既有砌体承重结构抽砖柱设计方法探讨

余向前 王 矩 匡 波 张 虎

(1.重庆市设计院,重庆 400015; 2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司重庆分院,重庆 400015)

0 引 言

随着我国经济快速发展,城镇化建设日新月异,导致城市用地日益紧张。对既有建筑有效利用,成为日益关注的问题。尤其是20世纪70～90年代建设的大量砌体结构房屋,尚未达到使用年限,如简单推倒重建,造成不必要的浪费。改变建筑功能,使之适应新时期发展的需要,成为首选。此类建筑普遍高度为3～7层,一般位于城市现状几何中心,改造为集中商业、银行等情况较多,这些业态因功能需要,均需在底部承重墙上开洞或直接打通承重墙形成大开间。对砌体结构来说,首层是受力最大、最复杂的部位,开洞后如何将洞口上部墙体荷载和楼面荷载等安全传递给新的构件,成为改造设计的关键[1]。此类承重墙开洞研究方法和设计改造案例已较为常见,此处不再探讨。本文结合工程实例,针对上述砌体结构建筑物中,采用独立砖柱结构形式的房屋,或主要采用纵横墙承重、局部采用独立砖柱承重的房屋,改造设计中抽掉个别独立砖柱时,在设计分析、施工处理等阶段需注意的问题进行探讨。

1 工程概况

重庆某影剧院,建于20世纪70年代,为三层砖混结构,采用砌体墙结合局部独立砖柱承重,楼板主要为现浇梁+预制板,屋盖结构形式为钢结构。房屋平面大致呈矩形,底层层高为4.5 m,第二层和第三层层高为4.0 m。该工程原结构形式基本合理、结构布置与和结构体系完整;梁、板、墙等构件布置合理,传力路线清楚。现改造为商场。底层原门厅处外墙采用6个“T”形独立砖柱,间距为3.50 m,长度为1.75 m,宽度为0.70 m,柱间净间距为1.75 m。现场照片如图1所示。现改为商场后,入口需采用较大开间,故将底层第二、第四个砖柱抽掉,形成商场主入口,方便人流引入。底层原始结构平面布置及需拆除构件如图2所示。底层需增加的框架柱如图3所示。

本文主要探讨B轴上抽掉独立砖柱的改造设计方法及施工应注意的问题。

图1 影剧院底层原始砖柱结构(现场拍照)Fig.1 Original brick column structure of cinema (spot photo)

图2 商场底层需拆除构件示意图(单位:mm)Fig.2 Schematic diagram of component of bottom floor (Unit:mm)

图3 商场底层新增框架柱布置图(单位:mm)Fig.3 New frame post layout of bottom floor of mall (Unit:mm)

2 置换梁设计

本改造设计关键在于抽砖柱处置换梁的分析处理。

2.1 置换梁荷载分析

(1) 本层梁、板传来的荷载;

(2) 上层砖柱传来的荷载,这部分荷载包括上层相应范围内梁、板传递给该砖柱的荷载,以及钢结构屋面传递给该砖柱的荷载;

(3) 置换梁自重及上层砖柱自重。

2.2 置换梁受力分析与设计

本置换梁与承重砌体墙开洞上方梁一样,受力过程均区别于一般梁。一般梁是随着施工过程逐步加载的,而既有砌体抽柱或墙开洞后梁上加载属于清除支撑时瞬间加载,对梁刚度要求较高。一般要求加载后上部原有砌体没有变形或仅有很细微的变形,否则上部旧砌体容易引起开裂降低承载力[2]。相比墙上开洞设置的承受线性荷载的梁,这种抽砖柱后设置的梁跨中近似受集中力(或局部线荷载),瞬时加载时受力更为不利。故本项目将置换梁跨中挠度控制在1/400以内,严格控制上部砖柱的变形。

该置换梁不宜按新建时墙梁下托梁考虑。因新建托梁及上部墙体达到一定强度后,托梁及其以上计算高度范围内的墙体将共同工作形成墙梁组合构件,在裂缝出现前,该组合构件如同钢筋混凝土和砖砌体组成的深梁[3]。而本工程中置换梁为先有上部墙体,再采取一定施工措施后浇筑下部托梁(置换梁),梁上砖柱两侧洞口过大,无完整墙体,不符合墙梁受力性质。另外,因其跨度较大且梁上承担较大近似集中荷载,更不能按一般过梁考虑。置换梁两端搭接在后浇框架柱上,可考虑为两端固支的框架转换梁,其构造可参考《高层建筑混凝土结构技术规程》中转换梁要求。梁高度不宜小于计算跨度的1/8,结合挠度控制及立面要求,高度取为1.0 m。宽度不应小于其上所托柱在梁宽方向的截面宽度,因其上砖柱宽度为0.7 m,故梁宽度取为0.7 m,见图4。

