既有砌體承重結(jié)構(gòu)抽磚柱設計方法探討

余向前 王 矩 匡 波 張 虎

(1.重慶市設計院,重慶 400015; 2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司重慶分院,重慶 400015)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化建設日新月異,導致城市用地日益緊張。對既有建筑有效利用,成為日益關(guān)注的問題。尤其是20世紀70～90年代建設的大量砌體結(jié)構(gòu)房屋,尚未達到使用年限,如簡單推倒重建,造成不必要的浪費。改變建筑功能,使之適應新時期發(fā)展的需要,成為首選。此類建筑普遍高度為3～7層,一般位于城市現(xiàn)狀幾何中心,改造為集中商業(yè)、銀行等情況較多,這些業(yè)態(tài)因功能需要,均需在底部承重墻上開洞或直接打通承重墻形成大開間。對砌體結(jié)構(gòu)來說,首層是受力最大、最復雜的部位,開洞后如何將洞口上部墻體荷載和樓面荷載等安全傳遞給新的構(gòu)件,成為改造設計的關(guān)鍵[1]。此類承重墻開洞研究方法和設計改造案例已較為常見,此處不再探討。本文結(jié)合工程實例,針對上述砌體結(jié)構(gòu)建筑物中,采用獨立磚柱結(jié)構(gòu)形式的房屋,或主要采用縱橫墻承重、局部采用獨立磚柱承重的房屋,改造設計中抽掉個別獨立磚柱時,在設計分析、施工處理等階段需注意的問題進行探討。

1 工程概況

重慶某影劇院,建于20世紀70年代,為三層磚混結(jié)構(gòu),采用砌體墻結(jié)合局部獨立磚柱承重,樓板主要為現(xiàn)澆梁+預制板,屋蓋結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)。房屋平面大致呈矩形,底層層高為4.5 m,第二層和第三層層高為4.0 m。該工程原結(jié)構(gòu)形式基本合理、結(jié)構(gòu)布置與和結(jié)構(gòu)體系完整;梁、板、墻等構(gòu)件布置合理,傳力路線清楚。現(xiàn)改造為商場。底層原門廳處外墻采用6個“T”形獨立磚柱,間距為3.50 m,長度為1.75 m,寬度為0.70 m,柱間凈間距為1.75 m。現(xiàn)場照片如圖1所示。現(xiàn)改為商場后,入口需采用較大開間,故將底層第二、第四個磚柱抽掉,形成商場主入口,方便人流引入。底層原始結(jié)構(gòu)平面布置及需拆除構(gòu)件如圖2所示。底層需增加的框架柱如圖3所示。

本文主要探討B(tài)軸上抽掉獨立磚柱的改造設計方法及施工應注意的問題。

圖1 影劇院底層原始磚柱結(jié)構(gòu)(現(xiàn)場拍照)Fig.1 Original brick column structure of cinema (spot photo)

圖2 商場底層需拆除構(gòu)件示意圖(單位:mm)Fig.2 Schematic diagram of component of bottom floor (Unit:mm)

圖3 商場底層新增框架柱布置圖(單位:mm)Fig.3 New frame post layout of bottom floor of mall (Unit:mm)

2 置換梁設計

本改造設計關(guān)鍵在于抽磚柱處置換梁的分析處理。

2.1 置換梁荷載分析

(1) 本層梁、板傳來的荷載;

(2) 上層磚柱傳來的荷載,這部分荷載包括上層相應范圍內(nèi)梁、板傳遞給該磚柱的荷載,以及鋼結(jié)構(gòu)屋面?zhèn)鬟f給該磚柱的荷載;

(3) 置換梁自重及上層磚柱自重。

2.2 置換梁受力分析與設計

本置換梁與承重砌體墻開洞上方梁一樣,受力過程均區(qū)別于一般梁。一般梁是隨著施工過程逐步加載的,而既有砌體抽柱或墻開洞后梁上加載屬于清除支撐時瞬間加載,對梁剛度要求較高。一般要求加載后上部原有砌體沒有變形或僅有很細微的變形,否則上部舊砌體容易引起開裂降低承載力[2]。相比墻上開洞設置的承受線性荷載的梁,這種抽磚柱后設置的梁跨中近似受集中力(或局部線荷載),瞬時加載時受力更為不利。故本項目將置換梁跨中撓度控制在1/400以內(nèi),嚴格控制上部磚柱的變形。

