高層剪力墻免支撐置換混凝土應(yīng)用技術(shù)研究

近年來我國建筑業(yè)取得了巨大的成就，但與此同時建筑工程質(zhì)量也伴隨產(chǎn)生了一系列問題，例如由于施工質(zhì)量、預(yù)拌混凝土公司技術(shù)水平等因素導(dǎo)致的混凝土強度不滿足設(shè)計要求等問題。目前混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法有加大截面法、粘貼鋼板和粘貼碳纖維法等，濟南某工程1號樓加固過程中，由于加固部位在結(jié)構(gòu)二層，剪力墻軸壓比過大，粘貼鋼板或粘貼碳纖維布方法均不適用，加大截面法施工也較困難且會影響后期使用，經(jīng)過多方案對比，選擇混凝土置換加固方法?？紤]到上部結(jié)構(gòu)有8層樓荷載采用分段置換混凝土的方式。施工過程中不設(shè)支撐，實現(xiàn)了免支撐置換技術(shù)，不僅縮短了工期，簡化了施工工藝，還降低了加固成本。1、工程概況濟南某工程1號樓地上22層，1~21層層高均為2.90?m，22層層高為3.02?m，機房層層高4.60?m，剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)墊層混凝土強度等級為C15，基礎(chǔ)底板及樓梯混凝土強度等級為C30，地上1~7層剪力墻混凝土設(shè)計強度等級C40，8層~12層剪力墻混凝土設(shè)計強度等級C35，13層~機房層剪力墻及各層梁板混凝土設(shè)計強度等級均為C30。施工至地上主體10層時發(fā)現(xiàn)2層~軸間部分墻體混凝土強度僅相當(dāng)于C20，遠(yuǎn)不滿足設(shè)計要求。故決定采用置換法對該部位墻體進(jìn)行加固。2、加固方案按現(xiàn)場實際情況，除2層外，其余樓層混凝土均滿足設(shè)計要求，故采用混凝土置換為主，以高強度等級的混凝土置換原二層強度較低的混凝土，二層剪力墻混凝土原設(shè)計為C40，新置換混凝土強度等級為C45。根據(jù)配筋情況和軸壓比計算結(jié)果，采用整體免支撐置換剪力墻混凝土，本層墻體置換分二次完成，將每片剪力墻分成多段，隔段拆除不合格混凝土，圖1中陰影部分為第一批需要置換的墻體，剩余的為第二批次置換的墻體。根據(jù)每段置換混凝土長不宜超過1.3?m的原則，最終對置換混凝土拆除分批范圍如圖1所示。各批墻體置換施工順序為：設(shè)置支撐→拆除第一批原墻體混凝土→整理鋼筋→支?！鷿仓禄炷痢鹉！B(yǎng)護(hù)，第一批置換完成后方可進(jìn)行第二批墻體置換。圖1剪力墻分批置換分布圖3、免支撐置換有限元分析3.1有限元準(zhǔn)備本文采用ABAQUS有限元軟件，對免支撐置換技術(shù)的討論是在彈性范圍內(nèi)，研究目的是免支撐置換的可行性，即安全地將該技術(shù)用于實際工程，選擇出有代表性的墻體，得出施工狀態(tài)下加固墻體的受力狀態(tài)。在有限元模擬分析過程中，采用生死單元技術(shù)基本原理，將鋼筋混凝土等效為一種單元，在相關(guān)文獻(xiàn)建立的纖維復(fù)合材料的等效模量理論基礎(chǔ)上，提出鋼筋混凝土材料的修正彈性模量。劃分網(wǎng)格時，考慮計算效率和時間，剪力墻、現(xiàn)澆板和現(xiàn)澆梁均選用八節(jié)點六面體縮減積分實體單元，即C3D8R。具體網(wǎng)格劃分圖如圖2~3所示。圖2第2層待置換剪力墻初始受力狀態(tài)下網(wǎng)格劃分圖3施工至主體結(jié)構(gòu)22層整體受力狀態(tài)下網(wǎng)格劃分3.2有限元模型置換過程第一步：原始狀態(tài)下，模擬2層墻體在原始狀態(tài)下的情況，其中結(jié)構(gòu)2層最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大豎向位移分別為1.679?MPa，6.445e-05，0.2738?mm，其中結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力及應(yīng)變均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底層，分別為1.857?MPa，6.445e-05，最大豎向位移出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)頂部，為6.703?mm，由于2層混凝土強度遠(yuǎn)小于設(shè)計強度，應(yīng)力應(yīng)變圖出現(xiàn)突變。第二步，模擬拆除第一批剪力墻混凝土施工工況，結(jié)構(gòu)2層最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大豎向位移分別為3.274?MPa，1.278e-04，0.4433?mm。其中結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力、應(yīng)變出現(xiàn)在第2層，分別為3.274?MPa，1.278e-04，由于鑿除第一批不合格混凝土后應(yīng)力應(yīng)變增大，結(jié)構(gòu)整體最大豎向位移出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)頂部，為6.859?mm。第三步，澆筑第一批剪力墻混凝土，待第一批新澆混凝土強度達(dá)到C45混凝土強度的60%時（第二批混凝土強度等級按C20），進(jìn)行澆筑第一批混凝土澆筑施工過程工況模擬，并分析應(yīng)力應(yīng)變及豎向位移，此時舊混凝土應(yīng)力較大，仍由舊混凝土承受主要荷載，其中結(jié)構(gòu)2層最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大豎向位移分別為1.641?MPa，6.297e-05，0.2645?mm。