已有研究表明,托柱转换梁在托柱部位承受较大的剪力和弯矩,受力较为复杂,转换梁为偏心受拉构件,纵向受力钢筋宜通长布置,托砖柱处箍筋应加密配置。因施工操作空间受限,钢筋骨架及混凝土施工质量保证有一定难度,置换梁设计计算及配筋时预留一定的安全裕度。

稳妥起见,采用美国HKS公司工程有限元软件Abaqus对置换梁及两端边柱建模进行分析。采用三维实体模型进行模拟,各单元类型均选用Abaqus内部8节点六面体线性缩减积分单元(C3D8R)。混凝土本构模型采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2015)中附录C所提供的本构模型,如图5(a)所示。钢筋的本构模型采用随动硬化模型,该模型考虑了材料线性强化的性质,如图5(b)所示。

图5 混凝土单轴和钢筋的应力-应变曲线Fig.5 Concrete uniaxial and steel bar stress-strain curve

梁荷载示意如图6所示,左右两侧为本层梁、板传来的近似线荷载,中部砖柱顶部为上层相应范围内梁、板传递给该砖柱的荷载及钢结构屋面传递给该砖柱的荷载。

图6 采用Abaqus分析时梁荷载示意图Fig.6 Beam boundary conditions in Abaqus

图7、图8为梁最大拉应力图和最大压应力图,由图可知,梁跨中底部受拉应力,最大应力值为1.14 MPa,小于C30混凝土抗拉强度设计值1.47 MPa;顶部受压应力,最大应力值为1.07 MPa,远小于C30混凝土抗拉强度设计值14.7 MPa,可见梁应力满足构件设计要求。另外,从图9模型位移图可知,总体位移均很小,砖砌体顶部位移最大值仅为0.53 mm。对于梁来说,跨中位移最大,也仅为0.31 mm,反算其挠度仅为1/13 710,几乎可以忽略不计,故上部砌体结构变形很小,能够确保不降低原有上部砌体整体承载力。

图7 采用Abaqus分析时梁最大拉应力图Fig.7 Maximum tensile stress of beam

图8 采用Abaqus分析时梁最大压应力图Fig.8 Maximum stress of beam

2.3 置换梁施工工序

施工时应先设计支承系统。本案例采用墙内抠洞设置钢支座临时支承的做法。

(1) 施工单位应对加固支承系统进行专项设计,在原1.75 m宽洞口做好有效支承。支承牢固后再制作钢支座,大样如图10所示。然后在原圈梁底相应位置砖墙上抠洞(图11)。因洞宽较小,且顶部为圈梁,对原结构影响较小,即使无圈梁,砌体结构自身的拱作用也不会使整体结构受到影响。每抠一个洞后放入钢支座,钢支座应顶住上部砖柱等原有砌体。抠洞宜对称进行,不可全开洞后再放入钢支座,且与钢支座接触的底部和顶部砌体表面尽量平整(可座浆找平),尽量保证其能受力均匀(图12)。

图9 采用Abaqus分析时模型位移图Fig.9 Model displacement diagram using Abaqus analysis

图10 钢支座大样(单位:mm)Fig.10 Detail of steel support (Unit:mm)

图11 原砌体结构上开小洞示意图(单位:mm)Fig.11 Schematic diagram of original masonry structure with small hole (Unit:mm)

图12 原砌体结构钢支座布置示意图(单位:mm)Fig.12 Schematic diagram of original masonry structure steel support (Unit:mm)

(2) 钢支座全部放置妥当并顶紧后,可逐步去除洞口之间的剩余砖砌体,梁两端宜多去除一段墙体,方便穿梁主筋(图13)。

图13 砌体开凿及支撑系统示意图(单位:mm)Fig.13 Schematic diagram of masonry excavation and support system (Unit:mm)

(3) 接下来可施工梁主筋,主筋从一端往另一端穿越,穿越时应注意梁主筋应放在钢支座的内侧,以便箍筋可从一侧往另一侧全长布置。

(4) 梁筋施工完毕后,即可关模浇筑混凝土。因上下均有砌体封闭,不用再支模,仅需在左右两侧支模即可。支模时应注意,为方便浇筑混凝土,一侧模板可直放,另一侧应斜放。浇筑时宜从一侧往另一侧推进,模板上应留出足够排气孔,使梁内空气排出,并加强振捣,确保混凝土密实度。混凝土强度采用C30,且掺入适量膨胀剂,保证后浇混凝土与圈梁、砖砌体等接触良好。

