某承重砖砌体洞口改造设计与施工方法的研究

张鸿梅 刘 威

近年来,随着经济的发展和人民生活水平的提高,业主对既有砌体房屋格局和空间的改造需求日益增多[1]。其中砖混结构房屋的改造在旧房改造中占有相当大的比例。采用托换技术可以使结构体系实现顺利转换,实现建筑物的空间改造。本文要介绍的槽钢砌体组合托梁技术就是先施工成组合墙梁,待组合墙梁形成后,再拆除被托换的墙体,现结合工程实例进行详细论述。

1 工程概况

延吉北大某住宅楼,6层砖混结构,主卧室进深为6 m,开间为3.6 m,洞口尺寸为2100 mm×900 mm,该楼2层某住户为方便使用,要求对主卧室门洞进行改造,改造前后平面布置如图1所示(图中原、新洞口分别简称为洞1、洞2)。

2 结构改造设计与施工

2.1 洞1结构体系设计与处理

考虑到两洞口之间墙体受压承载力,需在处理洞2前,妥当处理洞1。因此,为了充分利用洞1的承载作用和配合洞2的施工,洞1的施工分两步进行,方案如下:1)砌筑黏土砖墙:砌墙之前,对洞1四周做马牙槎或植拉结筋处理[4],洒水湿润,以增加新旧墙体的粘结。砌新墙时,用高一个标号的水泥砂浆砌筑,对搭接处重点处理,务必保证新旧墙体的粘结和整体性。新墙高度1800 mm,等于原宽,预留300 mm×900 mm(见图1)。2)浇筑膨胀混凝土:对洞1预留部分浇筑膨胀混凝土,使新旧墙体形成一个整体,共同承担荷载,施工步骤:首先,待新墙强度达75%以上时,开始对预留洞口浇混凝土;其次,浇混凝土前,洞口周围洒水湿润;再次,浇筑时,分段浇筑,即 1/3段浇筑一次,并边浇筑边插棒振捣,保证混凝土的连续均匀性;最后,对模板螺栓施拧,拧紧到80%左右时停止施拧,待混凝土初凝过后,再彻底拧紧模板螺栓。

2.2 槽钢砌体组合托梁法实现墙体开门洞

1)设计方案:因该墙为承重墙,门洞上方直接有楼板和墙体等荷载。传统技术是墙体不拆除就无法将托梁安装,只能通过墙体扶壁柱托换的方法解决此问题,施工过程复杂,耗时长[5]。采用槽钢砌体组合托梁就能很好的解决此问题。本工程托梁采用2根[14a槽钢直接扣进墙体灰缝,并用φ 8@250的钢筋将其固定而成。2)施工顺序。a.镶嵌槽钢:用尺测量,定开洞位置,用φ 10钻机沿量好的墙体水平灰缝钻孔,钻1400 mm×10 mm的水平孔洞,以便槽钢镶嵌,但该孔不钻穿(因[14a槽钢翼缘宽度为58 mm,两个加起来仅116 mm,而墙厚240 mm[4,6]),余墙可继续承担荷载。具体操作时,先钻其中一面,钻好后,洒水湿润,灌入水泥净浆,将一根[14a槽钢镶入槽中,固定后再钻另一面,钻完后,同理镶嵌另一根槽钢。b.穿焊箍筋:用φ 10钻机在槽钢上下端竖向砖墙灰缝中钻孔,间距250 mm,孔需钻穿,顺孔插入φ 8钢筋,用焊机对钢筋和槽钢搭接处施焊,使上下两排钢筋与槽钢形成一个整体,然后处理钢筋与槽钢安装焊接过程中遗留的空隙,加压注水泥净浆,填充密实。

3 施工要求

1)新旧洞口内壁在施工前都应洒水湿润处理。2)待洞1处后浇混凝土达到设计强度的75%以上,才能把洞2处托梁下方的墙体拆除[4,6]。3)据抗震要求,洞2位置必须距离外纵墙500 mm以上[7]。4)施工顺序:洞1砌墙→洞2部位镶嵌槽钢并焊接箍筋→洞1浇筑混凝土→拆除洞2托梁下方墙体。

