尹 偉 顧夏英 顧天熊 沈榮榮

蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215152

對(duì)于大型框架結(jié)構(gòu)混凝土建筑，因建筑功能調(diào)整需要而新增梁板時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)梁板與原有框架柱的可靠連接。新增梁板的縱筋需要錨入原框架柱內(nèi)，但由于梁縱筋較多，鋼筋直徑較大，化學(xué)植筋間距及深度均無法滿足規(guī)范要求，且化學(xué)植筋耐久性難以滿足50年使用要求，因此，需要將梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域拆除，鋼筋綁扎后重新澆筑。此外，近年來多次發(fā)生混凝土柱、剪力墻等因施工問題造成混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的事故，以及出現(xiàn)混凝土澆筑不密實(shí)等問題，也需要對(duì)框架柱進(jìn)行置換混凝土等加固。

對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行拆除改造時(shí)，需要把節(jié)點(diǎn)以上柱荷載可靠地傳遞到節(jié)點(diǎn)以下或基礎(chǔ)。采用滿堂支撐將梁板荷載傳遞至基礎(chǔ)，施工簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際施工時(shí)，遇到支撐樓層較多的工況，成本較高，特別是對(duì)于樓層層高較高的建筑，常規(guī)支撐搭設(shè)工期長(zhǎng)、費(fèi)用大，并且由于沒有側(cè)向支撐，或支撐難度大，安全性受到影響。另一種方案是，在節(jié)點(diǎn)上下采用牛腿加千斤頂托換，這種方法無法有效傳遞柱的彎矩，且施工過程中千斤頂長(zhǎng)時(shí)間受壓，一旦千斤頂失效，后果非常嚴(yán)重。

因此，如何提供一種無支撐托換方法，以較低成本有效解決梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域拆除改造時(shí)的荷載傳遞問題，具有研究意義與價(jià)值。

1 工程概況

蘇州某大型商業(yè)綜合樓，總建筑面積122 000 m2，地面以上19層，地下2層，結(jié)構(gòu)體系為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。大樓主體施工完成，建筑整體外貌如圖1所示。因建筑功能調(diào)整，在裙房區(qū)域原下沉式廣場(chǎng)一層處增加梁板，新增框架梁上設(shè)梁上抬柱，該區(qū)域裙房地面以上共4層。本次改造的局部平面布置情況如圖2所示。

圖1 建筑外貌

新增豎向框架梁截面為600 mm×1 200 mm，上部縱筋為4根φ28 mm，底部縱筋為11根φ32 mm，該梁所有縱筋需錨入原框架柱內(nèi)，原框架柱截面600 mm×600 mm，由于 梁縱筋較多，鋼筋直徑較大，化學(xué)植筋間距及深度均無法滿足規(guī)范要求，且化學(xué)植筋耐久性難以滿足50年使用要求?；谏鲜鲈?，采用將梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域拆除，鋼筋綁扎完成后重新澆筑的設(shè)計(jì)思路。

圖2 一層局部改造平面示意

2 托換設(shè)計(jì)方案比選

本工程需改造的柱共有4 根，柱截面6 0 0 m m× 600 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。該柱在一層為躍層柱，柱高度12 m，目前大樓尚未使用，柱僅考慮恒載和風(fēng)荷載時(shí)的最大軸力為2 800 kN，彎矩為85 kN·m。

將梁柱節(jié)點(diǎn)拆除，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)及施工難點(diǎn)是如何把節(jié)點(diǎn)以上柱荷載可靠地傳遞到節(jié)點(diǎn)以下或基礎(chǔ)。本工程比選了如下3個(gè)方案。方案一，各層采用滿堂支撐將梁板荷載傳遞至基礎(chǔ)，該方案設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)便，但支撐樓層較多，成本較高，且從地下1層至2層樓面高度12 m，無側(cè)向支撐，支撐難度較大。方案二，節(jié)點(diǎn)上下采用牛腿加千斤頂托換，該方案無法有效傳遞柱的彎矩，且施工過程千斤頂長(zhǎng)時(shí)間受壓，一旦千斤頂失效，后果非常嚴(yán)重。方案三，節(jié)點(diǎn)上下采用環(huán)形承臺(tái)加混凝土立柱的臨時(shí)托換體系，該方案?jìng)髁η逦?，無安全隱患，成本較低。本工程通過比選上述方案，最終采用方案三。

3 托換方案理論計(jì)算

3.1 托換方案

在梁柱節(jié)點(diǎn)上下各設(shè)置一個(gè)高900 mm的混凝土環(huán)形托換平臺(tái)，該平臺(tái)邊長(zhǎng)1.8 m，與原混凝土柱每邊采用2根14#工字鋼作為抗剪鍵連接（圖3）。承臺(tái)四角各設(shè)置一根350 mm×350 mm的混凝土托換柱（圖4）。環(huán)形托換平臺(tái)及轉(zhuǎn)換立柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50。托換柱下設(shè)置1根斜向暗梁，暗梁平面及配筋分別如圖5和圖6所示。

3.2 轉(zhuǎn)換體系整體受力分析

采用有限元分析軟件對(duì)該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，混凝土采用C3D8R八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分的三維實(shí)體單元（圖7）。鋼筋采用bar線性單元（圖8）。網(wǎng)格劃分以0.12 m為基本尺寸單元，新老結(jié)構(gòu)之間采用Interaction中tie建立綁定約束。柱頂部施加偏心壓力模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際軸力和彎矩。

