免支撑置换剪力墙混凝土法分段方法研究

种道坦，绳钦柱，牟 强，张建鹏，崔 珑，李新泰

（山东省建筑科学研究院，山东 济南 250031）

0 引 言

改革开放以来，我国经济快速增长。近几年，我国建筑行业迎来爆发期，新建建筑数量呈几何倍数增长。新建建筑中，高层住宅建筑占了相当大的比重［1］，而高层住宅建筑中又以剪力墙结构形式居多。随着新建建筑井喷式增长，种种原因导致的施工质量问题频出，混凝土强度达不到设计强度等级要求的现象时有发生［2］。

目前比较常用的混凝土剪力墙的加固方法有增大截面加固法、置换混凝土加固法、体外预应力加固法、外包型钢加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材加固法、预应力碳纤维复合板加固法及增设支点加固法等［3］。在上述诸多加固方法中，置换混凝土加固法最为直接有效，尤其对住宅类建筑的加固来说，置换混凝土加固法不改变原有结构形式，对后期使用影响最小，是住宅类建筑的最优加固法。当前置换混凝土加固法的实施中以传统的先支撑后置换的方式居多，置换过程中需要设置大量支撑，经济成本较高。

同济大学胡克旭等［4］通过严格控制剪力墙的轴压比，采用免支撑分段置换法对某短肢剪力墙高层住宅进行了加固，取得了良好的效果。湖南大学刘雄、山东建筑大学李树明等通过分期置换加固某框架角柱一小段混凝土的工程实例，分析了施工检测结果以及置换加固的效果，试验结果表明支撑结构、柱受力钢筋、混凝土等构件的应力变化非常微小，新旧混凝土结合及协调受力良好［5－6］。中国建筑科学研究院李春涛等［7］通过采用免支撑分段置换混凝土法（分三段）对某在建的 31 层剪力墙结构住宅楼第 18 层剪力墙混凝土进行置换，通过对剪力墙的合理分段并制定合理的置换顺序，严格控制施工阶段的混凝土墙内部应力，实现免支撑分段置换剪力墙混凝土，取得了良好的加固效果。本文通过对多个高层住宅模型计算分析，并结合已成功施工完毕的一个工程案例，总结免支撑置换剪力墙混凝土的控制要点及分段原则，以期为相关的高层剪力墙结构剪力墙混凝土置换工程提供一定的参考，进而达到降低施工成本、提升施工效率、提高施工质量的目的。

1 模型计算参数设置及计算原则

1.1 模型计算参数设置

目前在建工程的正常施工速度以 6～7 d 施工一层居多。混凝土强度的检测多在构件混凝土龄期不少于 28 d 以后进行。工程存在某楼层混凝土强度达不到原设计强度等级要求的发现时机大都在 28 d 左右。模型计算时以置换层上方施工完毕 6 层为前提进行研究。

模型计算时设定工程案例在施工过程中发现该工程地上1 层 剪力墙混凝土强度按批次推定值为 14.1 MPa，远低于原设计强度等级的要求，现有其余各楼层混凝土强度推定值均满足原设计强度等级的要求，拟采用免支撑置换剪力墙混凝土法对该工程 1 层剪力墙混凝土进行置换。

模型在计算时假定置换层上方已施工完毕各楼层填充墙，楼面做法及顶棚等均未施工，故计算时楼面恒荷载仅考虑板自重。在正常情况下剪力墙混凝土置换加固施工时，置换层上方应停止一切与剪力墙混凝土置换施工无关的作业，安全起见并结合部分实际施工情况考虑，模型计算时楼面活荷载按 0.5 kN/m2取值。根据假定，混凝土构件表面抹灰等装饰层均未施工，混凝土容重按 25 kN/m3取值；置换层剪力墙混凝土强度按 14 MPa 取值，其余各层构件混凝土强度均按原设计强度等级取值。由于剪力墙混凝土置换加固施工周期较短，计算时不考虑地震作用及雪荷载，计算时仅考虑荷载的标准值组合并同时考虑风荷载作用。

1.2 计算原则

规范规定，剪力墙抗震等级为二级和三级的高层建筑，在重力荷载代表值作用下剪力墙墙肢的轴压比不宜超过 0.6［8］。在目前已成功的免支撑剪力墙混凝土置换的工程案例中，在计算阶段多将墙肢的最大轴压比控制在 0.50～0.82，参考既有成功案例，本文在研究过程中将墙肢最大轴压比控制在不超过 0.7。

在保证结构安全的前提下为确保施工速度，根据各待置换墙体的长度，在采用分段、分批次置换原则的前提下，剪力墙划分的单个置换墙肢的长度原则上控制在 700～1 000 mm，对个别自身长度较小的剪力墙的墙肢长度根据具体情况另行细分考虑，在方案的制定上尽量使待置换墙体在置换时保持墙体自身及整层墙体的对称性，同时将每段待置换墙体至少分两次进行置换。对于自身长度足够长的墙体，采用按不同分批方案对应的分批次数进行等长度划分的原则，同时控制单个墙肢长度不小于 500 mm。