4 结构设计验算

对此工程进行强度、挠度、构造要求等验算,并结合竣工后实际使用情况,判断原方案可行。据此成功经验,尝试计算更大开间,经计算,当开洞1500 mm时亦可行,故用ANSYS对开洞1500 mm时进行模拟分析,结果可行。分析步骤如下。

4.1 验算现有洞口

查资料[4,8],结合实际情况,计算知荷载设计值为113.21 kN/m,因梁端锚固长度满足构造要求,且槽钢中的砌体加强了槽钢的稳定性,故只需验算抗弯性能。

当开洞900 mm时,托梁跨中弯矩为:

查资料[6],槽钢截面抵抗矩为:Wx=80.5 cm3,抗弯强度:

未考虑塑性发展系数及槽钢自重,满足要求。

4.2 拓展洞口设计验算

当开洞1500 mm时,根据实际情况,将托梁简化为两个模型。

4.2.1 梁模型

1)基本假设。a.由于钢筋与槽钢的连接,使两根槽钢形成一个整体受力体系,加之中间砌体支撑,整体稳定问题不存在,其承载能力可由强度控制。b.因槽钢端部与砖墙具有足够的搭接长度,故可认为槽钢两端位移边界条件为简支。c.不考虑槽钢内部砖墙的有利作用,即从偏安全考虑,可简化受力模型为两根槽钢组成的简支梁,荷载二者平均分担。

2)强度计算。

未考虑塑性发展系数及槽钢自重,满足要求。

4.2.2 壳模型

采用Shell181单元模拟槽钢,Beam188模拟钢筋,并采用耦合节点位移的方式来模拟内部砖墙的作用。

1)基本假设。a.因砖墙的内部填充及砖墙本身抗压性能,可认为槽钢上下翼缘在竖向位移上一致。b.因槽钢之间采用钢筋焊接形成整体,故可采用共节点方式模拟钢筋作用。c.不考虑砖墙承载能力,所有外荷载由两槽钢承担。d.边界条件:两端简支。

2)有限元模型。对槽钢上下翼缘 Uz方向进行耦合;为更好地模拟简支边界条件,对槽钢上翼缘施加Uz方向的位移,对槽钢下翼缘施加Ux,Uz方向的位移;荷载以均布方式施加在上翼缘。跨度 L=1500 mm,外载PRES=-1 N/mm2(考虑槽钢自重)。

3)有限元结果分析。a.竖向最大挠度2.116 mm;b.最大M ISES应力 230.977 MPa,位于支座端;c.槽钢最大MISES应力230.977 MPa,位于支座端;d.槽钢跨中最大应力δx=170.514 MPa,位于上翼缘。

4)数据整理与对比。

得出结论:1)采用梁单元分析的模型更偏于安全。2)此种托梁方式在理论上可行。

5 结语

该工程实践与理论分析表明,上述的设计及施工方案在实际砌体房屋改造工程中施工方便、快捷省时、技术合理,具有较好的可行性,为实际砌体房屋洞口改造提供了成功的经验,供广大设计者参考。此外,槽钢砌体组合托梁技术在大开间改造方面,将会有更广阔的发展与应用前景,笔者将对大开间时的力学性能和施工要点作进一步试验研究论证。

[1]范夕森.既有砌体房屋改造大开间的结构设计[J].工程抗震与加固改造,2008,30(3):105-107.

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[3]李周荣,李永强,胡永生.砌体结构承重墙体置换技术的应用[J].西部探矿工程,2006(10):25-26.

[4]唐岱新.砌体结构[M].第2版.北京:高等教育出版社,2009:7-23,142-146.

[5]胡坤生,杨雪强,丁方明.砌体加固改造设计与施工方案[J].山西建筑,2005,31(21):68-69.

[6]魏明钟.钢结构[M].第 2版.武汉:武汉理工大学出版社,2005:146-160,328.

[7]JGJ 116-98,建筑抗震加固技术规程[S].

[8]GB 50003-2001,砌体结构设计规范[S].

[9]刘孟良.普通砖砌房屋结构设计的注意事项[J].山西建筑,2008,34(4):78-79.