胡金鸞,張 斌,夏仁寶

(1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院建筑設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310012;2.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

某多層車庫地上3層,局部地下1層,建筑高度為18.30 m。結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。施工進(jìn)度為主體結(jié)構(gòu)已結(jié)頂。本工程原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度分別為：基礎(chǔ)承臺(tái)、梁、板C30；柱C40；構(gòu)造柱及圈梁C25。結(jié)構(gòu)中間驗(yàn)收時(shí),發(fā)現(xiàn)底層個(gè)別柱混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,經(jīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè),該部分柱實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度為C30,未達(dá)到設(shè)計(jì)C40的要求,已影響到結(jié)構(gòu)安全。因此,甲方委托本設(shè)計(jì)院對(duì)該工程進(jìn)行加固設(shè)計(jì),使構(gòu)件的強(qiáng)度、耐久性等指標(biāo)滿足原設(shè)計(jì)要求。

2 加固設(shè)計(jì)

2.1 加固方案

框架柱混凝土抗壓強(qiáng)度不足的加固方法可采用增大截面法、置換混凝土加固法、外包型鋼法等。由于改變柱截面尺寸的加固方法對(duì)停車位凈尺寸有影響,故本工程采用了柱混凝土整體置換的加固設(shè)計(jì)方案。

2.2 加固設(shè)計(jì)方法

本工程混凝土置換采用混凝土抱柱梁作為臨時(shí)性的頂升節(jié)點(diǎn)對(duì)框架柱進(jìn)行頂升,目前對(duì)于抱柱梁抗剪計(jì)算的規(guī)范方法主要有以下幾種。

1)《建(構(gòu))筑物托換技術(shù)規(guī)程(CECS 295∶2011)》[1]中給出的新舊混凝土結(jié)合面豎向承載力計(jì)算公式：

臨時(shí)性托換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)基于樁、柱上傳遞豎向荷載的抱柱梁結(jié)構(gòu),當(dāng)不植筋時(shí),其新舊混凝土結(jié)合面豎向承載力可按下式估算,同時(shí)應(yīng)滿足構(gòu)造要求。

γP≤0.16fcAc

(1)

式中，γ為綜合系數(shù),取值1.0～1.3；

P為新舊混凝土結(jié)合面豎向承載力，kN；

fc為梁、柱混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,可取較低值，kPa；

Ac為新舊混凝土交界面的有效面積，m2。

在永久性托換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)基于樁、柱傳遞豎向荷載的抱柱梁結(jié)構(gòu),當(dāng)有植筋時(shí),其新舊混凝土結(jié)合面豎向承載力計(jì)算需同時(shí)滿足如下公式：

γP≤0.16fcAc+0.56fsAs

(2)

fsAs≤0.07fcAc

(3)

式中，fs為結(jié)合面配置的植筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

As為結(jié)合面上同一截面植筋總截面面積。

2)《建(構(gòu))筑物移位工程技術(shù)規(guī)程(JGJ/T239—2011)》[2]中給出了托換梁與柱結(jié)合面的高度hj的計(jì)算公式：

(4)

式中，Cj為托換柱截面的周長(zhǎng),mm；

ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,取結(jié)合面處新舊混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的較小值,N/mm2；

N為托換柱軸力設(shè)計(jì)值,N；

hj為托換梁與柱結(jié)合面的高度,mm。

3)美國(guó)橋規(guī)AASHTO LRFD(2007)[3]公式：

Vni=CAcv+μ(Avffy+Pc)

(5)

Vni≤K1fcAcv+μ(Avffy+Pc)

(6)

Vni≤K2Acv

(7)

Acv=hL

(8)

式中，Vni為抗剪承載力，kN；

C為混凝土表面鑿毛6 mm后混凝土交界面粘結(jié)力系數(shù),取1.7 MPa；

μ為新舊混凝土交界面摩擦系數(shù),取1.0；

Acv為新舊混凝土交界面的有效面積，m2；

Avf為新舊混凝土交界面范圍內(nèi)的抗剪鋼筋面積，mm2；

fy為鋼筋屈服強(qiáng)度，MPa；

Pc為垂直于剪切面的永久壓力；

fc為交界面處強(qiáng)度較低混凝土的抗壓強(qiáng)度；

K1為混凝土強(qiáng)度調(diào)整系數(shù),取0.25；

K2為交界面抗剪最大剪力系數(shù),取10.3 MPa；

h為新舊混凝土交界面高度，mm；

L為新舊混凝土交界面周長(zhǎng)，mm。

針對(duì)上述不同的計(jì)算公式,取柱軸力設(shè)計(jì)值5 541 kN,分別采用文獻(xiàn)[1—3]進(jìn)行抱柱梁截面設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果見表1。

