王志泉， 林 鵬， 王大軍， 安 炳

(1.甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

磚混結(jié)構(gòu)在我國(guó)20世紀(jì)70～80年代被廣泛使用，目前，因建筑物使用功能改變或使用年限將至需進(jìn)行加固改造，而底部大空間的需求導(dǎo)致磚混結(jié)構(gòu)改底部框架結(jié)構(gòu)成為常見(jiàn)改造形式之一。在大空間改造過(guò)程中，拆墻改造將打破內(nèi)力平衡，改變整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形狀態(tài)。磚混結(jié)構(gòu)改底部框架結(jié)構(gòu)采用置換技術(shù)可以使結(jié)構(gòu)體系順利轉(zhuǎn)換，二次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即在底層設(shè)置托換大梁，待墻體拆除后將上部荷載通過(guò)框架柱傳遞至基礎(chǔ)，因此托換梁的設(shè)計(jì)是磚混結(jié)構(gòu)改底框結(jié)構(gòu)的重要工作。

在托換梁設(shè)計(jì)研究方面，張根俞等[1]介紹了托換技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)加固中的設(shè)計(jì)方案和施工過(guò)程；邵劍文等[2]結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)，分析了托換梁的受力性能和上部墻體的荷載傳遞方式，并給出了磚混結(jié)構(gòu)在改造中的建議；姜雪峰等[3]結(jié)合托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了磚混結(jié)構(gòu)在局部大空間結(jié)構(gòu)中的技術(shù)要點(diǎn)；曹大富等[4]對(duì)混凝土-砌體組合托換梁進(jìn)行受力性能試驗(yàn)研究，分析了試件的撓度、鋼筋和混凝土應(yīng)變、承載能力以及最終破壞形態(tài)；相軍等[5]結(jié)合工程實(shí)例介紹了托換梁的形式及各自優(yōu)缺點(diǎn)，并總結(jié)了墻體托換施工中的若干技術(shù)問(wèn)題；謝合舜等[6]介紹了托換梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括托換形式的選擇及托換結(jié)構(gòu)的計(jì)算，并對(duì)托換梁加固技術(shù)的具體施工過(guò)程進(jìn)行了論述；張?chǎng)蔚萚7]對(duì)足尺砌體承重墻雙梁式托換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn)，研究不同托換梁截面高度及縱筋配置等對(duì)托換結(jié)構(gòu)受力性能的影響；張令心等[8～10]從易損性的角度討論了底框結(jié)構(gòu)的易損性問(wèn)題；齊常軍等[11]通過(guò)對(duì)磚混預(yù)制板結(jié)構(gòu)房屋的抗震檢測(cè)鑒定和拆墻托梁加固方案的比較，闡述了兩種方案的特點(diǎn)，為托換梁工程的實(shí)施提供了借鑒意義；在已有的磚混結(jié)構(gòu)改底框結(jié)構(gòu)研究中，對(duì)于托換梁數(shù)值建模技術(shù)和引起樓板受力變化的研究較少。本文依托20世紀(jì)70年代某四層磚混結(jié)構(gòu)改底框結(jié)構(gòu)實(shí)例，進(jìn)行數(shù)值有限元模擬，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)修正分析模型，對(duì)改造后底框結(jié)構(gòu)中的托換梁進(jìn)行受力分析，提出需要對(duì)樓板面層加固處理的意見(jiàn)。

1 工程概況

本研究所依托的建造于20世紀(jì)70年代的某地上四層磚混結(jié)構(gòu)(圖1，結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖2)，因達(dá)到使用年限和使用功能改變，將磚混結(jié)構(gòu)加固改造為底框結(jié)構(gòu)。建筑總長(zhǎng)度54.8 m,寬13 m，第1層層高3.3 m，第2,3層層高3.15 m；第4層層高3.5 m，室內(nèi)外高差0.7 m，結(jié)構(gòu)總高13.85 m，外墻厚370 mm，內(nèi)墻厚240 mm，磚砌一般擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底土采用450 mm厚3∶7灰土換填處理。90年代進(jìn)行過(guò)抗震加固處理，采用的是外墻加鋼筋混凝土扶壁構(gòu)造柱、條帶圈梁、內(nèi)墻加鋼拉桿加固方法。

