司道林

(濟南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程管理學(xué)院， 山東 濟南 250200)

當(dāng)前，建筑物移位改造技術(shù)廣泛的應(yīng)用在城市整體提升改造、建筑物新舊動能轉(zhuǎn)換和古建筑保護中，但是，我國對建筑物移位改造技術(shù)的研究還明顯落后于工程實踐，其中所需牽引力的大小無統(tǒng)一計算規(guī)范,托換梁的設(shè)計方法缺乏規(guī)范依據(jù),托換節(jié)點構(gòu)造沒有統(tǒng)一的理論指導(dǎo)[1]?，F(xiàn)階段建筑物移位改造技術(shù)主要應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)，框架柱的托換是整個移位改造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到平移過程中建筑物的穩(wěn)定性和安全性，是整體平移成功與否的一項關(guān)鍵技術(shù)。

在建筑物移位改造技術(shù)實際應(yīng)用中，對框架柱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土包裹式托換已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。魯能文昌山海天精品酒店整體移位工程[2]、文昌魯能淇水灣度假綜合體整體移位工程[3]、萊蕪高新區(qū)管委會辦公樓整體移位工程[4]、濟南宏濟堂平移與抗震加固工程[5]、濟南緯六路“老洋行”平移與抗震加固工程[6]、濟南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院3#教學(xué)樓整體移位工程[7]等工程實例中，研究介紹了整體移位的設(shè)計內(nèi)容及過程，并提出設(shè)計思路設(shè)想，特別是托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計，分析出托換節(jié)點倒置牛腿的計算模型，該模型在變形和配筋計算上具有較明顯的優(yōu)越性，但缺乏理論支撐[8]。山東建筑大學(xué)工程鑒定加固所根據(jù)實際工程經(jīng)驗，綜合考慮相關(guān)影響因素，分析了托換梁剪跨比[9]、縱筋配筋情況[10]、配箍率及混凝土結(jié)合面的處理方式[11]對托換節(jié)點的影響，并得出托換節(jié)點承載力的設(shè)計公式[12]。研究的框架柱托換節(jié)點采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土包裹式托換技術(shù)，即采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土行走梁和聯(lián)系梁組成托換梁對框架柱進行托換。本文通過托換節(jié)點的縮尺模型試驗，研究和分析托換梁下滾軸的不同布置形式對托換節(jié)點的承載力及破壞形態(tài)的影響，為今后建筑物整體平移技術(shù)的實際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

本試驗為靜力加載試驗，考慮托換梁縱筋配筋情況、混凝土強度、混凝土結(jié)合面的處理方式等影響因素，設(shè)計4組(每組2件，分為A和B)框架柱托換節(jié)點的縮尺模型，柱的截面尺寸取300 mm×300 mm，試件尺寸及配筋如圖1所示，圖中a為柱邊長，b為托換梁寬，l為托換梁外挑長度，h為托換梁高，L為試件總長，B為試件總寬。試件基本參數(shù)見表1。其中，柱和托換梁采用不同等級混凝土強度分批澆注，先澆筑柱構(gòu)件，等柱構(gòu)件達到設(shè)計強度后澆筑托換梁體系，最終形成托換節(jié)點，柱與托換梁的結(jié)合面處全部鑿毛，鑿毛深度10 mm。

(a)側(cè)立面 (b)正立面 (c)平面圖 圖1 托換結(jié)構(gòu)配筋示意圖

試件編號柱混凝土強度等級托換梁混凝土強度等級托換梁寬b/mm托換梁高h(yuǎn)/mm托換梁外挑長度l/mm試件總長L/mm箍筋縱筋每側(cè)面插筋1C20C251252003001150?6@1802?1402C20C251253003001150?8@1502?122?123C30C351252003001150?8@1002?121?144C30C351253003001150?6@1253?100

注：①縱筋配筋率、配箍率均滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010—2010；

②連梁與行走梁的截面尺寸、配筋情況一樣。

試件滾軸布置形式如圖2所示，每組的A試件滾軸從行走梁懸挑根部往外布置為滾軸正常布置位置(圖2(a))；試件JD2-B和JD4-B滾軸內(nèi)移至柱的邊緣處(圖2(b));試件JD1-B和JD3-B沿行走梁滿布滾軸(圖2(c))。