該置換梁不宜按新建時墻梁下托梁考慮。因新建托梁及上部墻體達到一定強度后,托梁及其以上計算高度范圍內(nèi)的墻體將共同工作形成墻梁組合構(gòu)件,在裂縫出現(xiàn)前,該組合構(gòu)件如同鋼筋混凝土和磚砌體組成的深梁[3]。而本工程中置換梁為先有上部墻體,再采取一定施工措施后澆筑下部托梁(置換梁),梁上磚柱兩側(cè)洞口過大,無完整墻體,不符合墻梁受力性質(zhì)。另外,因其跨度較大且梁上承擔較大近似集中荷載,更不能按一般過梁考慮。置換梁兩端搭接在后澆框架柱上,可考慮為兩端固支的框架轉(zhuǎn)換梁,其構(gòu)造可參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中轉(zhuǎn)換梁要求。梁高度不宜小于計算跨度的1/8,結(jié)合撓度控制及立面要求,高度取為1.0 m。寬度不應小于其上所托柱在梁寬方向的截面寬度,因其上磚柱寬度為0.7 m,故梁寬度取為0.7 m,見圖4。

已有研究表明,托柱轉(zhuǎn)換梁在托柱部位承受較大的剪力和彎矩,受力較為復雜,轉(zhuǎn)換梁為偏心受拉構(gòu)件,縱向受力鋼筋宜通長布置,托磚柱處箍筋應加密配置。因施工操作空間受限,鋼筋骨架及混凝土施工質(zhì)量保證有一定難度,置換梁設計計算及配筋時預留一定的安全裕度。

穩(wěn)妥起見,采用美國HKS公司工程有限元軟件Abaqus對置換梁及兩端邊柱建模進行分析。采用三維實體模型進行模擬,各單元類型均選用Abaqus內(nèi)部8節(jié)點六面體線性縮減積分單元(C3D8R)。混凝土本構(gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50010—2015)中附錄C所提供的本構(gòu)模型,如圖5(a)所示。鋼筋的本構(gòu)模型采用隨動硬化模型,該模型考慮了材料線性強化的性質(zhì),如圖5(b)所示。

圖5 混凝土單軸和鋼筋的應力-應變曲線Fig.5 Concrete uniaxial and steel bar stress-strain curve

梁荷載示意如圖6所示,左右兩側(cè)為本層梁、板傳來的近似線荷載,中部磚柱頂部為上層相應范圍內(nèi)梁、板傳遞給該磚柱的荷載及鋼結(jié)構(gòu)屋面?zhèn)鬟f給該磚柱的荷載。

圖6 采用Abaqus分析時梁荷載示意圖Fig.6 Beam boundary conditions in Abaqus

圖7、圖8為梁最大拉應力圖和最大壓應力圖,由圖可知,梁跨中底部受拉應力,最大應力值為1.14 MPa,小于C30混凝土抗拉強度設計值1.47 MPa;頂部受壓應力,最大應力值為1.07 MPa,遠小于C30混凝土抗拉強度設計值14.7 MPa,可見梁應力滿足構(gòu)件設計要求。另外,從圖9模型位移圖可知,總體位移均很小,磚砌體頂部位移最大值僅為0.53 mm。對于梁來說,跨中位移最大,也僅為0.31 mm,反算其撓度僅為1/13 710,幾乎可以忽略不計,故上部砌體結(jié)構(gòu)變形很小,能夠確保不降低原有上部砌體整體承載力。

圖7 采用Abaqus分析時梁最大拉應力圖Fig.7 Maximum tensile stress of beam

圖8 采用Abaqus分析時梁最大壓應力圖Fig.8 Maximum stress of beam

2.3 置換梁施工工序

施工時應先設計支承系統(tǒng)。本案例采用墻內(nèi)摳洞設置鋼支座臨時支承的做法。

(1) 施工單位應對加固支承系統(tǒng)進行專項設計,在原1.75 m寬洞口做好有效支承。支承牢固后再制作鋼支座,大樣如圖10所示。然后在原圈梁底相應位置磚墻上摳洞(圖11)。因洞寬較小,且頂部為圈梁,對原結(jié)構(gòu)影響較小,即使無圈梁,砌體結(jié)構(gòu)自身的拱作用也不會使整體結(jié)構(gòu)受到影響。每摳一個洞后放入鋼支座,鋼支座應頂住上部磚柱等原有砌體。摳洞宜對稱進行,不可全開洞后再放入鋼支座,且與鋼支座接觸的底部和頂部砌體表面盡量平整(可座漿找平),盡量保證其能受力均勻(圖12)。

