余向前 王 矩 匡 波 張 虎

(1.重慶市設(shè)計(jì)院,重慶 400015; 2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)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(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化建設(shè)日新月異,導(dǎo)致城市用地日益緊張。對(duì)既有建筑有效利用,成為日益關(guān)注的問(wèn)題。尤其是20世紀(jì)70～90年代建設(shè)的大量砌體結(jié)構(gòu)房屋,尚未達(dá)到使用年限,如簡(jiǎn)單推倒重建,造成不必要的浪費(fèi)。改變建筑功能,使之適應(yīng)新時(shí)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(kāi)洞或直接打通承重墻形成大開(kāi)間。對(duì)砌體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),首層是受力最大、最復(fù)雜的部位,開(kāi)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1]。此類承重墻開(kāi)洞研究方法和設(shè)計(jì)改造案例已較為常見(jiàn),此處不再探討。本文結(jié)合工程實(shí)例,針對(duì)上述砌體結(jié)構(gòu)建筑物中,采用獨(dú)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(dú)立磚柱承重的房屋,改造設(shè)計(jì)中抽掉個(gè)別獨(dú)立磚柱時(shí),在設(shè)計(jì)分析、施工處理等階段需注意的問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 工程概況

重慶某影劇院,建于20世紀(jì)70年代,為三層磚混結(jié)構(gòu),采用砌體墻結(jié)合局部獨(dú)立磚柱承重,樓板主要為現(xiàn)澆梁+預(yù)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?，F(xiàn)改造為商場(chǎng)。底層原門廳處外墻采用6個(gè)“T”形獨(dú)立磚柱,間距為3.50 m,長(zhǎng)度為1.75 m,寬度為0.70 m,柱間凈間距為1.75 m?，F(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示?，F(xiàn)改為商場(chǎng)后,入口需采用較大開(kāi)間,故將底層第二、第四個(gè)磚柱抽掉,形成商場(chǎng)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(dú)立磚柱的改造設(shè)計(jì)方法及施工應(yīng)注意的問(wèn)題。

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

圖2 商場(chǎng)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(chǎng)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(shè)計(jì)

本改造設(shè)計(jì)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(lái)的荷載;

(2) 上層磚柱傳來(lái)的荷載,這部分荷載包括上層相應(yīng)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(shè)計(jì)

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

該置換梁不宜按新建時(shí)墻梁下托梁考慮。因新建托梁及上部墻體達(dá)到一定強(qiáng)度后,托梁及其以上計(jì)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(guò)大,無(wú)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(dān)較大近似集中荷載,更不能按一般過(guò)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(jì)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(yīng)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(jiàn)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(fù)雜,轉(zhuǎn)換梁為偏心受拉構(gòu)件,縱向受力鋼筋宜通長(zhǎng)布置,托磚柱處箍筋應(yīng)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(shè)計(jì)計(jì)算及配筋時(shí)預(yù)留一定的安全裕度。

穩(wěn)妥起見(jiàn),采用美國(guó)HKS公司工程有限元軟件Abaqus對(duì)置換梁及兩端邊柱建模進(jìn)行分析。采用三維實(shí)體模型進(jìn)行模擬,各單元類型均選用Abaqus內(nèi)部8節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元(C3D8R)?；炷帘緲?gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)硬化模型,該模型考慮了材料線性強(qiáng)化的性質(zhì),如圖5(b)所示。

圖5 混凝土單軸和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)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(lái)的近似線荷載,中部磚柱頂部為上層相應(yīng)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(shí)梁荷載示意圖Fig.6 Beam boundary conditions in Abaqus

圖7、圖8為梁最大拉應(yīng)力圖和最大壓應(yīng)力圖,由圖可知,梁跨中底部受拉應(yīng)力,最大應(yīng)力值為1.14 MPa,小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.47 MPa;頂部受壓應(yīng)力,最大應(yīng)力值為1.07 MPa,遠(yuǎn)小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值14.7 MPa,可見(jiàn)梁應(yīng)力滿足構(gòu)件設(shè)計(jì)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(duì)于梁來(lái)說(shuō),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(jì),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(shí)梁最大拉應(yīng)力圖Fig.7 Maximum tensile stress of beam

圖8 采用Abaqus分析時(shí)梁最大壓應(yīng)力圖Fig.8 Maximum stress of beam

2.3 置換梁施工工序

施工時(shí)應(yīng)先設(shè)計(jì)支承系統(tǒng)。本案例采用墻內(nèi)摳洞設(shè)置鋼支座臨時(shí)支承的做法。

(1) 施工單位應(yīng)對(duì)加固支承系統(tǒng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì),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(yīng)位置磚墻上摳洞(圖11)。因洞寬較小,且頂部為圈梁,對(duì)原結(jié)構(gòu)影響較小,即使無(wú)圈梁,砌體結(jié)構(gòu)自身的拱作用也不會(huì)使整體結(jié)構(gòu)受到影響。每摳一個(gè)洞后放入鋼支座,鋼支座應(yīng)頂住上部磚柱等原有砌體。摳洞宜對(duì)稱進(jìn)行,不可全開(kāi)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(shí)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(kāi)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(dāng)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(kāi)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(lái)可施工梁主筋,主筋從一端往另一端穿越,穿越時(shí)應(yīng)注意梁主筋應(yīng)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(zhǎng)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(shí)應(yīng)注意,為方便澆筑混凝土,一側(cè)模板可直放,另一側(cè)應(yīng)斜放。澆筑時(shí)宜從一側(cè)往另一側(cè)推進(jìn),模板上應(yīng)留出足夠排氣孔,使梁內(nèi)空氣排出,并加強(qiáng)振搗,確保混凝土密實(shí)度?；炷翉?qiáng)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(shè)計(jì)

