李樹明，王美杰，崔慶海，王欣

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東建固特種專業(yè)工程有限公司，山東 濟(jì)南250014）

剪力墻置換加固中內(nèi)力和位移變化研究
——以龍奧御苑住宅樓加固工程為例

李樹明1，王美杰1，崔慶海2，王欣1

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東建固特種專業(yè)工程有限公司，山東 濟(jì)南250014）

研究剪力墻結(jié)構(gòu)置換加固過程中內(nèi)力和位移的變化，可為相關(guān)置換加固工程的設(shè)計(jì)、施工提供一定依據(jù)。文章以龍奧御苑住宅樓加固工程為背景，采用應(yīng)變采集箱對(duì)部分墻體置換加固施工過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行了相關(guān)的卸載試驗(yàn)，研究了剔完剪力墻混凝土后墻垛的內(nèi)力變化及連梁的位移變化，對(duì)比分析了PKPM、ABAQUAS軟件模擬的墻垛內(nèi)力變化及連梁位移變化。結(jié)果表明：剔除腹板墻肢后，翼緣墻肢的軸力變化最大，墻垛軸力試驗(yàn)值比PKPM模型的計(jì)算值大110 kN，而其他軸力變化較小；ABAQUAS軟件模擬的墻肢應(yīng)力變化值與試驗(yàn)測(cè)得的變化值接近，僅相差0.15 MPa；剔除腹板墻肢后，連梁的位移變化較小，未超過規(guī)范限值，ABAQUAS軟件模擬的位移比試驗(yàn)值小0.36 mm。

剪力墻；置換加固；卸載；內(nèi)力；位移

0 引言

近年來，我國建筑業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展和巨大的成就，與此同時(shí)我國的工程質(zhì)量也存在較多問題，由于不同原因?qū)е碌木植炕炷翉?qiáng)度不足而產(chǎn)生的安全問題占有很大比例［1］。置換混凝土加固法通常用于局部混凝土有嚴(yán)重缺陷的混凝土構(gòu)件加固，能從根本上解決混凝土強(qiáng)度不足的問題［2］。吳志雄對(duì)某高層框剪結(jié)構(gòu)柱頭缺陷混凝土置換加固設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)兩種不同的卸載方案進(jìn)行了對(duì)比分析［3］。胡克旭等采用免支撐分段置換法，通過嚴(yán)格控制剪力墻的軸壓比的方法，采用三次置換的分段置換順序?qū)δ扯讨袅Ω邔幼≌M(jìn)行了加固［4］。耿慶和等利用SAP2000模擬了某商業(yè)綜合樓拆除順序?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，分析了采用三種不同的拆除順序梁的內(nèi)力變化，分析表明結(jié)構(gòu)改造過程中施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力影響較大［5］。遲易擇等人采用PKPM軟件SATWE模塊對(duì)某住宅樓模型分析得出：局部混凝土強(qiáng)度不足對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)整體性能如自振周期、層間位移角等產(chǎn)生的影響較小，但對(duì)剪力墻的承載力影響較大，加固的重點(diǎn)應(yīng)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力加固上［6］。潘立對(duì)多片等截面置換表層加固墻體進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，計(jì)算與試驗(yàn)表明被加固墻體組合截面的折算平均強(qiáng)度隨置換表層厚度增大而增加時(shí)，其軸壓承載力也隨之提高［7-8］。劉雄等通過分期置換加固某框架角柱一小段混凝土的工程實(shí)例，分析了施工檢測(cè)結(jié)果以及置換加固的效果，試驗(yàn)結(jié)果表明支撐結(jié)構(gòu)、柱受力鋼筋、混凝土等構(gòu)件的應(yīng)力變化非常微小，新舊混凝土協(xié)調(diào)受力良好［9］。

但上述研究大多數(shù)只是對(duì)施工方案可行性的研究，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)置換加固過程中的內(nèi)力和位移變化研究較少。文章以龍奧御苑住宅樓置換加固工程為背景，研究了結(jié)構(gòu)在置換加固過程中的內(nèi)力及連梁位移的變化，為相關(guān)的置換加固工程提供一定的設(shè)計(jì)、施工建議，從而達(dá)到降低施工成本、提高工程質(zhì)量的目的。