本工程加固設(shè)計(jì)采用有植筋抱柱梁,通過表1的比較可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)有植筋時(shí),文獻(xiàn)[1]中豎向承載力的計(jì)算公式相對(duì)于文獻(xiàn)[3]的計(jì)算公式是偏于保守的,而文獻(xiàn)[2]中的計(jì)算公式只針對(duì)沒有抗剪鋼筋的抱柱梁截面設(shè)計(jì)。

本工程設(shè)計(jì)時(shí)查閱了國(guó)內(nèi)外關(guān)于抱柱梁計(jì)算的相關(guān)文獻(xiàn)[4-11],其中文獻(xiàn)[8]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),將新舊混凝土結(jié)合面抗剪承載力計(jì)算公式與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。從比對(duì)結(jié)果看,美國(guó)橋規(guī)AASHTO LRFD 公式與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近,且離散性較小。故本工程在加固設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用有植筋抱柱梁,計(jì)算采用了美國(guó)橋規(guī)AASHTO LRFD 公式進(jìn)行抱柱梁計(jì)算,同時(shí)參照文獻(xiàn)[12]的工程經(jīng)驗(yàn)及考慮足夠的可靠度,對(duì)美國(guó)橋規(guī)AASHTO LRFD 公式引入安全系數(shù),安全系數(shù)取值2.0。

引入安全系數(shù)后,新舊混凝土界面抗剪承載力計(jì)算公式為：

γ0Vni=CAcv+μ(Avffy+Pc)

(9)

γ0Vni≤K1fcAcv

(10)

γ0Vni≤K2Acv

(11)

Acv=hL

(12)

式中，γ0為安全系數(shù),取值為2.0。

2.3 加固設(shè)計(jì)計(jì)算

本工程設(shè)計(jì)過程中采用了如下假定：

1)考慮施工過程中發(fā)生地震是小概率事件,故在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)不計(jì)算地震作用；

2)由于維護(hù)結(jié)構(gòu)及門窗等未安裝,整體計(jì)算對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行折減；

3)由于工程投入使用,上部?jī)H考慮二層樓面活荷載按實(shí)際情況計(jì)入,其余各層樓面活荷載折減或不計(jì)入。

本文采用PKPM整體計(jì)算后得出的構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計(jì)值進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.3.1 抱柱梁計(jì)算

2.3.1.1 抱柱梁截面設(shè)計(jì)

根據(jù)SATWE計(jì)算結(jié)果,取框架柱軸力設(shè)計(jì)值Nmax=5 541 kN,其柱截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm,抱柱梁混凝土等級(jí)取C40,按四面抱柱設(shè)計(jì)。

新舊混凝土交界面的有效面積按公式(10)計(jì)算：

新舊混凝土交界面周長(zhǎng):

L=4×1 000=4 000 mm

按公式(12)計(jì)算抱柱梁高度:

取抱柱梁高度800 mm。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》中第6.3.1條,梁截面高寬比不宜大于4及現(xiàn)場(chǎng)施工的需要,取抱柱梁寬度b=400 mm。抱柱梁尺寸見圖1。