圖1 磚混結(jié)構(gòu)照片

圖2 磚混結(jié)構(gòu)平面布置/mm

2 結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定主要結(jié)論

由于該建筑前期勘察資料均已遺失，經(jīng)重新勘察，對(duì)基礎(chǔ)類型、尺寸、埋深進(jìn)行檢測(cè)，基礎(chǔ)類型為磚砌條形擴(kuò)展基礎(chǔ)，高度450 mm?；A(chǔ)持力層根據(jù)后期勘察確定為黃土狀粉土層，基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)明顯可見(jiàn)的裂縫、變形、損傷等缺陷；通過(guò)對(duì)建筑物上部承重結(jié)構(gòu)的檢查及對(duì)建筑物的變形觀測(cè)，未見(jiàn)明顯異常，地基基礎(chǔ)穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)墻體構(gòu)件鑿除表面抹灰層進(jìn)行砌筑外觀質(zhì)量檢查，砌體塊材現(xiàn)狀完好，砌筑砂漿為混合砂漿，水平及豎向砌筑縫局部不飽滿，部分砌筑墻體抹灰層表面出現(xiàn)開(kāi)裂、酥碎、剝落狀。部分樓板拼縫處出現(xiàn)微裂或滲漏，以及抹灰層剝落等現(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果以及取樣室內(nèi)試驗(yàn)，第1～4層承重墻體的砌筑用磚強(qiáng)度評(píng)定為MU10；砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度推定值第1層為1.1 MPa，第2層為1.2 MPa，第3層為0.9 MPa，第4層為1.2 MPa；砌體強(qiáng)度為1.29 MPa。

經(jīng)過(guò)PKPM軟件對(duì)建筑物進(jìn)行建模驗(yàn)算分析，墻體承載力第1～4層部分墻體受壓承載力不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；根據(jù)墻體局部受壓承載力驗(yàn)算結(jié)果，第1～3層墻體局部受壓承載力不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，第4層墻體局部受壓承載力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，墻體高厚比滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

依據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，按A類磚混房屋進(jìn)行抗震鑒定，該建筑砌筑砂漿強(qiáng)度不滿足鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求；結(jié)構(gòu)第1，2層縱向及橫向樓層平均抗震能力指數(shù)小于1.0，綜合抗震能力指數(shù)小于1.0；第1，2層抗震承載力嚴(yán)重不足，因此，結(jié)構(gòu)抗震性能不滿足鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 雙梁托換技術(shù)改造方案

根據(jù)建設(shè)單位使用要求，第1層作為電信營(yíng)業(yè)大廳，需要改造為底部框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，第2～4層為原磚混結(jié)構(gòu)。本工程經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，確定將雙梁托換技術(shù)應(yīng)用到該磚混結(jié)構(gòu)改造為底部框架-抗震墻砌體房屋中，底層為混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為二級(jí)，對(duì)于不滿足要求的墻體，剔除原抹灰層，采用雙面高延性抹面進(jìn)行抗震加固。本工程主要改造措施為第1層地基基礎(chǔ)改造加固、框架柱改造、框架梁雙梁托換改造,第2～4層墻體加固。

磚混結(jié)構(gòu)改底框梁托換可按照梁布置數(shù)量分為單梁托換與雙梁托換(圖3)。雙梁托換最為常用，雙梁托換就是指在待拆除墻體的頂部?jī)蓚?cè)對(duì)稱增設(shè)混凝土托換梁，托換梁間設(shè)置肩梁，因此，托換梁、肩梁以及托梁間墻體共同工作協(xié)同受力形成托換組合梁。托換組合梁與兩側(cè)增設(shè)的混凝土柱或組合柱組成框架結(jié)構(gòu)，通常都在底部，因此習(xí)慣上稱其為底部框架結(jié)構(gòu)。

圖3 托換梁類型

雙梁托換施工，先澆筑混凝土柱和托換組合梁，待混凝土硬化形成框架后再拆除原有墻體，施工便捷安全，保留了部分墻體，減小了對(duì)結(jié)構(gòu)的傷害，安全儲(chǔ)備高；而且雙梁托換相對(duì)單梁托換有兩個(gè)與墻體的粘接面，因此在相同承載力需求下托換梁高度可以更小，托換梁下可提供更大的使用空間?；诖藘?yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目選用雙梁托換技術(shù)進(jìn)行磚混結(jié)構(gòu)改底框-抗震墻結(jié)構(gòu)的托換(圖4)。