1 工程概況

龍奧御苑住宅樓總建筑面積約7568 m2，其地下一層為儲(chǔ)藏室，層高5.0 m；地上11層為住宅，1層的層高為4.35 m，其余各層層高為3.0 m，建筑高度為34.50m，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震等級(jí)為四級(jí)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30。住宅樓主體結(jié)構(gòu)及隔墻工程已完成，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)第8層（如圖1所示）18軸至33軸墻體及梁、板結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度過低，強(qiáng)度均不足C15，遠(yuǎn)不能滿足C30的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用增大截面法或外包角鋼加固法不能滿足設(shè)計(jì)及使用要求，因此工程采用置換混凝土加固法［10］。

圖1 8層平面圖／mm

2 試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)過程

由于加固工程量比較大，現(xiàn)只對(duì)25-C-D軸墻的置換加固過程進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)采集。采用數(shù)字式靜態(tài)電阻應(yīng)變采集箱對(duì)施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。首先在7層頂部及9層中部架設(shè)托換鋼梁，然后架設(shè)托換鋼柱，托換鋼柱采用HW250×250型鋼，置換墻體兩側(cè)各兩根，如圖2、3所示。在托換柱上部與托換梁之間放置一臺(tái)50 t螺旋式千斤頂，用千斤頂控制加載力的大小。在千斤頂與托換梁之間安放壓力傳感器，通過傳感器顯示的數(shù)據(jù)精確確定千斤頂施加力的大小。由壓力傳感器算得每個(gè)千斤頂施加約250 kN的力，4個(gè)千斤頂共施加1000 kN的力，超過了剪力墻承受的上部結(jié)構(gòu)施加的自重荷載，導(dǎo)致剪力墻產(chǎn)生拉應(yīng)變，但剪力墻拉應(yīng)變未超過混凝土允許極限拉應(yīng)變，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，置換混凝土加固過程可以偏于安全的施工。千斤頂對(duì)剪力墻施加荷載前采集一次數(shù)據(jù)，作為初始數(shù)據(jù)，然后加載千斤頂，對(duì)剪力墻進(jìn)行卸載，待墻體的荷載完全轉(zhuǎn)移至托換柱上時(shí)，千斤頂停止加載并采集一次數(shù)據(jù)，開始剔除強(qiáng)度低的25-C-D軸剪力墻混凝土，直到墻體全部剔除完，剔除過程中每10 min采集一次數(shù)據(jù)，以確保施工安全。當(dāng)出現(xiàn)較大的、不正常的數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)立即停止施工，并分析數(shù)據(jù)變化原因。剪力墻混凝土剔除為人工剔除，在剔除過程中不能損壞不需要處理的原混凝土結(jié)構(gòu)。

圖2 7層頂托梁位置圖

圖3 9層托梁及千斤頂位置圖

待強(qiáng)度過低的混凝土全部剔除完后，將受到影響的縱筋整理至原位置，開始澆筑混凝土，為了縮短工期，被剔除的構(gòu)件采用微膨脹、自密實(shí)、早強(qiáng)的C35灌漿料澆筑。澆筑完成24 h后拆模，拆模后混凝土要灑水養(yǎng)護(hù)72 h，以保證混凝土表面具有一定的濕度。置換加固施工過程中，未發(fā)現(xiàn)與被置換構(gòu)件相鄰的周邊梁板有明顯的裂縫及較大的變形，施工可行性良好，取得了很好的加固效果。

2.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

鋼筋應(yīng)變片主要粘貼在8、9、10層的墻、梁、板受力較大的部位，包括8、9、10層的22-C-D、25-C-D、29-C-D軸剪力墻，22-25-C-G軸和25-29-C-G軸板以及置換加固墻體附近的梁頂、梁底等位置，如圖4所示。其中，●為墻及梁上部應(yīng)變片位置，○為梁下部應(yīng)變片位置，▲為板上部應(yīng)變片位置。同時(shí)在置換剪力墻上部第8層附近的梁底共安放3個(gè)百分表，記錄上部結(jié)構(gòu)的位移值，如圖5所示。其中，▼為百分表位置。

圖4 8層應(yīng)變片位置圖

圖5 8層百分表位置（梁底）圖

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 剪力墻應(yīng)變及軸力

為了方便分析，將剪力墻記為m Q-n，連梁記為m L-n，其中，m為樓層層號(hào)，n為各層不同位置剪力墻、連梁的編號(hào)，8層剪力墻及連梁的具體編號(hào)如圖4、5所示。試驗(yàn)中8Q-1墻為主要受力構(gòu)件，位置如圖4所示。

