既有建筑地下增层托换梁设计研究

2018-07-02潘宇贾强夏风敏孔文龙

山东建筑大学学报 2018年3期

潘宇，贾强，*，夏风敏，孔文龙

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.山东衡泰工程咨询有限责任公司，山东莱芜271100）

0 引言

有序、合理、综合、高效地开发利用既有建筑物的地下空间资源，成为扩充基础设施容量、增强城市综合防灾能力、提高土地利用效率和节约土地资源的最为有效途径之一［1］。既有建筑地下增层的关键技术是基础托换，其结构受力复杂，而且传力机理尚不明确。地下增层托换桩的设置方式又分为在上部竖向构件两侧设置［2］和在竖向构件中间位置设置。其中，托换桩设置在中间位置具有施工方便且占地面积小的优点。但上部结构荷载通过竖向构件施加在托换梁上，对该梁抗剪能力提出了很高的要求。

国内众多地下增层工程实例中，中国工商银行某办公楼增设的地下室工程［3］、济南商埠区某医院的地下增层工程［4］、北京中山公园音乐堂的地下加层工程［5］均以托换桩在上部竖向构件两侧设置的墙柱下托换为主。但托换方式以原竖向构件中间设置托换桩的工程实例与研究较少，托换梁按经验设计过于保守，可进行设计优化以降低托换成本。

为了深入研究托换结构受力特点，文章以淮阴某大厦地下增层工程为例［6］，采用 Midas gen对托换梁设计方法进行优化。

1 工程概况

淮阴某大厦建于1985年，框架剪力墙结构，主楼15层，局部16层，层高均为3.6 m。主楼总面积为8016 m2，平面呈 Z形，柱网尺寸为 4.0 m×5.5 m，如图1所示。框架柱截面尺寸为500 mm×500 mm；框架梁截面尺寸为250 mm×400 mm；剪力墙厚度为250 mm；楼板厚度为200 mm。原基础为桩基础，采用摩擦桩，共157根桩，桩径为450 mm，桩长为21 m，单桩设计承载力为750 kN，混凝土标号400＃；承台厚1.5 m，混凝土标号200＃，承台顶标高为 -0.9 m。

图1 建筑标准层平面图／mm

由于建筑功能改变，现需在原有结构下增设两层地下室，地下一层层高为5.2 m，地下二层层高为3.7 m。

工程采用在柱间设置托换桩，其具体施工顺序如图2所示。（1）基坑支护并开挖建筑物土方至原基础承台暴露；（2）在柱间（柱外侧）地下室待开发区域施工钢筋混凝土钻孔灌注桩作为托换桩，至持力层桩底标高-34.2 m；（3）托换桩桩顶施工托换梁，使托换梁、托换桩与既有建筑连为整体结构并截除原建筑物基础；（4）原建筑荷载由托换结构承担，开挖地下室土方至地下室底板标高，必要时设置水平支撑（或斜撑），自下而上施工地下室底板、中间楼层板、地下室外墙、地下室顶板。施工既有建筑剪力墙至地下室底板，使剪力墙连为整体。

图2 施工示意图

2 地下增层托换梁设计

2.1 钢筋混凝土托换梁设计

2.1.1 设计思路

对增设地下室构件进行Midas gen建模时，需考虑恒荷载、活荷载、地震荷载与风荷载等。而对施工过程验算时，忽略地震荷载，风荷载按五年一遇。纵向A至H轴布置钢筋混凝土托换梁，梁顶标高±0.000m，横向布置连系梁。工程抗震等级三级，设防烈度7度（0.1g），地震分组为 3组，场地类别为Ⅱ，基本风压为0.3 kN／m2，构件混凝土设计强度等级均为C40，钢筋混凝土托换梁采用四面包裹式，双梁截面尺寸为600 mm×1400 mm，托换桩直径为1000 mm。

