高层剪力墙免支撑置换混凝土应用技术研究

高层剪力墙免支撑置换混凝土应用技术研究 导言 近年来我国建筑业取得了巨大的成就，但与此同时建筑工程质量也伴随产生了一系列问题，例如由于施工质量、预拌混凝土公司技术水平等因素导致的混凝土强度不满足设计要求等问题。目前混凝土结构的加固方法有加大截面法、粘贴钢板和粘贴碳纤维法等，某工程 1 号楼加固过程中，由于加固部位在结构二层，剪力墙轴压比过大，粘贴钢板或粘贴碳纤维布方法均不适用，加大截面法施工也较困难且会影响后期使用，经过多方案对比，选择混凝土置换加固方法。考虑到上部结构有 8 层楼荷载采用分段置换混凝土的方式。施工过程中不设支撑，实现了免支撑置换技术，不仅缩短了工期，简化了施工工艺，还降低了加固成本。工程概况 某工程 1 号楼地上 22 层，121 层层高均为 2.90m，22 层层高为 3.02m，机房层层高 4.60m，剪力墙结构，基础垫层混凝土强度等级为 C15，基础底板及楼梯混凝土强度等级为 C30，地上 17 层剪力墙混凝土设计强度等级 C40，8 层12 层剪力墙混凝土设计强度等级 C35，13 层机房层剪力墙及各层梁板混凝土设计强度等级均为 C30。施工至地上主体 10 层时发现 2 层轴间部分墙体混凝土强度仅相当于 C20，远不满足设计要求。故决定采用置换法对该部位墙体进行加固。加固方案 按现场实际情况，除 2 层外，其余楼层混凝土均满足设计要求，故采用混凝土置换为主，以高强度等级的混凝土置换原二层强度较低的混凝土，二层剪力墙混凝土原设计为 C40，新置换混凝土强度等级为 C45。根据配筋情况和轴压比计算结果，采用整体免支撑置换剪力墙混凝土，本层墙体置换分二次完成，将每片剪力墙分成多段，隔段拆除不合格混凝土，图 1 中阴影部分为第一批需要置换的墙体，剩余的为第二批次置换的墙体。根据每段置换混凝土长不宜超过 1.3m 的原则，最终对置换混凝土拆除分批范围如图 1 所示。各批墙体置换施工顺序为：设置支撑拆除第一批原墙体混凝土整理钢筋支模浇筑新混凝土拆模养护，第一批置换完成后方可进行第二批墙体置换。图 1 剪力墙分批置换分布图 免支撑置换有限元分析 1.有限元准备 本文采用 ABAQUS 有限元软件，对免支撑置换技术的讨论是在弹性范围内，研究目的是免支撑置换的可行性，即安全地将该技术用于实际工程，选择出有代表性的墙体，得出施工状态下加固墙体的受力状态。在有限元模拟分析过程中，采用生死单元技术基本原理，将钢筋混凝土等效为一种单元，在相关文献建立的纤维复合材料的等效模量理论基础上，提出钢筋混凝土材料的修正弹性模量。划分网格时，考虑计算效率和时间，剪力墙、现浇板和现浇梁均选用八节点六面体缩减积分实体单元，即 C3D8R。具体网格划分图如图 23 所示。图 2 第 2 层待置换剪力墙初始受力状态下网格划分 图 3 施工至主体结构 22 层整体受力状态下网格划分 2.有限元模型置换过程 第一步：原始状态下，模拟 2 层墙体在原始状态下的情况，其中结构 2 层最大应力、最大应变、最大竖向位移分别为 1.679MPa，6.445e-05，0.2738mm，其中结构整体的最大应力及应变均出现在结构底层，分别为 1.857MPa，6.445e-05，最大竖向位移出现于结构顶部，为 6.703mm，由于 2 层混凝土强度远小于设计强度，应力应变图出现突变。第二步，模拟拆除第一批剪力墙混凝土施工工况，结构 2 层最大应力、最大应变、最大竖向位移分别为 3.274MPa，1.278e-04，0.4433mm。其中结构整体的最大应力、应变出现在第 2 层，分别为 3.274MPa，1.278e-04，由于凿除第一批不合格混凝土后应力应变增大，结构整体最大竖向位移出现于结构顶部，为 6.859mm。