千斤頂對(duì)8Q-1剪力墻施加荷載前采集一次數(shù)據(jù)，作為初始數(shù)據(jù)，千斤頂加載完采集一次數(shù)據(jù)，然后開始剔除強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求的8Q-2腹板墻混凝土，直到墻體全部剔除完，剔除過程中每10 min采集一次數(shù)據(jù)。8Q-1墻鋼筋應(yīng)變變化折線如圖6所示。

剪力墻混凝土從8Q-2腹板墻底部開始剔除，對(duì)剔腹板墻開始時(shí)、剔斷腹板墻底部、剔完一半腹板墻、剔到腹板墻梁底等關(guān)鍵部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)剔除完8Q-2腹板墻尚未剔除剪力墻暗梁部分混凝土?xí)r，為了改進(jìn)施工工藝，達(dá)到降低施工成本、提高工程質(zhì)量的目的，進(jìn)行了一次卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)從4個(gè)托換柱共1000 kN卸載至0 kN，每次卸載200 kN，采集完鋼筋應(yīng)變數(shù)據(jù)后將荷載恢復(fù)至1000 kN，開始剔除暗梁缺陷混凝土。對(duì)千斤頂施加1000 kN的力使8Q-1墻垛混凝土產(chǎn)生了72×10-6大小的拉應(yīng)變。隨著剪力墻逐漸被剔完，8Q-2剪力墻受到的拉力逐漸由與之相連的墻垛承擔(dān)，使得該處鋼筋在剔除過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)變不斷增加，鋼筋應(yīng)變片應(yīng)變由71×10-6增加到122×10-6，墻垛產(chǎn)生了51×10-6的拉應(yīng)變?cè)隽?。荷載從1000 kN卸載到0 kN的過程中，托換鋼柱的軸力逐漸減為0 kN，上部結(jié)構(gòu)的大部分荷載逐漸施加給墻垛，8Q-1墻垛的應(yīng)變變化較大，相對(duì)于千斤頂加載前，墻垛產(chǎn)生了大約55×10-6的壓應(yīng)變差，由剪力墻應(yīng)變與軸力的關(guān)系得出8Q-1剪力墻軸力為

圖6 8Q-1墻鋼筋應(yīng)變變化折線圖

3.1.2 剪力墻連梁位移

在千斤頂卸載過程中，對(duì)連梁的位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在靠近置換加固墻體一側(cè)的連梁8L-1、8L-2、8L-4的梁底，如圖5所示。利用百分表觀察連梁的位移值，百分表利用支座的磁力固定在鋼管上，鋼管固定在8層底樓板。

卸載時(shí)百分表顯示與被置換剪力墻鄰近的連梁8L-4梁底位移下降最大，卸載時(shí)連梁位移的折線變化如圖7所示。

將千斤頂卸載至0后梁底最大位移僅為1.940 mm，結(jié)構(gòu)變形微小，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的受力無很大影響。根據(jù)GB 50010—2010《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］規(guī)定，計(jì)算鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的最大撓度限值ω＝L0／200＝3800／200＝19 mm，大于試驗(yàn)值，因此剔除8Q-2墻后連梁8L-4的撓度未超過規(guī)范限值。

圖7 卸載時(shí)連梁8L-4梁底位移值變化折線圖

在千斤頂卸載的過程中對(duì)連梁位移變形監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也對(duì)8Q-2墻體附近的8、9層連梁的開裂情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在整個(gè)千斤頂卸載的過程中8Q-2墻體附近的8、9層連梁均未出現(xiàn)裂縫。由此可知，8Q-2墻體的剔除對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很小，不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，從而改變結(jié)構(gòu)的受力狀況，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂破損或者破壞。

3.2 模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.2.1 剪力墻軸力的PKPM計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由試驗(yàn)測(cè)得的剪力墻應(yīng)變可以計(jì)算剪力墻的軸力，PKPM為常用的加固設(shè)計(jì)軟件，將試驗(yàn)測(cè)得的剪力墻軸力與PKPM計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以了解實(shí)際內(nèi)力與軟件結(jié)果的差距，為加固設(shè)計(jì)者提供一定的實(shí)用建議?？紤]到施工工期較短，PKPM模型不考慮風(fēng)荷載、地震作用，只考慮結(jié)構(gòu)自重、隔墻自重及1 kN／m2的施工荷載。利用SATWE模塊對(duì)工程結(jié)構(gòu)相應(yīng)的工況進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。PKPM計(jì)算的剔除8Q-2剪力墻混凝土前及剔墻后8層各剪力墻的軸力大小如圖8所示。其中N1為剔墻前各剪力墻軸力，N2為剔墻后各剪力墻軸力，N3為剔墻前后各剪力墻軸力差值（等于剔墻后各剪力墻軸力減去剔墻前各剪力墻軸力）。圖8中各剪力墻的軸力均為構(gòu)件內(nèi)力調(diào)整前的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力，不考慮各構(gòu)件的內(nèi)力放大系數(shù)，以較真實(shí)的反映試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力大小。