圖9 采用Abaqus分析時模型位移圖Fig.9 Model displacement diagram using Abaqus analysis

圖10 鋼支座大樣(單位:mm)Fig.10 Detail of steel support (Unit:mm)

圖11 原砌體結(jié)構(gòu)上開小洞示意圖(單位:mm)Fig.11 Schematic diagram of original masonry structure with small hole (Unit:mm)

圖12 原砌體結(jié)構(gòu)鋼支座布置示意圖(單位:mm)Fig.12 Schematic diagram of original masonry structure steel support (Unit:mm)

(2) 鋼支座全部放置妥當并頂緊后,可逐步去除洞口之間的剩余磚砌體,梁兩端宜多去除一段墻體,方便穿梁主筋(圖13)。

圖13 砌體開鑿及支撐系統(tǒng)示意圖(單位:mm)Fig.13 Schematic diagram of masonry excavation and support system (Unit:mm)

(3) 接下來可施工梁主筋,主筋從一端往另一端穿越,穿越時應注意梁主筋應放在鋼支座的內(nèi)側(cè),以便箍筋可從一側(cè)往另一側(cè)全長布置。

(4) 梁筋施工完畢后,即可關(guān)模澆筑混凝土。因上下均有砌體封閉,不用再支模,僅需在左右兩側(cè)支模即可。支模時應注意,為方便澆筑混凝土,一側(cè)模板可直放,另一側(cè)應斜放。澆筑時宜從一側(cè)往另一側(cè)推進,模板上應留出足夠排氣孔,使梁內(nèi)空氣排出,并加強振搗,確保混凝土密實度。混凝土強度采用C30,且摻入適量膨脹劑,保證后澆混凝土與圈梁、磚砌體等接觸良好。

3 邊柱設計

砌體承重墻上開洞較小時,保留的墻體一般能承擔上部荷載,可不增加豎向構(gòu)件。洞口尺寸較大或承重墻全部打通時,則需設置加固性質(zhì)的框架邊柱或貼壁柱。本案例的保留磚柱上需設置鋼筋混凝土貼邊邊柱,承受由置換梁傳來的相應荷載。同置換梁,邊柱受力也是清除臨近范圍支撐時瞬間加載,而此時與之相連的原保留磚柱變形已經(jīng)完成,故新增邊柱需剛度足夠大、變形足夠小,才能與已有磚柱受力和變形盡量協(xié)調(diào)一致,邊柱不宜按砌體洞口邊一般構(gòu)造柱設計,這樣偏于不安全。其受力更接近于框架柱,類似于托柱框支結(jié)構(gòu),宜按框支轉(zhuǎn)換柱進行設計。本案例中邊柱參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中轉(zhuǎn)換柱要求,長邊尺寸同墻厚,取0.70 m,截面高度不小于轉(zhuǎn)換梁跨度的1/12,偏大取0.50 m,縱筋配置時結(jié)合計算值,按面積配筋率不小于1.0%進行配筋。箍筋采用直徑10 mm的三級鋼,且全高加密。圖14為邊柱配筋大樣詳圖。

圖14 邊柱配筋詳圖(單位:mm)Fig.14 Detail drawing of side column reinforcement (Unit:mm)

為確保共同受力,與邊柱緊鄰的保留磚柱上,沿全高每隔0.5 m設置一道3根直徑10 mm的拉結(jié)筋(一端植入磚柱25d,一端錨入邊柱),且應鑿出馬牙槎(圖13),與邊柱一起澆筑,保證與原磚柱可靠連接。從前述采用有限元軟件Abaqus對梁及柱建模分析的結(jié)果來看,邊柱主要受壓,僅柱頂梁柱節(jié)點處局部存在拉應力,壓、拉應力均非常小,均不及0.15 MPa。且柱位移極小,其頂部因梁端帶動產(chǎn)生的最大位移處其位移也僅為0.13 mm左右,說明其變形很小,剛度足夠大,足夠確保與原有磚柱共同受力。