第三步，浇筑第一批剪力墙混凝土，待第一批新浇混凝土强度达到 C45 混凝土强度的 60%时（第二批混凝土强度等级按 C20），进行浇筑第一批混凝土浇筑施工过程工况模拟，并分析应力应变及竖向位移，此时旧混凝土应力较大，仍由旧混凝土承受主要荷载，其中结构 2 层最大应力、最大应变、最大竖向位移分别为 1.641MPa，6.297e-05，0.2645mm。结构整体的最大应力出现在第 1 层、最大应变出现在第 2 层，分别为 1.848MPa，6.297e-05。由于凿除第一批不合格混凝土后新浇筑剪力墙混凝土应力应变仍较小，第二批不合格剪力墙混凝土应力应变仍变大；结构整体最大竖向位移出现于结构顶部，为 6.697mm。第四步，将第二批待拆除的剪力墙单位“杀死”，待第一批混凝土强度达到设计强度的 70%时，“激活”第一批新浇筑剪力墙单元，模拟拆除第二批剪力墙混凝土施工工况，与第三步相比，此时 2 层新浇筑第一批混凝土应力应变均有所增加，说明新浇筑第一批混凝土强度开始发挥作用，其中结构 2 层最大应力、最大应变、最大竖向位移分别为 3.073MPa，9.984e-05，0.3979mm。结构整体的最大应力、应变出现在第二层，分别为 3.073MPa，9.984e-05。由于凿除第二批不合格混凝土后，新浇筑第一批混凝土开始承受荷载，应力应变增大；结构整体最大竖向位移出现于结构顶部，为 6.808mm。第五步，浇筑第二批剪力墙混凝土，此时第一批新浇混凝土强度已达到设计强度的 80%，新浇的第二批混凝土强度较低（与原 C20 混凝土基本相似），应力较小，“激活”第一批新浇剪力墙单元，进行浇筑第二批混凝土施工工况模拟，并分析应力应变及竖向位移，此时新浇第一批混凝土承受主要荷载，应力较大，其中结构 2 层最大应力、最大应变、最大竖向位移分别为 1.681MPa，6.183e-05，0.2608mm。结构整体的最大应力出现在第一层，为 1.827MPa；最大应变出现在第 2 层，为 6.183e-05；结构整体最大竖向位移仍出现于结构顶部，为6.691mm。第六步，继续施工至 14 层，此时第二批混凝土达到设计强度等级 C45 的70%，第一批达到设计强度等级 C45 的 90%，模拟二层混凝土置换完成后继续施工至 14 层的工况，并分析应力应变及竖向位移，与第五步相比，第二批新浇筑混凝土应力有所增长，其中结构 2 层最大应力、最大应变、最大竖向位移分别为 2.252MPa，7.268e-05，0.3416mm。其中结构整体的最大应力、应变出现在结构底层，分别为 2.406MPa，7.286e-05；结构整体最大竖向位移出现于结构顶部，为 7.732mm。第七步，继续施工至 18 层，此时第二批新浇混凝土达到 C45 的 80%，第一批达到 C45 的 95%，模拟二层混凝土置换完后继续施工主体完工的工况，与前一步相比，第二批新浇筑混凝土应力有所增长，结构 2 层最大应力、最大应变、最大竖向位移分别为 2.845MPa，8.741e-05，0.4358mm。结构整体的最大应力、应变出现在结构底层，分别为 3.013MPa，8.958e-05，结构整体最大竖向位移出现于结构顶部，为 9.010mm。第八步，继续施工至 22 层主体完工，此时第一和第二批混凝土强度均已达到设计强度，模拟二层混凝土置换完成后继续施工至主体完工的工况，并分析应力应变及竖向位移，新浇第一、二批混凝土完全协调，置换达到预期的效果，结构 2 层最大应力、最大应变、最大竖向位移分别为 3.485MPa，1.015e-04，0.5237mm。结构整体的最大应力、应变出现在结构底层，分别为 3.615MPa，1.214e-04，结构整体最大竖向位移出现于结构顶部，为 9.678mm。