由圖8可以看出，8Q-1墻垛產(chǎn)生的軸力差值為-306 kN。試驗(yàn)值比PKPM模型計(jì)算值大110 kN，原因是剔除腹板墻后，上部結(jié)構(gòu)自重荷載使8Q-1墻垛受到彎矩的作用，使墻垛外側(cè)受拉而內(nèi)側(cè)受壓，由于應(yīng)變片粘貼在墻垛受壓側(cè)，壓應(yīng)力較截面其他點(diǎn)壓應(yīng)力大，用此點(diǎn)數(shù)據(jù)按軸心受壓計(jì)算得到的墻垛軸力值也就大。而未剔腹板墻前，8Q-2腹板墻墻底的軸力為-366.8 kN，剔完腹板墻后8Q-1墻垛軸力只增加了306 kN，比8Q-2腹板墻墻底的軸力小60.8 kN，說明PKPM的SATWE模塊考慮了結(jié)構(gòu)的整體性，8Q-2腹板墻的軸力沒有全部施加給8Q-1墻垛，而是通過梁、板的拉結(jié)作用傳到了附近墻體，附近墻體軸力的增加也說明了這一點(diǎn)［12］。缺陷混凝土的強(qiáng)度按C15計(jì)算，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為7.2 MPa，此時(shí)8Q-1墻垛的軸壓比為0.31，小于軸壓比限值。

圖8 剔除8Q-2墻前后8層各墻PKPM計(jì)算軸力及差值圖

剔除8Q-2墻肢后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，8Q-3至8Q-9墻肢的軸力變化較小，8Q-1墻垛承擔(dān)了8Q-2腹板墻軸力的83.4%，說明8Q-2墻肢剔除后，墻垛為主要受力構(gòu)件，而鄰近剪力墻分擔(dān)的軸力較小。由于8Q-3及8Q-5墻垛的軸力較小，假設(shè)全部施加到腹板墻上，8Q-4、8Q-6腹板墻的軸壓比分別為0.11、0.1，故可以利用腹板墻的有利作用，采用免支撐置換加固法，從而達(dá)到減少施工工藝，縮短工期的目的［13］。而原設(shè)計(jì)對(duì)墻垛的置換加固采用了利用托換鋼梁置換的方法，工藝復(fù)雜，增加了施工成本。

3.2.2 ABAQUS應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

ABAQUS有限元分析軟件，可解決從相對(duì)簡單的線性分析到許多復(fù)雜的幾何非線性和材料非線性問題，能夠較真實(shí)地模擬工程試驗(yàn)［14］。由于工程結(jié)構(gòu)較大，有限元模型的建立比較復(fù)雜，所以試驗(yàn)的ABAQUS模型只模擬了8層及以上結(jié)構(gòu)，將8層剪力墻底部設(shè)置為固定約束，各構(gòu)件之間連接設(shè)置為固結(jié)，荷載包括剪力墻、連梁、板的自重及板上的施工荷載。由試驗(yàn)可知，結(jié)構(gòu)的變形較小，故只考慮鋼筋、混凝土材料的彈性階段，不考慮材料的塑性階段，由于其他剪力墻墻體已經(jīng)置換完成，混凝土彈性模量取為3.0×104MPa，泊松比設(shè)置為 0.2，鋼筋彈性模量取為 2.1×105MPa，泊松比設(shè)置為0.3?；炷良袅?、連梁及板采用殼單元S4R，鋼筋通過添加鋼筋層的方式設(shè)置。

如圖9所示，在自重荷載作用下，板跨中產(chǎn)生的應(yīng)力最大，由ABAQUS數(shù)據(jù)得應(yīng)力約等于0.5 MPa，板的其他部位應(yīng)力約為0.13 MPa，8層8Q-2墻肢頂部應(yīng)力約為1 MPa，剪力墻其他部位的應(yīng)力與此處應(yīng)力比較接近。