砌體承重墻上開(kāi)洞較小時(shí),保留的墻體一般能承擔(dān)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(shí),則需設(shè)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(shè)置鋼筋混凝土貼邊邊柱,承受由置換梁傳來(lái)的相應(yīng)荷載。同置換梁,邊柱受力也是清除臨近范圍支撐時(shí)瞬間加載,而此時(shí)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(shè)計(jì),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(jìn)行設(shè)計(jì)。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(zhǎng)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(shí)結(jié)合計(jì)算值,按面積配筋率不小于1.0%進(jìn)行配筋。箍筋采用直徑10 mm的三級(jí)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(shè)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(yīng)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(duì)梁及柱建模分析的結(jié)果來(lái)看,邊柱主要受壓,僅柱頂梁柱節(jié)點(diǎn)處局部存在拉應(yīng)力,壓、拉應(yīng)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(dòng)產(chǎn)生的最大位移處其位移也僅為0.13 mm左右,說(shuō)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(chǔ)設(shè)計(jì)

因新增邊柱截面尺寸較大,承受置換梁傳來(lái)的荷載也不小,其基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。根據(jù)原有資料并經(jīng)開(kāi)挖核實(shí),原磚柱采用大放腳混凝土剛性基礎(chǔ),持力層為中風(fēng)化砂巖,承載力較高。同理,應(yīng)采用變形小的基礎(chǔ)形式,保證豎向承重結(jié)構(gòu)的共同受力?？紤]既有基礎(chǔ)為混凝土剛性基礎(chǔ),且持力層為穩(wěn)定的中風(fēng)化基巖,故邊柱采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),變形小,也方便施工。為保證基礎(chǔ)共同受力,將原磚柱下基礎(chǔ)鑿毛,植入直徑12 mm的三級(jí)鋼短鋼筋,采用C30混凝土,摻入適當(dāng)膨脹劑進(jìn)行澆筑(圖15)?；A(chǔ)設(shè)計(jì)滿足承載力要求即可,不宜預(yù)留過(guò)多裕度,以減少對(duì)原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響。

圖15 基礎(chǔ)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(diǎn)

此類既有砌體抽磚柱工程,工作面不能大面積展開(kāi),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(shè)支撐及拆除磚柱和支撐時(shí)[4]。需注意以下幾點(diǎn):

(1) 轉(zhuǎn)換構(gòu)件以上的各層,應(yīng)盡量卸荷。臨時(shí)支撐應(yīng)經(jīng)過(guò)計(jì)算,穩(wěn)定可靠。支撐系統(tǒng)水平向離開(kāi)擬托換磚柱一定距離,方便托換構(gòu)件施工。

(2) 應(yīng)待置換梁、框架邊柱等新澆筑混凝土強(qiáng)度達(dá)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(yīng)采取先中間、后兩邊對(duì)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(hào)、4號(hào)“T”形磚柱中間部分,其次對(duì)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(hào)為拆除順序)。每拆除一次應(yīng)間隔24 h以上,由專人觀察上部結(jié)構(gòu)有無(wú)變化,如有異常及時(shí)采取相關(guān)措施。

(4) 采用機(jī)械拆除砌體磚柱,減小震動(dòng),降低對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響?？上仍诖u柱上切割出豎槽,再?gòu)纳贤掳错樞虿鸪?/p>

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(chǔ)施工時(shí),應(yīng)采取人工開(kāi)挖或小型機(jī)械等措施,盡量減少對(duì)原地基的擾動(dòng)。

竣工完成示意圖見(jiàn)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(guò)工程實(shí)例,闡述了既有砌體承重結(jié)構(gòu)抽磚柱改造設(shè)計(jì)方法及施工要點(diǎn),提出此類項(xiàng)目應(yīng)充分掌握原結(jié)構(gòu)情況,精心設(shè)計(jì)、精心施工。在把控整體結(jié)構(gòu)安全的情況下,應(yīng)注重置換構(gòu)件設(shè)計(jì),確保新增構(gòu)件有足夠強(qiáng)度及剛度。置換梁宜按轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)、洞口邊柱宜按轉(zhuǎn)換柱設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)新老構(gòu)件間的有效連接,重視基礎(chǔ)處理。設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮施工可行性,做到安全可靠、簡(jiǎn)單易行。嚴(yán)密組織施工工序,注意提前卸荷,拆除磚柱及支撐時(shí)宜先中間、后兩邊對(duì)稱進(jìn)行,盡量減小瞬間加載的影響。本案例施工過(guò)程順利,效果良好,沒(méi)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(yàn),可供類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工參考。