圖4 底層托換梁布置/mm

雙梁與肩梁、墻體形成的組合體系具有較高的剛度和承載能力(圖5b,5c)。但與原結(jié)構(gòu)相比，組合托換梁寬度較大，使得上部墻體豎向荷載向下傳遞的路徑發(fā)生改變(圖5a)，由于所保留的墻體豎向剛度小于兩側(cè)混凝土托梁，相對(duì)托梁發(fā)生向下相對(duì)變形，導(dǎo)致上部墻體荷載通過(guò)墻下樓板將彎矩與剪力傳遞給托梁，從而在托梁內(nèi)側(cè)面樓板截面出現(xiàn)較大的剪力，以及在樓板荷載作用下托梁外側(cè)面樓板截面出現(xiàn)了負(fù)彎矩，且負(fù)彎矩截面位置隨著托換梁寬度增大向板跨內(nèi)移動(dòng)，如果樓板負(fù)彎矩鋼筋或樓板抗彎承載能力不足，將會(huì)存在安全隱患。因此，本研究項(xiàng)目在用鋼筋網(wǎng)和高延性混凝土面層加固樓板時(shí)，增設(shè)穿墻鋼筋，在增強(qiáng)樓板剛度的同時(shí)，提高樓板端部的抗彎能力，并通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

圖5 肩梁布置/mm

4 施工關(guān)鍵技術(shù)與順序要求

既有結(jié)構(gòu)加固改造由于拆除原結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件，產(chǎn)生二次受力過(guò)程，因此施工順序要求和關(guān)鍵技術(shù)保證是二次內(nèi)力調(diào)整的關(guān)鍵。此次組合托換梁施工順序?yàn)榧缌骸袚Q梁—拆除墻體—底面處理。

首先在擬拆除墻體頂部距第1層樓板底250 mm處開(kāi)洞，洞口尺寸與肩梁橫斷面尺寸相同，間隔750 mm，開(kāi)洞后綁扎肩梁鋼筋；肩梁鋼筋布置完成后，兩側(cè)托換梁鋼筋綁扎，進(jìn)行框架托換梁底部模板制作安裝，最后澆筑雙托梁混凝土；待框架柱及雙托梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后拆除墻體，并在墻與托換梁底用高延性砂漿處理底面。本工程考慮到樓板內(nèi)力的改變，在拆除墻體之前，先完成了樓板面層的施工。

由于雙梁托換技術(shù)使用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，因此，為了確定托換梁的實(shí)際內(nèi)力和變形狀態(tài)，以及樓板傳力路徑改變后樓板面層提供抗彎承載力的可靠性，在施工階段布置了鋼筋應(yīng)變計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)和位移計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本文著重討論樓板的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況。

5 現(xiàn)場(chǎng)靜力試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

鑒于以上研究目的，現(xiàn)場(chǎng)選取5軸線C～D段托梁和相鄰板為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)觀測(cè)主要是樓板負(fù)彎矩截面處的混凝土應(yīng)變?cè)诓饓η昂蠛蜆前宥演d前后的變化情況，因此，在每塊預(yù)制樓板上負(fù)彎矩截面位置布置了混凝土表面應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)編號(hào)分別為27#,28#,29#，安裝完成的位移計(jì)、混凝土表面應(yīng)變計(jì)和鋼筋計(jì)如圖6所示。

圖6 傳感器布置與荷載試驗(yàn)/mm

此次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的加載采用標(biāo)準(zhǔn)水泥袋堆載(如圖6e)，采用五級(jí)加載，每級(jí)荷載持荷15 min，其中，第一級(jí)加5袋水泥(每袋50 kg)共250 kg，第二級(jí)增加2袋共350 kg，第三級(jí)再加3袋共500 kg，第四級(jí)繼續(xù)增加4袋共計(jì)700 kg，最后第五級(jí)加載至900 kg。連續(xù)采樣一段時(shí)間，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后分兩級(jí)卸載，每級(jí)450 kg。

6 現(xiàn)場(chǎng)靜力試驗(yàn)結(jié)果分析

混凝土應(yīng)變計(jì)應(yīng)變數(shù)據(jù)通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，采樣時(shí)間間隔45 s，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7所示，隨著荷載級(jí)別的增加應(yīng)變數(shù)據(jù)逐級(jí)增加。表1中匯總了各級(jí)荷載加載完成時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，與荷載級(jí)別的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線繪制在圖8中。