結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在第1層、最大應(yīng)變出現(xiàn)在第2層，分別為1.848?MPa，6.297e-05。由于鑿除第一批不合格混凝土后新澆筑剪力墻混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)暂^小，第二批不合格剪力墻混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)宰兇?；結(jié)構(gòu)整體最大豎向位移出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)頂部，為6.697?mm。第四步，將第二批待拆除的剪力墻單位“殺死”，待第一批混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度的70%時，“激活”第一批新澆筑剪力墻單元，模擬拆除第二批剪力墻混凝土施工工況，與第三步相比，此時2層新澆筑第一批混凝土應(yīng)力應(yīng)變均有所增加，說明新澆筑第一批混凝土強度開始發(fā)揮作用，其中結(jié)構(gòu)2層最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大豎向位移分別為3.073?MPa，9.984e-05，0.3979?mm。結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力、應(yīng)變出現(xiàn)在第二層，分別為3.073?MPa，9.984e-05。由于鑿除第二批不合格混凝土后，新澆筑第一批混凝土開始承受荷載，應(yīng)力應(yīng)變增大；結(jié)構(gòu)整體最大豎向位移出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)頂部，為6.808?mm。第五步，澆筑第二批剪力墻混凝土，此時第一批新澆混凝土強度已達(dá)到設(shè)計強度的80%，新澆的第二批混凝土強度較低（與原C20混凝土基本相似），應(yīng)力較小，“激活”第一批新澆剪力墻單元，進(jìn)行澆筑第二批混凝土施工工況模擬，并分析應(yīng)力應(yīng)變及豎向位移，此時新澆第一批混凝土承受主要荷載，應(yīng)力較大，其中結(jié)構(gòu)2層最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大豎向位移分別為1.681?MPa，6.183e-05，0.2608?mm。結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在第一層，為1.827?MPa；最大應(yīng)變出現(xiàn)在第2層，為6.183e-05；結(jié)構(gòu)整體最大豎向位移仍出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)頂部，為6.691?mm。第六步，繼續(xù)施工至14層，此時第二批混凝土達(dá)到設(shè)計強度等級C45的70%，第一批達(dá)到設(shè)計強度等級C45的90%，模擬二層混凝土置換完成后繼續(xù)施工至14層的工況，并分析應(yīng)力應(yīng)變及豎向位移，與第五步相比，第二批新澆筑混凝土應(yīng)力有所增長，其中結(jié)構(gòu)2層最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大豎向位移分別為2.252?MPa，7.268e-05，0.3416?mm。其中結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力、應(yīng)變出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底層，分別為2.406?MPa，7.286e-05；結(jié)構(gòu)整體最大豎向位移出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)頂部，為7.732?mm。第七步，繼續(xù)施工至18層，此時第二批新澆混凝土達(dá)到C45的80%，第一批達(dá)到C45的95%，模擬二層混凝土置換完后繼續(xù)施工主體完工的工況，與前一步相比，第二批新澆筑混凝土應(yīng)力有所增長，結(jié)構(gòu)2層最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大豎向位移分別為2.845?MPa，8.741e-05，0.4358?mm。結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力、應(yīng)變出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底層，分別為3.013?MPa，8.958e-05，結(jié)構(gòu)整體最大豎向位移出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)頂部，為9.010?mm。第八步，繼續(xù)施工至22層主體完工，此時第一和第二批混凝土強度均已達(dá)到設(shè)計強度，模擬二層混凝土置換完成后繼續(xù)施工至主體完工的工況，并分析應(yīng)力應(yīng)變及豎向位移，新澆第一、二批混凝土完全協(xié)調(diào)，置換達(dá)到預(yù)期的效果，結(jié)構(gòu)2層最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大豎向位移分別為3.485?MPa，1.015e-04，0.5237?mm。