我国既有建筑面积约600亿m²。对既有建筑加固改造, 不仅可以提升建筑功能, 还可以延长使用寿命。不少学者对多层建筑的加固改造开展了研究与实践^{[1,2,3,4,5,6]}。剪力墙在高层建筑中的应用越来越多, 在实际工程中存在对剪力墙开洞的问题。文献[7]采用PKPM软件建立剪力墙结构开洞前后的模型, 分析表明:该工程中墙体开洞后剪力墙配筋降低;采用粘钢加固后, 结构的抗剪承载力满足规范要求。文献[8]利用有限元软件ANSYS建立了加固后的剪力墙开洞有限元模型, 结果表明:剪力墙开洞后, 墙体顶点的最大位移超过规范要求, 墙体的承载力下降。文献[9]结合已有工程对剪力墙开洞的鉴定、验算及加固处理进行了分析, 采用了加大截面法对开洞后剪力墙进行加固。

　　 综上所述, 剪力墙开洞将截断剪力墙水平钢筋和纵向钢筋, 可能引起墙体轴压比降低、平面外稳定性不足、抗震能力降低等问题。针对这些问题, 以抗震设防烈度为6度区的某高层剪力墙开洞后封洞加固工程为例, 进行了加固方案的探索。

　　 本项目为地下1层、地上18层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 由塔楼及其裙房组成。结构总高度100.9m, 地下1层层高4.8m, 地上1层层高6.0m, 其余标准层层高5.4m。地上1层墙、柱部分平面布置如图1所示。原设计中, 抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 设计地震分组为第一组, 特征周期为0.45s, 建筑场地土类别为Ⅲ类, 基础为桩基础。框架和剪力墙抗震等级均为三级。

　　 2016年初, 某住户在1层?~?轴、 (1) ~ (11) 轴所围区域拟增设夹层。增设夹层的区域面积约320m²。夹层楼盖采用工字钢梁, 钢梁平行于 (1) 轴方向布置, 钢梁跨度约9.6m, 如图2所示。若本工程采用后锚固技术, 需要剪力墙为夹层提供可靠支承, 然而, 剪力墙、框架柱之间的陶粒空心砌块隔墙并不能作为夹层的支承, 故无法对隔墙采用后锚固技术。

　　 将?轴/ (1) ~ (3) 轴剪力墙称为1号剪力墙, 厚度320mm;将?轴/ (4) ~ (7) 轴剪力墙称为2号剪力墙, 厚度450mm。1号和2号剪力墙可作为钢梁的支承, 夹层的施工单位在1号和2号剪力墙上开洞, 以支承钢梁, 如图3所示。图3中虚线为剪力墙与隔墙的分界, 对应于图1中?轴/ (4) ~ (5) 轴所夹位置, 虚线左侧为1号剪力墙与2号剪力墙之间的隔墙, 虚线右侧为2号剪力墙。

　　 对未设置剪力墙的隔墙, 施工单位在隔墙上开设水平槽, 如图3所示, 以放置夹层的钢梁;在隔墙上开设竖向槽, 以放置后置钢柱, 夹层钢梁支承于后置钢柱上。

　　 施工不当致使剪力墙开洞, 1号剪力墙上开设了4个洞口, 洞口约为直径300mm圆形洞口, 沿剪力墙长度方向洞口间距约1 000mm。2号剪力墙上开设了5个洞口, 其中3个为矩形洞口, 洞口尺寸约为300mm×400mm, 2个为直径300mm的圆形洞口, 沿剪力墙长度方向洞口间距约1 000mm。

　　 对剪力墙洞口进行了现场检测, 结果表明:1号剪力墙有1个洞口破坏了剪力墙边缘约束构件的钢筋, 剩余3个洞口破坏了剪力墙的水平钢筋和竖向钢筋。2号剪力墙有2个洞口破坏了剪力墙边缘约束构件的钢筋, 3个洞口破坏了剪力墙的水平钢筋和竖向钢筋。在剪力墙上开洞, 不仅截断了剪力墙的纵向钢筋和水平钢筋, 同时削弱了剪力墙的截面尺寸。1层是1号和2号剪力墙的关键受力部位, 开洞不仅对1号和2号剪力墙产生明显损伤, 而且可能使1号和2号剪力墙不满足轴压比限值和平面外稳定性的要求, 1号和2号剪力墙存在较大安全隐患。因此, 需对剪力墙进行封洞加固。

　　 采用PKPM软件, 对该高层1号和2号剪力墙轴压比进行校核。荷载取值与原设计相同, 列于表1。混凝土强度等级与原设计相同, 即地下1层~地上5层柱和剪力墙的混凝土强度等级分别为C60和C50;6~9层柱和剪力墙的混凝土强度等级分别为C50和C40;10~12层柱和剪力墙的混凝土强度等级分别为C40和C30;13~18层柱和剪力墙的混凝土强度等级均为C30;梁、板混凝土强度等级均为C30。剪力墙纵向钢筋和水平钢筋均采用HRB400级钢筋。