圖7 混凝土應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)變化曲線

表1 樓板混凝土應(yīng)變計(jì)讀數(shù) με

圖8 應(yīng)變與荷載級(jí)別關(guān)系曲線

通過(guò)應(yīng)變數(shù)據(jù)可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨荷載增加成線性關(guān)系變化，卸載后應(yīng)變基本恢復(fù)，說(shuō)明在施加的正常使用目標(biāo)荷載下，整個(gè)樓板處于完全彈性狀態(tài)。在第五級(jí)荷載時(shí)，混凝土應(yīng)變最大值為10.7 με。

試驗(yàn)結(jié)果表明托換梁外側(cè)邊緣樓板截面出現(xiàn)了拉應(yīng)力，反映出上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞荷載路徑發(fā)生了改變，由原結(jié)構(gòu)墻體直接向下傳遞豎向荷載，改變?yōu)橥ㄟ^(guò)樓板構(gòu)件彎曲、剪切向轉(zhuǎn)換梁傳遞。因此，對(duì)于托換梁轉(zhuǎn)換工程，由于荷載傳遞路徑的改變，導(dǎo)致上部荷載引起的內(nèi)力通過(guò)樓板端部將彎矩和剪力向托換梁傳遞，對(duì)樓板端部抗彎和抗剪承載能力提出了更高的要求，必須要加固處理。

7 有限元靜力分析

7.1 有限元模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果，隔跨樓板荷載對(duì)試驗(yàn)跨構(gòu)件內(nèi)力和變形的響應(yīng)影響很小，因此，本文采用有限元軟件ANSYS建立了該結(jié)構(gòu)三開(kāi)間實(shí)體分析模型，用于對(duì)比分析拆墻前后的受力狀態(tài)。模型中的構(gòu)件尺寸均按照施工圖紙進(jìn)行足尺建模，其中，框架柱尺寸為940 mm×940 mm，雙側(cè)托換梁?jiǎn)瘟撼叽鐬?50 mm×700 mm，樓板的厚度為150 mm，內(nèi)墻體厚度為240 mm，外墻體厚度為370 mm，結(jié)構(gòu)層高為3.3 m。鋼筋為HRB400級(jí)，框架柱和托換梁縱筋直徑為25 mm，箍筋為10 mm，肩梁縱筋直徑為16 mm，箍筋為8 mm，均采用LINK8單元模擬，本構(gòu)采用雙向隨動(dòng)強(qiáng)化模型；托梁、肩梁、樓板、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，采用SOLID65單元建模，彈性模量取為3.15×104MPa，樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15，同樣選用SOLID65單元建模，彈性模量取2.2×104MPa；砌體結(jié)構(gòu)采用SOLID45單元，彈性模量取為9600 MPa。

由于實(shí)際結(jié)構(gòu)保留墻體剛度小于混凝土托換梁，在荷載作用下易產(chǎn)生相對(duì)變形，因此，如何模擬保留磚混墻體和混凝土托換梁粘結(jié)面的力學(xué)性能，是保證分析模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。在磚混墻體和混凝土托換梁間設(shè)置10 mm厚的SOLID45單元模擬兩種材料的過(guò)渡區(qū)域，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將SOLID45單元彈性模量修正為2.1×104MPa。并利用修正后的實(shí)體分析模型對(duì)拆墻前后結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行分析，有限元模型如圖9所示。

圖9 有限元模型

7.2 邊界條件及加載方式

拆除墻體前后加載與現(xiàn)場(chǎng)靜力試驗(yàn)條件相同，自重荷載利用ANSYS設(shè)置材料密度，在豎向施加重力的方法實(shí)現(xiàn)。有限元模型中樓板荷載模擬，則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置區(qū)域和重量折算為均布荷載施加在樓板上的試驗(yàn)區(qū)域。

7.3 參數(shù)分析

現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)時(shí)，在拆除墻體后上部結(jié)構(gòu)恒載作用下托換梁跨中撓度最大值為0.26 mm，受拉縱筋最大應(yīng)力為6.1 MPa，端部負(fù)彎矩截面受拉縱筋最大應(yīng)力也只有3.9 MPa，說(shuō)明托換梁的截面尺寸偏于保守。