以上所有荷载步下，第一至第五荷载步模拟二层剪力墙置换施工阶段，第六至第八荷载步模拟置换完成后的后续施工阶段。第二荷载步为拆除第一批混凝土，此时 2 层剪力墙混凝土应力增大；第三荷载步为新浇第一批混凝土，此时置换层剪力墙混凝土应力图呈条状，旧混凝土应力仍保持较大，新浇第一批混凝土基本未发挥承载作用；第四荷载步为拆除第二批混凝土，此时置换层新浇第一批混凝土应力增大，开始发挥承载作用；第五荷载步为浇筑第二批混凝土，此时新浇第一批混凝土较前一步增大，新浇第二批混凝土应力仍较小，基本未发挥承载作用；待置换阶段全部完成，混凝土强度有一定增长后，继续施工上部结构，第六荷载步为置换层结束，继续施工至第 14 层，此时应力图仍保持条状，新浇两批混凝土应力均有所增长，新浇第一批混凝土起主要作用，新浇第二批混凝土初步起辅助作用；第七荷载步为上部结构继续施工至 18 层，此时应力存在不很明显的条状现象，与前一步相比，第二批新浇筑混凝土应力有所增长，应力与第一批新浇混凝土有所协调；第八荷载步为上部主体结构完成，此时置换层应力图不再呈条状，说明两批新浇混凝土随强度增长共同协同受力，取得了预期的置换效果。为保证置换过程结构安全，应加强对置换层及结构整体的实时观测，结构 2层与结构整体的应力、应变对比情况如图 45 所示，从图 4、图 5 可知在置换施工阶段，由于第二、四荷载步凿除了部分承载构件，导致应力应变大幅增加，由于第三、五荷载步新浇混凝土构件增加，承载构件增加，应力应变下降，符合置换阶段应力应变的发展规律，由图 4、图 5 还可看出，结构 2 层与结构整体的最大应变重合，最大应力基本重合。在置换完成后的后续施工阶段，随结构荷载增加，应力应变呈增长趋势，也均符合应力应变发展规律，因此施工过程中应加强对拆除混凝土时应变的监测。图 4 最大应力对比 图 5 最大应变对比 上述模拟施工中的荷载主要是结构荷载，由于风荷载及可变荷载较小，结构荷载的计算值按经验公式可得，在置换施工阶段，由于加固全过程中均未对结构10 层以上结构进行施工，上部结构荷载基本保持不变。由图 6 可看出，结构 2 层和结构整体的竖向位移变化趋势基本接近线性变化，未出现突变，结构 2 层和结构整体最大位移值分别为 0.2608mm和6.691mm，竖向位移没有较大突变，位移在可承受范围内，因此免支撑置换混凝土对结构置换层的影响是可接受的，方法是可行的。图 6 竖向位移对比 置换过程数据监测及分析 本文通过粘贴应变片和东华 DH3815 静态应变系统采集结构应变数据，以监控结构应变，为方便起见，本文随机取 2 层具有代表性的 11/BE 轴间剪力墙为例进行监测，在剪力墙表面粘贴应变片，共布置 5 个应变监测点。在剪力墙置换全过程中分批置换混凝土，为保证结构安全，置换过程中须进行实时监测，受现场条件限制，无法对整个置换过程进行监测，本试验从第三荷载步（即第一批混凝土浇筑后，粘贴应变片）进行应变监测，并与理论模拟值进行对比。从 11/BE 轴间剪力墙 5 个监测点的应变曲线走向看，5 个监测点的变化趋势与理论模拟值基本一致且较为接近，均为统一增大的压应变，且均在合理的安全区间内，大部分监测点实测应变值小于或等于理论值，最大应变值为置换完成后继续施工至结构主体所产生的应变值，为 13 点，最大应变值为 96.8u，理论与实际吻合较好。结束语 综上所述，在置换施工过程中，本文研究的置换墙体收集的各监测点应变值与理论模拟值吻合良好，均满足施工安全要求，且周围与之相连的构件或重点部位的构件均未发现明显变形及裂缝现象，说明原混凝土墙在置换过程中起到了支撑作用，能保证施工及人员安全，使施工工艺简单化，既降低了工程造价，又缩短了施工工期，满足了工程需求，为工程实践提供了借鉴作用。