　　 计算得到了1层剪力墙开洞前在重力荷载代表值作用下的轴压比。1号剪力墙轴压比为0.46, 2号剪力墙轴压比为0.47, 均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[10] (简称高规) 和《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[11] (简称抗规) 中抗震等级为三级的剪力墙轴压比不大于0.6的规定。

　　 因施工方未提供沿剪力墙厚度方向的洞口深度, 洞口深度按剪力墙厚度计算。经计算, 重力荷载代表值下, 1号和2号剪力墙轴压力设计值分别为16 702.7k N和25 230.7k N。

　　 1号剪力墙开洞后轴压比为:

　　 2号剪力墙开洞后的轴压比为:

　　 1号和2号剪力墙在重力荷载代表值作用下轴压比均大于0.6, 不满足抗规第6.4.2条和高规第7.2.13条的规定。在框架-剪力墙结构中, 剪力墙承担大部分水平力, 属于抗震的第一道防线, 其重要性相对较高。而限制剪力墙轴压比主要是为了保证剪力墙的塑性变形能力和剪力墙结构的抗倒塌能力。因此, 应对剪力墙进行加固, 确保加固后剪力墙满足现行国家标准的要求。

　　 为防止剪力墙平面外失稳, 对开洞前后剪力墙稳定性进行校核。剪力墙墙肢稳定性按下式进行校核:

　　 式中:q为作用于墙顶组合的等效竖向均布荷载设计值;E_c为剪力墙混凝土的弹性模量;t为剪力墙墙肢截面厚度;l₀为剪力墙墙肢计算长度;β为墙肢计算长度系数;h为墙肢所在楼层的层高。

　　 开洞前, 1号和2号剪力墙轴压力设计值分别为17 986.1k N和27 315.8k N。根据高规附录D的规定, 计算出作用于墙顶的等效竖向均布荷载设计值, 并根据式 (1) 和式 (2) 校核剪立墙稳定性。经计算, 原设计中1号和2号剪力墙稳定性均满足要求, 但1层剪力墙开洞后, 1号剪力墙稳定性不满足高规第7.2.1条的规定, 2号剪力墙稳定性满足要求。

　　 开洞后, 1号和2号剪力墙洞口处较为薄弱, 且轴压比均大于0.6, 同时1号剪力墙稳定性也不满足规范要求, 存在较大安全隐患。针对此问题, 对1号和2号剪力墙进行加固, 确保加固后剪力墙满足高规和抗规的要求。剪力墙洞口加固采取先洞口内置带肋钢套筒, 后焊接剪力墙洞口截断钢筋, 再用不低于C55的微膨胀混凝土填充洞口的方法进行加固。具体措施如下:

　　 (1) 拆除原剪力墙洞口处的钢梁, 清除洞口内封堵材料。

　　 (2) 在洞口内按要求放置带肋钢套筒, 钢材强度等级为Q235-B;焊脚尺寸为6 mm, 焊条为E43型, 手工焊, 焊缝质量为三级;矩形洞口、圆形洞口具体做法如图4, 5所示。图4中钢套筒宽度与洞口深度相同, 图5中钢管宽度与洞口深度相同, 钢板肋、钢板加劲肋、钢套筒和钢管的厚度均为8 mm, 钢板肋沿钢管周围环焊。

　　 (3) 砸碎剪力墙洞口范围内钢筋的混凝土保护层, 在剪力墙洞口范围内后置HRB400级钢筋, 后置钢筋与原剪力墙钢筋、钢套筒钢肋可靠焊接, 矩形洞口、圆形洞口具体做法如图6, 7所示。图6中矩形洞口钢筋连接做法为:砸碎原剪力墙混凝土保护层, 露出钢筋, 植筋的根数与截断钢筋的根数相同。后置钢筋与原剪力墙钢筋焊接, 焊接长度为70 mm;后置钢筋与加劲肋焊接, 焊接长度也为70 mm。图7中圆形洞口钢筋连接做法与图7中做法完全相同。

　　 (4) 用不低于C55的微膨胀免振混凝土填充洞口, 混凝土28d膨胀率不低于2×10^-4, 确保混凝土与钢套筒的可靠粘结。

　　 现场加固施工方案如图8~11所示, 灌浆后概貌如图12所示。

　　 该高层1层剪力墙洞口被有效封堵后, 1号剪力墙轴压比为0.46, 2号剪力墙轴压比为0.47, 均满足高规第7.2.13条和抗规第6.4.2条中抗震等级为三级的剪力墙轴压比不大于0.6的规定。1号和2号剪力墙稳定性满足高规附录D的规定。

　　 剪力墙洞口加固已完成近1年, 使用性能良好, 表明本文所采用的剪力墙封洞、加固的设计分析方法是可行的。

　　 该房屋1层剪力墙开洞后, 不仅截断了剪力墙的纵向钢筋和水平钢筋, 同时削弱了剪力墙截面尺寸, 存在剪力墙轴压比大于0.6和稳定性不满足规范要求等问题。针对上述安全隐患, 提出了剪力墙洞口内置带肋钢套筒, 焊接剪力墙洞口截断钢筋及洞口封堵方案, 使封堵后剪力墙结构安全性不低于原设计标准, 可供同类工程参考。