圖9 剔除剪力墻前應(yīng)力云圖

如圖10所示，剔除8Q-2墻肢后，板的應(yīng)力變化較小，8層8Q-1墻肢頂部暗梁部分應(yīng)力變化最大，應(yīng)力值約為3.5 MPa，其變化值為2.5 MPa，剪力墻其他部位應(yīng)力變化較小。8Q-1墻肢中間高度應(yīng)力值為 2.8 MPa，其變化值為 1.8 MPa，與試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力變化值1.65 MPa接近，說明ABAQUS能較真實(shí)地模擬試驗(yàn)。

圖10 剔除剪力墻后應(yīng)力云圖

3.2.3 ABAQUS連梁位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比

ABAQUS模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橥暾Y(jié)構(gòu)時(shí)，連梁8L-4南側(cè)的位移為0.27 mm，而剔除8Q-2墻肢后連梁8L-4南側(cè)的位移為1.58 mm，與剔除8Q-2墻肢后位移相比變化較小。將ABAQUS模擬試驗(yàn)得到的位移與圖7所示的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位移比較可知，模擬試驗(yàn)位移比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位移小0.36 mm，原因是在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，與8Q-2墻肢連接的樓板由于通過鋼柱支撐需要開較大的孔洞，從而使樓板對(duì)連梁8L-4的約束減小，連梁位移較大，而ABAQUS模擬試驗(yàn)與8Q-2墻肢連接的樓板與墻肢剛接，沒有開洞，樓板對(duì)連梁8L-4的約束較大，連梁位移較小。

4 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）剔除8Q-2腹板墻混凝土后，墻垛8Q-1的軸力變化最大，墻垛軸力試驗(yàn)值比PKPM模型計(jì)算值大110 kN，其他墻肢軸力變化較小。墻垛軸力較小時(shí)，可以利用腹板墻的有利作用，采用免支撐置換加固法。

（2）剔除8Q-2腹板墻混凝土后，墻垛應(yīng)變最大，說明8Q-1墻垛的應(yīng)力變化最大，ABAQUAS軟件模擬的墻肢應(yīng)力變化值與試驗(yàn)測(cè)得的變化值接近，僅相差0.15 MPa，ABAQUS能較真實(shí)地模擬試驗(yàn)。

（3）剔除8Q-2腹板墻后，梁底最大位移僅為1.940 mm，連梁撓度變化較小，ABAQUAS軟件模擬的位移比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位移小0.36 mm，結(jié)構(gòu)的變形微小，未超過規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)開裂破損或者破壞的現(xiàn)象。

［1］ 張義，李書帆，姜明月，等.淺談混凝土質(zhì)量缺陷的控制措施［J］.河南建材，2013，2：40-41.

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Research on internal force and displacement change of shear wall reinforcement：A case study on the strengthening project of Longaoyuyuan residential building

Li Shuming1，Wang Meijie1，CuiQinghai2，et al.
（1.School of Civil Engineering.Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shandong Jiangu Special Professional Engineering Co.Ltd.，Jinan 250014，China）

The change of internal force and displacement in the reinforcement process of shear wall structure can provide some basis for the design and construction of the related replacement and reinforcement engineering.Based on the strengthening project of the residential building of Longaoyuyuan，by using strain collection box for partof thewall for the real-timemonitoring and doing some related unloading experiments，the paper studies the internal force changes and the displacement of the beam after removing the shear wall concrete and analyzes the results of the change of the internal force and the displacement of the simulation of PKPM and ABAQUAS software.The results show that after stripping out the wall of the abdominal wall，the axial force of the limb of the limb varies themost and the shaft force of the wall calculated by PKPM model is 110kN smaller than the test data，and other axial forces change smaller.The value of the wall arm stress simulated by ABAQUAS software is almost the same as thatmeasured by the test，only 0.15 MPa bigger.The deflection of the beam is not exceeded by the specification limit，and the displacement of ABAQUAS software simulation is 0.36 mm less than the test data.

shear wall；strengthening by replacement；unloading；internal force；displacement

TU398

A

1673-7644（2017）05-0496-06

10.12077／sdjz.2017.05.014

2017-08-12

李樹明（1973-），男，工程師，學(xué)士，主要從事工程結(jié)構(gòu)安全性診斷與加固改造施工等方面的研究.E-mail：13605312955＠163.com［*

］

（學(xué)科責(zé)編：趙成龍）