力有所下降，表明采用增大截面法与置换混凝土法相结合的方式，相对于完全采用置换法，降低了置换法剪力墙（有冷缝问题）的地震风险，对整体结构安全性具有补偿作用。

3.3 置换混凝土法施工阶段验算

该工程加固施工时，主体结构已完工7 层，还存在21 层未施工。由于剪力墙采用分三段、三批置换，第1 批置换的混凝土最早承担已施工部分的荷载，第3 批则最后承担，由于存在分批时间差，导致剪力墙内部出现应力滞后现象，截面内应力并非近似均匀分布[5]。工程竣工交付业主正常使用阶段，存在应力滞后的剪力墙将一同承担上部21 层荷载以及整楼的隔墙荷载、活荷载、附加恒载等。对此，该工程采用SAP2000 软件以剪力墙Q1 为例进行详细分析，以确保结构的安全性。采用厚壳单元模拟剪力墙，墙底设置固定支座，楼层标高处设置仅约束剪力墙水平位移的铰支座（模拟楼板对剪力墙的约束），墙顶根据SATWE 计算结果施加竖向节点荷载，加固阶段剪力墙Q1 总荷载为1680kN（平均轴压比按C30 计算为0.15，平均压应力为2.10MPa），正常使用阶段总荷载为11400kN（平均轴压比按C60 计算为0.52，平均压应力为14.25MPa）。SAP2000 计算模型如图11—图13 所示。

图11 Q1三维模型

图12 加固阶段荷载

图13 使用阶段附加荷载

根据计算结果可知（图14—图19），剪力墙Q1 应力滞后现象明显，第1 批置换的混凝土应力最大为5.40MPa，第2 批置换的混凝土应力最大为13.20MPa，第3 批置换的混凝土应力最大为15.60MPa，全截面应力分布为0.00～15.60MPa，平均应力为2.10MPa，最大应力为15.60MPa，小 于C60 混 凝 土 设 计 值27.50MPa（第3 阶段已全部置换为高强灌浆料）。整个过程中C30区段的混凝土压应力未超过4.10MPa，小于C30 混凝土的设计值14.30MPa，表明加固过程中剪力墙始终处于安全状态。

图14 置换前压应力

图15 第1段凿除压应力

图16 第2段凿除应力图

图17 第3段凿除应力图

图18 第3段浇筑应力图

图19 正常使用阶段应力图

正常使用阶段，剪力墙绝大部分应力分布在12.60～15.40MPa范围内，小于C60 混凝土轴力设计限值16.50MPa（按轴压比0.60计算）；剪力墙极少部分存在应力集中现象，最大应力为26.60MPa，小于C60 混凝土设计值27.50MPa。分析结果表明，正常使用阶段剪力墙处于安全状态。

3.4 浇筑混凝土施工及质量检测

浇筑混凝土或高强灌浆料前需先设置模板，并在墙模板顶部设置安装进料口，进料口应设置成凸出的楔形，浇筑口应高于原楼面300mm，浇筑时应将浇筑口浇满，待拆模后再将凸出部位剔凿至与楼面齐平。现场安装时应顶紧原混凝土，模板接缝需严密，具有足够的刚度。混凝土置换施工完成后，应对成型混凝土质量进行检测，按规范验收[6]，确保符合设计要求。

4 结论

本文通过工程实例，介绍了增大截面法和置换混凝土法在高层住宅加固处理中的应用，结合现场实际情况及建筑需求等因素，制定了合理的加固方案，既保证了结构安全，又兼顾了施工效率和经济性。采用SATWE 软件对结构加固前现状、加固施工阶段、工程竣工交付业主正常使用阶段的结构安全性进行了分析；采用SAP2000 软件详细研究了分段置换过程中产生的剪力墙截面应力滞后现象。得到了如下结论：

（1）当建筑出现大量剪力墙构件（如整层剪力墙构件）混凝土强度不足的质量问题时，可采取增大截面法和置换混凝土法相结合的方法进行加固；

（2）增大截面法造成主体结构刚度增大，应对加固完成后的整体指标和构件设计结果进行复核，保证结构安全；

（3）通过分析，可合理制定无支撑置换剪力墙的分段数量、置换顺序，做到安全、经济。除应计算置换过程中和置换后构件的承载力需求外，还应对截面应力滞后现象进行分析，确保构件的安全性。