2 模型 A 计算

2.1 模型 A 原设计概况

该工程设计为地下 1 层地上 18 层剪力墙结构，基础形式为桩基+筏板基础，楼屋面板采用现浇钢筋混凝土梁板结构。该工程结构安全等级为二级，建筑设计合理使用年限为 50 年，抗震设防烈度为 6 度，设计地震加速度为 0.05 g，设计地震分组为第三组，建筑抗震设防类别为丙类，框架抗震等级为四级，建筑场地类别为 II 类；基础设计等级为甲级。设计基本风压为 0.45 kN/m2，基本雪压为 0.30 kN/m2，地面粗糙度为 C 类。一类环境下现浇混凝土构件柱、梁为 20 mm，板、墙、壳钢筋保护层厚度为 15 mm。

2.2 模型 A 设计材料及现状

基础垫层为 C 15，筏板为 C 35，地下 1 层～地上 1 层剪力墙为 C 35，梁、板、2 层及以上剪力墙均为 C 30。

该工程现已施工至 7 层（主体结构 7 层现已施工完毕），填充墙尚未开始砌筑。经检测该工程 1 层剪力墙混凝土强度按批次推定值为 14.1 MPa，远低于原设计强度等级 C35 的要求，现有其余各楼层混凝土强度推定值均满足原设计强度等级的要求。

2.3 模型 A 结构计算

2.3.1 模型 A 分批方案

对模型 A 共按 3 种分批方案分别进行计算，即单次分别置换整层剪力墙的 1/4、1/3 及 1/2 进行计算，置换材料采用高强无收缩灌浆料，置换用灌浆料抗压强度等级较混凝土原设计强度等级高一标号，分批方案如图1～3 所示。

图1 模型 A 单次置换整层 1/4 剪力墙分批方案

图2 模型 A 单次置换整层 1/3 剪力墙分批方案

图3 模型 A 单次置换整层 1/2 剪力墙分批方案

2.3.2 模型 A 分批置换计算结果

当进行第二～第四批次置换计算时，置换计算批次之前已置换批次（即第一～第三批次）混凝土强度均按置换用灌浆料强度等级的 70 % 考虑，对该工程按28 MPa 考虑。经计算，模型 A 各分批方案各批次计算轴压比计算结果中的最大轴压比如表1 所示。模型 A 各分批方案第一批次轴压比计算结果如图4～6 所示。

表1 模型 A 最大轴压比统计

图4 模型 A 单次置换整层 1/4 剪力墙分批方案第一批次轴压比计算结果（左侧单元）

图5 模型 A 单次置换整层 1/3 剪力墙分批方案第一批次轴压比计算结果（左侧单元）

3 模型 B～E 计算

3.1 模型 B～E 原设计概况

图6 模型 A 单次置换整层 1/2 剪力墙分批方案第一批次轴压比计算结果（左侧单元）

模型 B 原设计为地下 2 层、地上 18 层剪力墙结构，基础形式为桩基+筏板基础，楼屋面板采用现浇钢筋混凝土梁板结构。该工程结构安全等级为二级，建筑设计合理使用年限为 50 年，抗震设防烈度为 7 度，设计地震加速度为 0.10 g，设计地震分组为第三组，建筑抗震设防类别为丙类，建筑场地类别为Ⅲ类；基础设计等级为甲级。设计基本风压为 0.45 kN/m2，基本雪压为 0.35 kN/m2，地面粗糙度为B类。一类环境下现浇混凝土构件柱、梁钢筋保护层厚度为 20 mm，板、墙、壳钢筋保护层厚度为 15 mm。模型 C～E 概况与模型 B 类似，不再赘述。

模型 B～E 均按以下条件假定：置换层上方现已施工完毕 6 层，填充墙尚未开始砌筑。置换层剪力墙混凝土，远低于原设计强度等级 C 35（C 30）的要求，除置换层外的其余现有各楼层混凝土强度推定值均满足原设计强度等级的要求。

3.2 模型 B～E 结构计算

对模型 B～E 均按 3 种分批方案分别进行计算，即单次分别置换整层剪力墙的 1/4、1/3 及 1/2 进行计算，置换材料采用高强无收缩灌浆料，置换用灌浆料抗压强度等级较混凝土原设计强度等级高一标号。

在模型 B～E 的计算过程中，当进行第二～第四批次置换计算时，置换计算批次之前已置换批次（即第一～第三批次）混凝土强度均按置换用灌浆料强度等级的 70 % 考虑。经计算，模型 B～E 各分批方案各批次计算轴压比计算结果中的最大轴压比，除模型 B 的 1/2 分批方案的第一批次轴压比最大值大于 0.7 以外，其余各分批方案的计算结果均未超过 0.7，计算结果如表2 所示。

