某工程为1栋地下1层、地上22层的住宅楼, 平面呈矩形。该房屋地下1层作为车库使用, 层高5.7m;地上1~21层为住宅, 层高均为2.8m, 顶层作为机房层, 层高4.7m, 房屋总高度为63.5m。加固前结构已施工至地上10层, 内部未进行填充墙等装饰作业。

该房屋采用全现浇钢筋混凝土剪力墙结构, 基础形式为筏板基础。原设计剪力墙混凝土强度等级:地下1~3层为C40;地上4~12层为C35;12层及以上为C30。

在主体结构施工至10层时, 检测发现2层7肢剪力墙混凝土强度不满足设计要求, 回弹和取芯结果仅为C10~C25, 远未达到设计要求的C40, 经设计复核后轴压比超过规定。问题墙肢如图1所示。

综合对比, 最终选用置换劣质混凝土方案。

剪力墙混凝土置换加固的重点工作是支撑卸载和分批分段的进行置换, 成败取决于上部结构的支撑卸载, 形成托换体系。为形成托换体系, 在待置换剪力墙上方和下方新增夹墙梁, 在上下夹墙梁之间设置支撑和千斤顶, 由此将上部荷载卸到下层剪力墙。

夹墙梁提供的竖向支撑承载力主要靠新旧混凝土接触面和植入原剪力墙的钢筋截面承担。根据公式N=f_cA+f_yA_s, 选取其中1条问题墙肢按混凝土实际强度计算第2层墙肢极限受压承载力设计值N=8 599k N。取夹墙梁高h=300mm, 宽度b=400mm, 抱墙梁上下植筋214@100, 根据CECS295∶2011《建 (构) 筑物托换技术规程》中公式计算所得竖向力为10 453k N, 此值大于墙肢极限受压承载力设计值取8 599k N, 故满足托换竖向力计算要求。夹墙梁如图2所示。

选用Q235, 200×10钢管支撑, 计算高度取2.8m, 轴力设计值取1 074k N, 计算支撑强度、局部稳定、平面内和平面外稳定, 该钢管支撑均满足计算要求。支撑立面如图3所示。

拆除2层局部剪力墙会影响上部结构竖向传力, 为尽量减小对原结构的影响, 故对施工区域和施工顺序进行划分, 将剪力墙水力破除与剪力墙恢复进行分批分段跳打施工, 区段划分如图4所示, 从编号1~9逐步施工。

具体施工流程:确定施工部位→新增夹墙梁、搭设支撑架→千斤顶卸载→水力破除剪力墙混凝土→剪力墙浇筑灌浆料恢复→夹墙梁拆除→施工质量检查。

夹墙梁布置在待置换剪力墙两侧, 双夹梁式托换由墙体两侧的夹墙梁构成。夹墙梁施工时将待置换剪力墙表面凿毛并冲洗干净, 以利于夹墙梁新增混凝土与墙体的良好结合, 确保墙体混凝土破碎后能够承受上部荷载。

墙体进行水力破除需提前搭设支撑, 在标高2.700~5.500m搭设200×10圆钢管进行卸载, 间距600~700mm。为保证上部荷载可以通过夹墙梁完成卸载, 故在钢管支撑顶部布置100t千斤顶对夹墙梁施加预顶力, 为避免对顶紧位置楼板造成应力集中, 在千斤顶上下方布置20mm厚钢板 (钢板尺寸≥400mm×400mm) 。夹墙梁布置如图5所示。

由高压泵加压, 产生100~280MPa的高压水射流, 射入混凝土表面。高压水在混凝土中产生1个超压, 当其压力超过混凝土的抗拉强度时, 混凝土发生破碎。原理如图6所示。

水力破除有以下特点:作业无振动、保护原结构、作用范围精确、作业后可以直接铺装、多角度作业、作业空间不受限制、保留钢筋、绿色环保、安全快捷。

施工现场选择进口品牌水力破除半自动设备, 该设备泵站的功率为125k W, 设备流量26L/min, 出口压力230MPa, 现场破除效率0.6~0.7m³/台班。

为削弱拆除整面墙体对结构产生的影响, 采取墙肢混凝土破半后即浇筑灌浆料的方法, 破除需要根据流程进行跳打施工。

1) 施工区域设置硬质封闭围挡及醒目警示标志, 非施工人员不得进入施工区。

2) 施工区域用土工布搭设施工防护, 防止水花四溅, 避免非施工人员进入滑道。

3) 下方区域楼板上铺设封闭的砂袋围堰, 防止污水蔓延。

4) 安排专人及时清理围堰内的污水。

为确保新旧混凝土的可靠黏结和工期要求, 新增夹墙梁和经水力破除后的剪力墙均采用C45高强水泥基灌浆料进行浇筑, 按要求进行支模和拆模后的养护工作, 灌注流程如图7所示。

因夹墙梁凸出板面和板下, 影响室内建筑空间和观感, 故采用水钻与电镐结合的方式进行拆除, 水钻沿原剪力墙和楼板分别排孔, 拆除150~200kg分块大小。水钻块体切割后, 剩余剪力墙和楼板连接部位的少量混凝土用电镐人工剔凿。水钻排孔如图8所示。

利用置换混凝土加固法从根本上解决混凝土强度偏低的问题, 可靠性强, 并且水力破除技术满足现场低噪声、无粉尘等环保要求, 经济效益和社会效益显著。本工程利用20d成功置换6面剪力墙, 既保证了整体工程进度, 又确保了施工质量和安全, 置换效果显著。