4 邊柱基礎設計

因新增邊柱截面尺寸較大,承受置換梁傳來的荷載也不小,其基礎應進行專門設計。根據(jù)原有資料并經(jīng)開挖核實,原磚柱采用大放腳混凝土剛性基礎,持力層為中風化砂巖,承載力較高。同理,應采用變形小的基礎形式,保證豎向承重結(jié)構(gòu)的共同受力。考慮既有基礎為混凝土剛性基礎,且持力層為穩(wěn)定的中風化基巖,故邊柱采用鋼筋混凝土獨立基礎,變形小,也方便施工。為保證基礎共同受力,將原磚柱下基礎鑿毛,植入直徑12 mm的三級鋼短鋼筋,采用C30混凝土,摻入適當膨脹劑進行澆筑(圖15)。基礎設計滿足承載力要求即可,不宜預留過多裕度,以減少對原結(jié)構(gòu)基礎的影響。

圖15 基礎處理示意圖(單位:mm)Fig.15 Schematic diagram of foundation treatment (Unit:mm)

5 施工方法及要點

此類既有砌體抽磚柱工程,工作面不能大面積展開,既要去除必須拆除的部分,又要保留大部分原有砌體結(jié)構(gòu),鑿打、支模、布筋、澆筑、拆除等施工工序均需精心組織,尤其是搭設支撐及拆除磚柱和支撐時[4]。需注意以下幾點:

(1) 轉(zhuǎn)換構(gòu)件以上的各層,應盡量卸荷。臨時支撐應經(jīng)過計算,穩(wěn)定可靠。支撐系統(tǒng)水平向離開擬托換磚柱一定距離,方便托換構(gòu)件施工。

(2) 應待置換梁、框架邊柱等新澆筑混凝土強度達到100%后(至少28d),方可考慮拆除磚柱。

(3) 分步拆除磚柱,使置換梁逐步受力,這樣可盡量減小瞬間加載的影響。應采取先中間、后兩邊對稱拆除的方式,不宜一邊向另一邊拆除。具體做法是:先拆除2號、4號“T”形磚柱中間部分,其次對稱拆除其左右兩邊,最后拆除磚柱兩側(cè)布置的支撐(圖16,帶圈序號為拆除順序)。每拆除一次應間隔24 h以上,由專人觀察上部結(jié)構(gòu)有無變化,如有異常及時采取相關(guān)措施。

(4) 采用機械拆除砌體磚柱,減小震動,降低對原結(jié)構(gòu)的影響。可先在磚柱上切割出豎槽,再從上往下按順序拆除。

圖16 拆除砌體及支撐順序示意圖(單位:mm)Fig.16 Schematic diagram for removal of masonry and supporting sequence (Unit:mm)

(5) 邊柱基礎施工時,應采取人工開挖或小型機械等措施,盡量減少對原地基的擾動。

竣工完成示意圖見圖17。

圖17 竣工完成示意圖(單位:mm)Fig.17 Completion of schematic diagram (Unit:mm)

6 結(jié) 論

通過工程實例,闡述了既有砌體承重結(jié)構(gòu)抽磚柱改造設計方法及施工要點,提出此類項目應充分掌握原結(jié)構(gòu)情況,精心設計、精心施工。在把控整體結(jié)構(gòu)安全的情況下,應注重置換構(gòu)件設計,確保新增構(gòu)件有足夠強度及剛度。置換梁宜按轉(zhuǎn)換梁設計、洞口邊柱宜按轉(zhuǎn)換柱設計。同時應加強新老構(gòu)件間的有效連接,重視基礎處理。設計時盡量考慮施工可行性,做到安全可靠、簡單易行。嚴密組織施工工序,注意提前卸荷,拆除磚柱及支撐時宜先中間、后兩邊對稱進行,盡量減小瞬間加載的影響。本案例施工過程順利,效果良好,沒有發(fā)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)變形或不利的情況,作為有益的經(jīng)驗,可供類似項目設計及施工參考。