(a)滾軸正常布置 (b)滾軸內(nèi)移布置 (c)滾軸滿布 圖2 滾軸布置形式示意圖

1.2 試驗加載及量測

試驗采用液壓千斤頂對試件進行加載，如圖3所示。荷載加載等級取為25 kN，每級加載保持時間為3 min，在臨近開裂或破壞時減小加載步距，直至構(gòu)件破壞。在試驗過程中，量測內(nèi)容包括豎向荷載值、梁柱相對豎向位移、托換梁豎向位移、混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變、滾軸應(yīng)變和托換梁的裂縫開展情況。每個測點布置2個應(yīng)變片量測相應(yīng)數(shù)值，以達到試驗量測要求。豎向荷載采用荷載傳感器量測，梁柱相對豎向位移及托換梁的豎向位移采用機械百分表進行量測，鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變分別采用相應(yīng)的電阻式應(yīng)變片進行量測，并由數(shù)據(jù)采集儀和靜態(tài)應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)。

2 試驗過程及現(xiàn)象

2.1 滾軸正常布置

以試件JD2-A為例進行說明,試件JD2-A破壞形態(tài)如圖4所示。根據(jù)荷載-應(yīng)變曲線及荷載-撓度曲線可知：試件JD2-A開裂荷載為150 kN(見圖4(a))，開裂位置在行走梁跨中；連梁在300 kN時出現(xiàn)斜裂縫。荷載增至400 kN，裂縫逐漸變寬，彎曲裂縫向跨中發(fā)展(見圖4(c))，此時支座處(外挑根部)縱向鋼筋拉應(yīng)力迅速提高，但跨中處的縱向鋼筋應(yīng)力變化不明顯(見圖4(b))。荷載增至500 kN，裂縫寬度變化明顯加快，行走梁跨中縱向鋼筋拉應(yīng)力迅速提高(見圖4(a))，兩側(cè)斜裂縫逐漸貫通。加載至700 kN，JD2-A行走梁上形成了剪切型的拱形大裂縫，裂縫寬度最大處達3.5 mm，導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生彎剪破壞(見圖4(c))。構(gòu)件破壞時，柱與梁結(jié)合面相對位移很小，行走梁跨中撓度較大，其中行走梁跨中最大撓度為5.99 mm。

(a)JD2-A荷載-跨中縱筋應(yīng)變曲線 (b)JD2-A行走梁跨中撓度曲線圖

(c)JD2-A破壞時行走梁裂縫情況圖4 JD2-A破壞形態(tài)圖

2.2 滾軸內(nèi)移至柱的邊緣布置

以試件JD2-B為例進行說明,試件JD2-B破壞形態(tài)如圖5所示。根據(jù)荷載-應(yīng)變曲線及荷載-撓度曲線可知：試件JD2-B開裂荷載也為150 kN，開裂位置在行走梁外挑根部，同時連梁出現(xiàn)跨中豎向裂縫(見圖5(c))。加載到300 kN，行走梁跨中縱筋應(yīng)變曲線出現(xiàn)一個拐點(見圖5(a))，此時新舊混凝土結(jié)合面相對位移開始變化明顯(見圖5(b))。加載到600 kN，行走梁跨中縱向鋼筋拉應(yīng)力迅速提高(見圖5(a))，接近屈服。加載至950 kN，行走梁跨中縱向鋼筋屈服，導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生受彎破壞。此時，梁柱結(jié)合面相對位移持續(xù)增大，底部破壞嚴(yán)重。

(a)JD2-B荷載-跨中縱筋應(yīng)變曲線 (b)JD2-B行走梁跨中撓度曲線圖

(c)JD2-B破壞時行走梁裂縫情況圖5 JD2-B破壞形態(tài)圖

2.3 滾軸滿布

以試件JD3-B為例進行說明,其破壞形態(tài)如圖6所示。試件JD3-B開裂荷載為50 kN，開裂位置在行走梁外挑根部(見圖6(c))；連梁在175 kN時先出現(xiàn)跨中裂縫，隨后在250 kN時出現(xiàn)斜裂縫(見圖6(a))。荷載加至700 kN，新舊混凝土梁柱結(jié)合面相對滑移突然增大。荷載加至800 kN，托換梁頂沿柱四邊出現(xiàn)水平裂縫，柱腳、柱邊混凝土有壓碎現(xiàn)象(見圖6(b))。荷載加至900 kN，柱突然下沉，荷載無法穩(wěn)定，導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生結(jié)合面沖切破壞。破壞時，行走梁縱向鋼筋沒有達到屈服，行走梁破壞程度較輕，撓曲并不明顯。

圖6 JD3-B破壞形態(tài)圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 托換梁滾軸布置情況對梁柱結(jié)合面相對位移的影響