分析工况选取托换桩与托换梁已施工完毕，已凿除原基础，土方开挖至地下室底板标高的情况，计算桩、梁托换结构的受力情况。在框架柱两侧施工托换梁，采用双梁设计，开挖底面处视为嵌固端，桩梁接头为刚接。一层柱底轴力作用在托换梁上为集中力，用于托换梁配筋设计。其中，3-D轴处柱底轴力中最大值为3610 kN，1-A轴处最小值为1633 kN，一层剪力墙作用在托换梁的荷载视为均布荷载340.8 kN／m。对托换梁分别进行剪力与弯矩内力分析，钢筋混凝土托换梁剪力图（剪力图中剪力为托换梁梁端剪力）与弯矩图（弯矩图中托换梁下方数值为梁跨中正弯矩，托换梁两侧数值为支座处负弯矩）如图3、4所示。托换梁设计为梁顶标高±0.000 m处托换梁，地下室二层顶梁、地下室柱、墙体的受力和配筋图不再赘述。

图3 钢筋混凝土托换梁端剪力分布图／kN

2.1.2 内力分析结果

工况下，对于框架部分，上部结构传递到托换梁跨中的为较大集中力，在C轴1／3～1／4轴处托换梁跨中产生的最大正弯矩为2971.1 kN·m，在G-1／2轴支座处产生的最大负弯矩为2401.3 kN·m、最大剪力为2733.8 kN。对于剪力墙，传递均布荷载至托换梁，在B轴1／2～1／3轴处托换梁跨中产生的最大正弯矩为4928.3 kN·m，在G-1／3轴支座处产生的最大负弯矩为2968.2 kN·m、最大剪力为2918.4 kN。

图4 钢筋混凝土托换梁弯矩分布图／（kN·m）

2.1.3 托换梁设计

取D、E轴线（标准4跨）托换梁进行配筋设计。混凝土强度等级为C40，纵向受拉钢筋与水平分布钢筋 HRB400，竖向分布钢筋 HRB335，fc、fy、fyh、fyv分别为 19.1、360、360、300 N／mm2，截面尺寸为600 mm×1400 mm，梁跨度为 5.5 m。根据GB 50010—2015《混凝土结构设计规范》附录G中G.0.2与 G.0.4条进行配筋设计［7］得：跨中受拉区纵向普通钢筋截面面积As为6805.6 mm2，跨中水平分布钢筋截面面积Ash为2821.3 mm2，跨中同一截面内竖向分布钢筋截面面积Asv为310.0mm2；端部受拉区纵向普通钢筋截面面积As为4102.6 mm2，端部水平分布钢筋截面面积Ash为2821.3 mm2，端部同一截面内竖向分布钢筋截面面积Asv为310.0 mm2。配筋结果见表1，梁截面图如图5所示。

表1 钢筋混凝土托换梁配筋结果表

为保证截面抗剪满足要求，托换梁与框架柱紧密相连，托换梁采用四面包裹式连接［8］，梁高1.4 m高度范围内通过植筋方式连接，竖向间距每200 mm植筋16钢筋两根，各侧面共植筋14根［9］。

A至H轴钢筋混凝土托换梁，每间隔1.5 m设置钢筋混混凝土连接键，施工时连接键洞口大小为300 mm×460 mm，连接键将两侧托换梁相连，满足构造要求即可，如图6所示。

图5 钢筋混凝土托换梁截面示意图／mm

图6 连接键截面图／mm

2.2 内置H型钢混凝土托换梁设计

采用该墙柱间托换方式，托换梁为主受剪深梁构件［10］，钢筋混凝土托换梁梁高1.4m，托换梁梁高过大且自重过大，导致地下室层高减小，无法充分利用待开发地下室，因此提出型钢混凝土（SRC）梁即H型钢混凝土梁用于地下增层，以减小梁高［11-12］，优化原托换方案。

2.2.1 设计思路

改变托换梁截面尺寸为500 mm×1000 mm，混凝土强度等级为C40，钢材为Q235B，H型钢型号为HM550 mm×300 mm×11／18 mm。

对托换梁分别进行剪力与弯矩内力分析，内置H型钢混凝土托换梁剪力图（剪力图中剪力为托换梁梁端剪力）与弯矩图（弯矩图中托换梁下方数值为梁跨中正弯矩，托换梁两侧数值为支座处负弯矩）如图7、8所示。