結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力、應(yīng)變出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底層，分別為3.615?MPa，1.214e-04，結(jié)構(gòu)整體最大豎向位移出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)頂部，為9.678?mm。以上所有荷載步下，第一至第五荷載步模擬二層剪力墻置換施工階段，第六至第八荷載步模擬置換完成后的后續(xù)施工階段。第二荷載步為拆除第一批混凝土，此時2層剪力墻混凝土應(yīng)力增大；第三荷載步為新澆第一批混凝土，此時置換層剪力墻混凝土應(yīng)力圖呈條狀，舊混凝土應(yīng)力仍保持較大，新澆第一批混凝土基本未發(fā)揮承載作用；第四荷載步為拆除第二批混凝土，此時置換層新澆第一批混凝土應(yīng)力增大，開始發(fā)揮承載作用；第五荷載步為澆筑第二批混凝土，此時新澆第一批混凝土較前一步增大，新澆第二批混凝土應(yīng)力仍較小，基本未發(fā)揮承載作用；待置換階段全部完成，混凝土強度有一定增長后，繼續(xù)施工上部結(jié)構(gòu)，第六荷載步為置換層結(jié)束，繼續(xù)施工至第14層，此時應(yīng)力圖仍保持條狀，新澆兩批混凝土應(yīng)力均有所增長，新澆第一批混凝土起主要作用，新澆第二批混凝土初步起輔助作用；第七荷載步為上部結(jié)構(gòu)繼續(xù)施工至18層，此時應(yīng)力存在不很明顯的條狀現(xiàn)象，與前一步相比，第二批新澆筑混凝土應(yīng)力有所增長，應(yīng)力與第一批新澆混凝土有所協(xié)調(diào)；第八荷載步為上部主體結(jié)構(gòu)完成，此時置換層應(yīng)力圖不再呈條狀，說明兩批新澆混凝土隨強度增長共同協(xié)同受力，取得了預(yù)期的置換效果。為保證置換過程結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)加強對置換層及結(jié)構(gòu)整體的實時觀測，結(jié)構(gòu)2層與結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力、應(yīng)變對比情況如圖4~5所示，從圖4、圖5可知在置換施工階段，由于第二、四荷載步鑿除了部分承載構(gòu)件，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變大幅增加，由于第三、五荷載步新澆混凝土構(gòu)件增加，承載構(gòu)件增加，應(yīng)力應(yīng)變下降，符合置換階段應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律，由圖4、圖5還可看出，結(jié)構(gòu)2層與結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)變重合，最大應(yīng)力基本重合。在置換完成后的后續(xù)施工階段，隨結(jié)構(gòu)荷載增加，應(yīng)力應(yīng)變呈增長趨勢，也均符合應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，因此施工過程中應(yīng)加強對拆除混凝土?xí)r應(yīng)變的監(jiān)測。圖4最大應(yīng)力對比圖5最大應(yīng)變對比上述模擬施工中的荷載主要是結(jié)構(gòu)荷載，由于風(fēng)荷載及可變荷載較小，結(jié)構(gòu)荷載的計算值按經(jīng)驗公式可得，在置換施工階段，由于加固全過程中均未對結(jié)構(gòu)10層以上結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，上部結(jié)構(gòu)荷載基本保持不變。由圖6可看出，結(jié)構(gòu)2層和結(jié)構(gòu)整體的豎向位移變化趨勢基本接近線性變化，未出現(xiàn)突變，結(jié)構(gòu)2層和結(jié)構(gòu)整體最大位移值分別為0.2608mm和6.691mm，豎向位移沒有較大突變，位移在可承受范圍內(nèi)，因此免支撐置換混凝土對結(jié)構(gòu)置換層的影響是可接受的，方法是可行的。圖6豎向位移對比4、置換過程數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析本文通過粘貼應(yīng)變片和東華DH3815靜態(tài)應(yīng)變系統(tǒng)采集結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)，以監(jiān)控結(jié)構(gòu)應(yīng)變，為方便起見，本文隨機取2層具有代表性的?/~軸間剪力墻為例進(jìn)行監(jiān)測，在剪力墻表面粘貼應(yīng)變片，共布置5個應(yīng)變監(jiān)測點。在剪力墻置換全過程中分批置換混凝土，為保證結(jié)構(gòu)安全，置換過程中須進(jìn)行實時監(jiān)測，受現(xiàn)場條件限制，無法對整個置換過程進(jìn)行監(jiān)測，本試驗從第三荷載步（即第一批混凝土澆筑后，粘貼應(yīng)變片）進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測，并與理論模擬值進(jìn)行對比。從?/~軸間剪力墻5個監(jiān)測點的應(yīng)變曲線走向看，5個監(jiān)測點的變化趨勢與理論模擬值基本一致且較為接近，均為統(tǒng)一增大的壓應(yīng)變，且均在合理的安全區(qū)間內(nèi)，大部分監(jiān)測點實測應(yīng)變值小于或等于理論值，