2.3.1.2 抱柱梁與置換柱交界面處抗剪鋼筋計(jì)算

根據(jù)公式(9)計(jì)算抗剪鋼筋面積：

2×5 541×1 000=1.7×800×4 000+1×Avf×400

Avf=14 105 mm2

2.3.1.3 抱柱梁配筋計(jì)算

1)受彎配筋

取平行于原柱邊的抱柱梁,假定為簡(jiǎn)支梁計(jì)算,抱柱梁荷載取值P=Nmax/4=1 385 kN,則抱柱梁彎矩設(shè)計(jì)值：

式中，l為抱柱梁計(jì)算跨度。

配筋率ρ=2 454/(400×800)=0.77%,配筋滿足最小配筋率要求。

2)抱柱梁抗剪計(jì)算

h0/b=765/400=1.9<4；

0.25βcfcbh0=0.25×1.0×19.1×400×765

=1 461 kN>V=692.5 kN,滿足要求。

式中,h0為抱柱梁計(jì)算高度,b為抱柱梁寬度,βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù),fc為軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010—2010)》(2015版)第6.3.4條進(jìn)行抱柱梁抗剪承載力計(jì)算:

V<0.7×1.71×400×765+765×360×314/100=1 231 kN,滿足要求。

箍筋配箍率：

ρsv=314/(400×100)=0.785%>0.24×1.71/360

滿足最小配箍率要求。

3)抱柱梁配筋詳圖

根據(jù)以上計(jì)算,抱柱梁配筋見圖2、圖3。

圖2 抱柱梁配筋平面圖

圖3 抱柱梁配筋剖面圖

2.3.2 支撐鋼管計(jì)算

一層豎向構(gòu)件軸力及二層抱柱梁自重總共為5 541+21=5 562 kN。擬設(shè)置7根鋼管支撐,取最大軸力鋼管計(jì)算,單根最大軸力為N=1 385×1.6/(2×1)=1 108 kN。設(shè)計(jì)采用Φ194×14熱壓無縫鋼管,構(gòu)件毛截面面積A=7 917 mm2,回轉(zhuǎn)半徑i=63.83 mm,長(zhǎng)度取L=6.05 m,鋼材材質(zhì)為Q345。

則長(zhǎng)細(xì)比λ=L/i=6 050/63.83=94.78<[λ]=150,滿足要求；

式中，N為軸心壓力；

φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；

A為構(gòu)件的毛截面面積。

根據(jù)輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[14]計(jì)算得：

式中，D為鋼管直徑；

t為鋼管壁厚。

另為減小鋼管的長(zhǎng)細(xì)比,可在鋼管中部按構(gòu)造增設(shè)L75×5的連接角鋼。

至此,該框架柱頂升支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算已完成。抱柱梁頂升支撐系統(tǒng)見圖4。

圖4 抱柱梁托換系統(tǒng)立面圖

3 施工監(jiān)測(cè)

抱柱梁混凝土澆筑完成并達(dá)到強(qiáng)度進(jìn)行頂升時(shí),采用頂升力逐步加載,加載后維持荷載1.5 h,通過施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),得到頂升力與柱位移變化的曲線見圖5。

圖5 柱頂升力與位移變化關(guān)系曲線

從圖5可以看出在置換柱混凝土鑿除前頂升力與柱豎向位移之間呈線性關(guān)系,說明在柱頂升時(shí)抱柱梁與框架柱之間的荷載傳遞有著良好的同步協(xié)同作用。

本工程在柱混凝土鑿除后對(duì)位移變化進(jìn)行了連續(xù)地監(jiān)測(cè),得到柱位移變化曲線,見圖6。

圖6 柱混凝土鑿除后位移變化曲線

從圖6可以看出在置換柱混凝土鑿除后,柱位移有所減小。主要原因在于柱混凝土鑿除前頂升力不夠,一部分荷載還是由柱混凝土承擔(dān),導(dǎo)致在鑿除置換柱混凝土后上部荷載轉(zhuǎn)移到支撐鋼管,使鋼管產(chǎn)生壓縮變形。而且在柱混凝土鑿除后也能看到柱縱筋有略微外鼓,故施工時(shí)又進(jìn)行了二次頂升。

通過對(duì)柱混凝土置換施工前后的位移觀測(cè),發(fā)現(xiàn)柱端位移有0.13 mm的變化,可認(rèn)為本加固工程的設(shè)計(jì)施工是可靠且成功的。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外關(guān)于抱柱梁抗剪的不同計(jì)算方法,提出引入安全系數(shù)對(duì)美國(guó)橋規(guī)計(jì)算公式進(jìn)行修正后應(yīng)用于工程加固設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證方法可靠,對(duì)今后類似工程的設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

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