圖3 托換體系立面

圖4 托換立柱配筋平面

圖5 環(huán)形托換平臺(tái)配筋平面

圖6 托換立柱下暗梁配筋

圖7 實(shí)體模型

圖8 鋼筋模型

有限元分析結(jié)果顯示，混凝土實(shí)體單元主拉應(yīng)力最大為1.78 MPa，混凝土實(shí)體單元主壓應(yīng)力最大為10.50 MPa，鋼筋最大主應(yīng)力為33.60 MPa，均能滿足要求。

3.3 環(huán)形托換平臺(tái)與原結(jié)構(gòu)連接計(jì)算

環(huán)形托換平臺(tái)與原混凝土柱的抗剪連接是該臨時(shí)托換體系的關(guān)鍵，采用每個(gè)面2根14#工字鋼作為抗剪鍵，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，單根14#工字鋼抗剪承載力375 kN，8根抗剪鍵總抗剪承載力為3 000 kN，柱軸力為2 800 kN，滿足要求。混凝土摩擦力、鋼筋抗剪、中間保留芯柱均作為安全儲(chǔ)備。環(huán)形托換平臺(tái)配筋計(jì)算將轉(zhuǎn)換立柱下暗梁簡(jiǎn)化為寬500 mm、高900 mm的牛腿，按照牛腿公式，單個(gè)牛腿的計(jì)算配筋為850 mm2，實(shí)際配置了5根φ20mm的鋼筋。

4 施工技術(shù)

4.1 施工順序

柱臨時(shí)托換體系鋼筋制作→托換平臺(tái)接觸處原柱保護(hù)層剔除，鑿毛清理，涂刷界面劑→柱臨時(shí)托換體系抗剪件安裝→柱臨時(shí)托換體系鋼筋安裝（環(huán)形托換平臺(tái)鋼筋、植筋綁扎制作及托換柱鋼筋綁扎）→柱臨時(shí)托換體系模板支設(shè)→柱臨時(shí)托換體系灌漿料澆筑→分段對(duì)稱剔除連接區(qū)混凝土（節(jié)點(diǎn)區(qū)灌漿料強(qiáng)度達(dá)到100%）→連接界面處理→鋼筋整理、修復(fù)→連接區(qū)鋼筋安裝→支設(shè)模板→連接區(qū)無收縮混凝土澆筑→拆除臨時(shí)托換體系→檢查驗(yàn)收

4.2 施工安全控制

施工安全措施：施工前對(duì)關(guān)鍵部位粘貼應(yīng)變片，施工過程中不間斷地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形情況；做好應(yīng)急預(yù)案，一旦變形超出設(shè)定值立即停工并采取相應(yīng)措施；臨時(shí)支撐化學(xué)植筋較多，需注意保證植筋間距，多個(gè)方向鋼筋重疊時(shí)上下錯(cuò)位；施工過程中2次澆筑混凝土均要確?；炷翉?qiáng)度達(dá)到100%后，方可進(jìn)行下一步施工；臨時(shí)支撐拆除時(shí)需采用靜力切割，不能擾動(dòng)已有結(jié)構(gòu)；自密實(shí)微膨脹加固型混凝土應(yīng)滿足產(chǎn)品使用要求，特別對(duì)于上口冷縫部位，模板應(yīng)高出5～10 cm，并實(shí)時(shí)觀察進(jìn)行補(bǔ)灌，保證接縫密實(shí)，消除隱患。

通過對(duì)建筑物上設(shè)置的沉降觀測(cè)點(diǎn)（圖9）進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)，以獲取建筑物在施工后一定階段內(nèi)，荷載逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)荷載過程中的沉降程度及趨勢(shì)，監(jiān)控建筑物沉降過程直至相對(duì)穩(wěn)定，具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果顯示，本次施工過程整體變形平穩(wěn)，保證了施工進(jìn)程中的安全性[1-3]。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

表1 沉降觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果

4.3 其他工程案例

某教學(xué)樓，該建筑地上5層，局部6層，該建筑為框架結(jié)構(gòu)。經(jīng)過檢測(cè)，該建筑物有局部柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此，需要對(duì)該建筑物的局部柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行混凝土置換來加固節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。本實(shí)施例中，需要加固的混凝土柱為截面直徑為500 mm的圓柱，該工程也選用本文提出的方案，較好地完成了對(duì)該圓柱的加固（圖10～圖12）。

圖10 環(huán)形托換平臺(tái)配筋平面

圖11 托換立柱配筋平面

圖12 托換體系立面

5 結(jié)語

1）本文提出的臨時(shí)托換體系具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，施工安全可控，能確保施工后質(zhì)量。該體系適用于混凝土柱及剪力墻因施工問題造成混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、混凝土澆筑不密實(shí)等需要局部置換混凝土的工程情況，對(duì)各類需要臨時(shí)托換豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工程均有借鑒價(jià)值。

2）對(duì)于樓層層高較高的建筑，常規(guī)支撐成本高、安全性差、搭設(shè)支撐的工期長(zhǎng)。使用本文提出的臨時(shí)托換體系可借助結(jié)構(gòu)自身承重能力，不用設(shè)置支撐，成本低、安全性高，對(duì)各類需要臨時(shí)托換豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工程均有借鑒價(jià)值。