因此結(jié)合荷載傳遞路徑改變導(dǎo)致樓板端部出現(xiàn)彎矩和剪力問(wèn)題，對(duì)托換梁的寬度進(jìn)行參數(shù)分析，確定托換梁截面變化對(duì)托換結(jié)構(gòu)的影響，以及確定樓板抗彎承載力需要提高的處理范圍。本文選取了三個(gè)托換梁截面尺寸，分別為250 mm×700 mm，400 mm×700 mm，250 mm×500 mm，其他條件與實(shí)際結(jié)構(gòu)分析模型相同，對(duì)拆除墻體前后內(nèi)力傳遞和內(nèi)力大小進(jìn)行分析，有限元模型如圖10所示。

圖10 不同尺寸有限元模型

7.4 托換梁內(nèi)力與變形

3種不同托換梁截面尺寸模型在上部結(jié)構(gòu)自重荷載作用下托換體系變形圖以及鋼筋應(yīng)力云圖，如圖11，12所示。表2為梁跨中截面和負(fù)彎矩截面最大拉應(yīng)力值對(duì)比，表3為托換梁變形值對(duì)比。

圖11 托換梁鋼筋應(yīng)力/MPa

圖12 托換梁整體變形/mm

表2 托換梁鋼筋應(yīng)力 MPa

表3 托換梁跨中撓度 mm

對(duì)比分析說(shuō)明：在上部結(jié)構(gòu)自重荷載作用下，托梁的最大彎矩截面和撓度出現(xiàn)在跨中位置，而且250 mm×500 mm托換梁的變形為0.50 mm，比工程中采用的250 mm×700 mm截面梁增大近1.9倍，但鋼筋應(yīng)力提高最大幅度僅為1.27倍，且最大應(yīng)力也僅為屈服強(qiáng)度的5.6%，說(shuō)明當(dāng)減小托換梁高度至500 mm時(shí)，撓度僅是跨度的萬(wàn)分之一，再次說(shuō)明托換梁截面偏大，偏于保守。托梁寬度的變化，則對(duì)應(yīng)力影響并不顯著。

7.5 樓板應(yīng)力分布

樓板端部負(fù)彎矩截面位置隨支撐梁寬度的不同而變化，250 mm×700 mm和400 mm×700 mm兩種不同寬度托換梁樓板上表面的拉應(yīng)變分布(圖13)表明,梁寬度增加時(shí)，樓板端部負(fù)彎矩截面內(nèi)移。

圖13 樓板板面應(yīng)變分布云圖

利用后處理提取了預(yù)制板端部的應(yīng)變，250 mm×700 mm的托換梁上方最大應(yīng)變?yōu)?5.4 με，400 mm×700 mm的托換梁上方最大應(yīng)變?yōu)?1.6 με，因此若預(yù)制板端部構(gòu)造鋼筋不足時(shí)容易引起安全隱患，因此在本工程中采用在預(yù)制樓板上現(xiàn)澆配筋砂漿面層，使預(yù)制板能與底部的框架結(jié)構(gòu)形成整體并共同受力。

8 結(jié) 論

雙梁托換技術(shù)經(jīng)常被用于磚混結(jié)構(gòu)改底部框架結(jié)構(gòu)工程中，但托換梁截面設(shè)計(jì)和可能出現(xiàn)的問(wèn)題處理并沒(méi)有可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。本文根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)結(jié)果，修正了ANSYS實(shí)體有限元分析模型，分析了豎向荷載傳遞路徑的變化情況，以及樓板出現(xiàn)負(fù)彎矩等問(wèn)題，結(jié)果表明：

(1)該類既有磚混結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)時(shí)，托換梁截面尺寸選取往往由保留墻體和托換梁粘結(jié)面確定，易導(dǎo)致梁截面尺寸偏大，過(guò)于保守。

(2)既有磚混結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)可以通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析確定，保留墻體和混凝土托換梁間的粘結(jié)模擬可以采用ANSYS實(shí)體單元準(zhǔn)確模擬。

(3)托換梁使得樓板支撐部位發(fā)生改變，導(dǎo)致樓板端部出現(xiàn)負(fù)彎矩，造成安全隱患，建議對(duì)樓板負(fù)彎矩截面進(jìn)行抗彎和抗剪承載力加強(qiáng)處理，處理范圍需通過(guò)有限元計(jì)算分析確定。