表2 模型 B～E 最大轴压比统计

4 工程实例

4.1 工程实例概况

工程实例设计为地下 2 层，地上 22 层剪力墙结构住宅，基础型式为条形基础，建筑结构的安全等级为二级，结构设计使用年限 50 年。抗震设防烈度为 6 度（0.05 g），设计地震分组为第三组；抗震设防类别为标准设防类；建筑场地类别为 I2 类。该工程剪力墙及框架抗震等级均为四级。该工程基础垫层混凝土强度等级为 C 15，基础底板及楼梯混凝土强度等级为 C 30，地下2～7 层剪力墙混凝土设计强度等级 C 40，8～12 层剪力墙混凝土设计强度等级 C 35，13 层～机房层剪力墙混凝土设计强度等级 C 30，各层梁板混凝土设计强度等级均为 C 30。

该工程施工至地上主体 10 层时发现 2 层墙体混凝土强度较低，不满足设计要求。采用置换法对该工程 2 层墙体进行加固，设计考虑上部 8 层荷载。

4.2 工程实例分批方案

对工程实例 2 层剪力墙混凝土共分 4 批进行置换，即单次分别置换整层剪力墙的 1/4，在分段时考虑施工周期，对分批进行了优化，总体原则上将单段墙体控制在 800～1 000 mm之间，然后根据各墙体的自身长度不同按分批次数进行等长度划分。在置换顺序上，对单段墙体的置换均考虑分两次进行，通过对墙体的合理安排，使墙体的置换尽量保持墙体的左右对称（东西向），在南北向上作同样考虑。置换材料采用高强无收缩灌浆料，置换用灌浆料抗压强度等级较混凝土原设计强度等级高一标号，分批方案如图7 所示。

图7 工程实例剪力墙混凝土置换分批方案（单次置换整层1/4）

4.3 工程实例免支撑分批置换结果

经计算，工程实例在进行第一～第三批次剪力墙混凝土置换时最大轴压比分别为 0.64、0.34、0.63。剪力墙的置换分 4 个阶段进行。在置换方案确定以后，施工主要分 6 步进行：①在待置换墙体周边梁底设置支撑；②拆除第一阶段置换剪力墙混凝土并及时浇筑；③进行第二～第四阶段剪力墙混凝土置换施工；④待新浇筑混凝土达到一定强度后拆除置换墙体周边梁底支撑。具体施工过程如下所述。

为安全起见，在置换施工开始前，针对工程案例制定了一套应急预案。墙体拆除时的临时支撑方案，以应对现场的突发情况，设置时使杆件处于未受力状态，作为安全储备，以应对紧急状况，整个置换施工过程按免支撑方案进行。同时选取其中一道墙体（11/B～E 轴间剪力墙），在置换施工开始前在该墙体两侧中部的支撑钢管中各选取其中一道竖向钢管下部分别放置一台千斤顶，并在千斤顶上方安放压力传感器记录该墙体混凝土拆除前后支撑的受力状况。与此同时，在 11/B～E 轴间剪力墙置换施工时，其余墙体均按既定方案同步进行施工。经监测，在墙体置换过程中传感器显示的数据基本无变化，现场如图8～10 所示。11/B～E 轴间剪力墙置换过程中临时支撑受力变化过程如表3 所示。

5 结 论

图8 现场安放压力传感器墙体

图9 压力传感器安放于支撑管件底部

图10 置换墙体

表3 11/B～E 轴间剪力墙置换过程第一阶段临时支撑受力统计

住宅中剪力墙混凝土强度等级不满足原设计强度等级而导致墙体的承载力不满足设计要求，必须进行加固处理，而置换混凝土加固方法是最优解，通过对置换混凝土墙体的合理分段，严格控制墙肢的轴压比，可实现免支撑置换剪力墙混凝土的施工。

通过对工程实例的剪力墙临时支撑的受力监测数据可以看出，在剪力墙墙肢的拆除及新混凝土浇筑过程中，临时支撑管件的受力及力的变化相较墙肢的受力可以忽略不计，在剪力墙混凝土置换施工的整个过程中，临时支撑均处于非受力状态。置换方案中的墙肢承担了全部的上部荷载，没有力传至临时支撑上。在工程实例中的整个置换施工过程中，该工程各墙肢及周边梁、板及上下层相关及相邻剪力墙、梁及板等构件均未发现异常变形及受力破坏现象，各构件均工作正常。工程实例的 1/4 分批方案置换工作进展顺利，施工达到预期效果，得到该工程建设、监理等各方的一致好评，该分批方案的免支撑置换剪力墙方法得到认可。

工程实例中的免支撑方案提高了置换施工的速度，节约了支撑材料，缩短了施工周期，并在置换施工过程中保证了结构的安全，为免支撑置换剪力墙混凝土方法做了示范，可为类似工程提供参考，该方法安全可行。目前该方法已有多个成功案例，需进行剪力墙混凝土置换的工程可参考使用该方法，该方法的使用对节约成本大有益处。