3.1.1 滾軸內(nèi)移對梁柱結(jié)合面相對位移的影響

圖7為滾軸正常布置與滾軸內(nèi)移時梁柱相對位移曲線圖。滾軸正常布置的試件JD2-A，在荷載加至400 kN時，梁柱相對位移曲線出現(xiàn)拐點，且加載過程中，滾軸內(nèi)移試件梁柱相對位移變化率較大(見圖7(a))。滾軸內(nèi)移試件JD2-B，荷載加至200 kN，梁柱相對位移曲線出現(xiàn)拐點(見圖7(b))，此后梁柱新舊混凝土結(jié)合面的相對位移變化開始增大，而滾軸內(nèi)移構(gòu)件最終破壞是由行走梁懸挑根部縱筋受彎屈服導(dǎo)致，因此，最終破壞時，滾軸內(nèi)移試件結(jié)合面相對位移值與滾軸正常布置時結(jié)合面相對位移值相差不大。

(a)JD2-A梁柱相對位移曲線 (b)JD2-B梁柱相對位移曲線圖7 滾軸正常布置與滾軸內(nèi)移時梁柱相對位移曲線圖

3.1.2 滾軸滿布對梁柱結(jié)合面相對位移的影響

圖8為滾軸正常布置與滾軸滿布時梁柱相對位移曲線圖。滾軸正常布置時，試件JD3-A結(jié)合面相對位移變化不大，加載至350 kN才出現(xiàn)拐點(見圖8(a))。而滾軸滿布試件JD3-B(見圖8(b))從加載初期開始結(jié)合面相對位移就持續(xù)增加，梁柱相對位移變化率較大，最終，由于梁柱結(jié)合面相對位移急劇增大導(dǎo)致試件破壞。

(a)JD3-A梁柱相對位移曲線 (b)JD3-B梁柱相對位移曲線圖8 滾軸正常布置與滾軸滿布時梁柱相對位移曲線圖

3.2 托換梁滾軸布置情況對構(gòu)件承載力的影響

3.2.1 滾軸內(nèi)移對構(gòu)件承載力的影響

滾軸內(nèi)移跟滾軸正常放置時相比，開裂荷載相同，都先出現(xiàn)在行走梁上,破壞荷載提高25%～36%，見表2。最終破壞時，滾軸內(nèi)移至柱邊的構(gòu)件的梁柱新舊混凝土結(jié)合面的相對位移較大，這表明滾軸內(nèi)移之后加劇了梁柱新舊混凝土結(jié)合面的破壞。但是滾軸內(nèi)移構(gòu)件最終破壞是由于行走梁懸挑根部縱筋受彎屈服，導(dǎo)致構(gòu)件結(jié)合面滑移增大，均屬于受彎破壞。

3.2.2 滾軸滿布對構(gòu)件承載力的影響

滾軸滿布的構(gòu)件跟輥軸正常放置的構(gòu)件相比，開裂荷載大致相同，都先出現(xiàn)在行走梁上；破壞荷載都大約提高了一倍，見表3。在行走梁下滿布滾軸的情況下，柱下的滾軸能夠抵抗行走梁的彎曲變形，能夠有效地抵抗彎矩，限制行走梁撓度增大，并達到了限制行走梁裂縫寬度的作用。在這個破壞過程中，構(gòu)件的結(jié)合面破壞較嚴(yán)重，其破壞類型為結(jié)合面沖切破壞。

表2 滾軸內(nèi)移與滾軸正常布置時的試件開裂荷載和破壞荷載

表3 滾軸滿布與滾軸正常布置時的試件開裂荷載和破壞荷載

4 結(jié)論

(1)滾軸內(nèi)移至柱邊緣的構(gòu)件破壞荷載提高25%～36%；滾軸滿布構(gòu)件破壞荷載都提高了一倍。因此，增大托換梁與滾軸的接觸范圍(滾軸內(nèi)移或滾軸滿布)，可以能夠提高構(gòu)件的承載力。在實際工程應(yīng)用中應(yīng)盡量保證托換梁下滾軸均勻滿布，減小托換梁的變形，提高托換節(jié)點的承載力。

(2)滾軸內(nèi)移至柱邊緣的構(gòu)件破壞時，托換梁與柱的結(jié)合面產(chǎn)生較大滑移，最終托換梁縱筋屈服導(dǎo)致構(gòu)件破壞，發(fā)生受彎破壞。滾軸滿布的構(gòu)件破壞時，托換梁由于滾軸的抵抗而變形較小，縱筋沒有達到屈服破壞；梁與柱結(jié)合面滑移很大，發(fā)生結(jié)合面沖切破壞；連梁破壞嚴(yán)重，成為托換體系的薄弱環(huán)節(jié)。

(3)滾軸內(nèi)移和滾軸滿布都使構(gòu)件梁柱結(jié)合面變得更加薄弱，托換節(jié)點的破壞形態(tài)由行走梁的彎剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱褐屡f混凝土結(jié)合面的滑移破壞，可作為新舊混凝土咬合強度的研究依據(jù)。