图7 内置H型钢混凝土托换梁整体剪力平面图／kN

图8 内置H型钢混凝土托换梁整体弯矩平面图／（kN·m）

2.2.2 内力分析结果

与钢筋混凝土托换梁相比，内置H型钢混凝土梁剪力最大值从2918.4 kN减小到2808.7 kN，内置H型钢混凝土梁跨中正弯矩最大值从4928.3 kN·m减小到4068.1 kN·m，比原托换梁正弯矩减小约17%；桩梁接头负弯矩最大值从2968.2 kN·m增大到3577.7 kN·m，比原托换梁负弯矩增大约20%。

2.2.3 托换梁设计

选取同一托换梁标准5跨一榀框架，对托换梁进行配筋设计。混凝土强度C40，主筋HRB400，箍筋HRB335，H 型钢 Q235B，550 mm ×300 mm ×11／18 mm，fc、fy、fyv、fa分别为 19.1、360、300、215 N／mm2，截面尺寸为500 mm×1000 mm，梁跨度5.5 m。根据JGJ 138—2016《组合结构技术规程》中第5.2.1与5.2.5条进行配筋设计［12］得：跨中受拉区纵向普通钢筋截面面积As为5723.2 mm2，跨中受压区纵向普通钢筋截面面积A′s为1910.5 mm2，跨中受压区纵向普通钢筋截面面积Asv为283.3 mm2；端部受拉区纵向普通截面面积As为3953.9 mm2，端部受压区纵向普通钢筋截面面积A′s为1500.0 mm2，端部受压区纵向普通钢筋截面面积Asv为283.3 mm2。配筋结果见表2，梁截面图如图9所示。

表2 内置H型钢混凝土托换梁配筋结果表

图9 内置H型钢混凝土托换梁截面示意图／mm

托换梁梁端1.5 m内进行箍筋加密，梁高每200 mm设置12腰筋，并对H型钢上下处腰筋设置8拉筋。

由此可见，托换梁采用内置H型钢后，可明显提高抗剪能力，构件自重、截面高度与内力明显减少，有利于提高地下室净空。

2.3 内置H型钢混凝土托换梁进行基坑支护

地下增层开挖地下室前一般需进行基坑支护，将托换梁同时作为基坑支护的水平支撑构件进行使用，如图10所示。此举不仅减少了基坑支护费用，托换梁端部施加轴力还可进一步提高梁的抗剪能力［14-15］。

图10 托换梁兼作基坑支护的水平支撑示意图

2.3.1 设计思路与内力分析结果

托换梁截面与内置H型钢混凝土梁相同，对A至H轴托换梁两端分别施加轴向压力。根据该工程地质勘察报告，该处土质为杂质土含粉质黏土，其指标是土层深度为6 m、容重为19.2 kN／m3、黏聚力为22 kPa、内摩擦角为16°。托换梁沿A至H轴水平间距为4 m，竖向间距为5.2 m，按照静止土压力计算，梁顶标高±0.000 m处水平支撑所受最大轴向集中力为1038.34 kN。

由于集中力轴向作用在托换梁梁端，对托换梁剪力与弯矩无明显影响。

2.3.2 托换梁设计

同样选取同一托换梁标准5跨一榀框架，对托换梁进行配筋设计。设计参数与内置H型钢混凝土托换梁设计相同。

根据 JGJ 138—2016《组合结构技术规程》第5.2.1与5.2.5条以及 GB 50010—2015《混凝土结构设计规范》第6.3.12条进行配筋设计得：跨中受拉区纵向普通钢筋截面面积As为5723.2 mm2，跨中受压区纵向普通钢筋截面面积A′s为1910.5 mm2，跨中同一截面内箍筋各肢全部截面面积Asv为307.1 mm2；端部受拉区纵向普通钢筋截面面积As为3953.9 mm2，端部受压区纵向普通钢筋截面面积 A′s为1500.0 mm2，端部同一截面内箍筋各肢全部截面面积Asv为307.1mm2。配筋结果见表3，梁截面图如图11所示。