3 边柱设计

砌体承重墙上开洞较小时,保留的墙体一般能承担上部荷载,可不增加竖向构件。洞口尺寸较大或承重墙全部打通时,则需设置加固性质的框架边柱或贴壁柱。本案例的保留砖柱上需设置钢筋混凝土贴边边柱,承受由置换梁传来的相应荷载。同置换梁,边柱受力也是清除临近范围支撑时瞬间加载,而此时与之相连的原保留砖柱变形已经完成,故新增边柱需刚度足够大、变形足够小,才能与已有砖柱受力和变形尽量协调一致,边柱不宜按砌体洞口边一般构造柱设计,这样偏于不安全。其受力更接近于框架柱,类似于托柱框支结构,宜按框支转换柱进行设计。本案例中边柱参照《高层建筑混凝土结构技术规程》中转换柱要求,长边尺寸同墙厚,取0.70 m,截面高度不小于转换梁跨度的1/12,偏大取0.50 m,纵筋配置时结合计算值,按面积配筋率不小于1.0%进行配筋。箍筋采用直径10 mm的三级钢,且全高加密。图14为边柱配筋大样详图。

图14 边柱配筋详图(单位:mm)Fig.14 Detail drawing of side column reinforcement (Unit:mm)

为确保共同受力,与边柱紧邻的保留砖柱上,沿全高每隔0.5 m设置一道3根直径10 mm的拉结筋(一端植入砖柱25d,一端锚入边柱),且应凿出马牙槎(图13),与边柱一起浇筑,保证与原砖柱可靠连接。从前述采用有限元软件Abaqus对梁及柱建模分析的结果来看,边柱主要受压,仅柱顶梁柱节点处局部存在拉应力,压、拉应力均非常小,均不及0.15 MPa。且柱位移极小,其顶部因梁端带动产生的最大位移处其位移也仅为0.13 mm左右,说明其变形很小,刚度足够大,足够确保与原有砖柱共同受力。

4 边柱基础设计

因新增边柱截面尺寸较大,承受置换梁传来的荷载也不小,其基础应进行专门设计。根据原有资料并经开挖核实,原砖柱采用大放脚混凝土刚性基础,持力层为中风化砂岩,承载力较高。同理,应采用变形小的基础形式,保证竖向承重结构的共同受力。考虑既有基础为混凝土刚性基础,且持力层为稳定的中风化基岩,故边柱采用钢筋混凝土独立基础,变形小,也方便施工。为保证基础共同受力,将原砖柱下基础凿毛,植入直径12 mm的三级钢短钢筋,采用C30混凝土,掺入适当膨胀剂进行浇筑(图15)。基础设计满足承载力要求即可,不宜预留过多裕度,以减少对原结构基础的影响。

图15 基础处理示意图(单位:mm)Fig.15 Schematic diagram of foundation treatment (Unit:mm)

5 施工方法及要点

此类既有砌体抽砖柱工程,工作面不能大面积展开,既要去除必须拆除的部分,又要保留大部分原有砌体结构,凿打、支模、布筋、浇筑、拆除等施工工序均需精心组织,尤其是搭设支撑及拆除砖柱和支撑时[4]。需注意以下几点:

(1) 转换构件以上的各层,应尽量卸荷。临时支撑应经过计算,稳定可靠。支撑系统水平向离开拟托换砖柱一定距离,方便托换构件施工。

(2) 应待置换梁、框架边柱等新浇筑混凝土强度达到100%后(至少28d),方可考虑拆除砖柱。

(3) 分步拆除砖柱,使置换梁逐步受力,这样可尽量减小瞬间加载的影响。应采取先中间、后两边对称拆除的方式,不宜一边向另一边拆除。具体做法是:先拆除2号、4号“T”形砖柱中间部分,其次对称拆除其左右两边,最后拆除砖柱两侧布置的支撑(图16,带圈序号为拆除顺序)。每拆除一次应间隔24 h以上,由专人观察上部结构有无变化,如有异常及时采取相关措施。

(4) 采用机械拆除砌体砖柱,减小震动,降低对原结构的影响。可先在砖柱上切割出竖槽,再从上往下按顺序拆除。

图16 拆除砌体及支撑顺序示意图(单位:mm)Fig.16 Schematic diagram for removal of masonry and supporting sequence (Unit:mm)

(5) 边柱基础施工时,应采取人工开挖或小型机械等措施,尽量减少对原地基的扰动。

竣工完成示意图见图17。

图17 竣工完成示意图(单位:mm)Fig.17 Completion of schematic diagram (Unit:mm)

6 结 论

通过工程实例,阐述了既有砌体承重结构抽砖柱改造设计方法及施工要点,提出此类项目应充分掌握原结构情况,精心设计、精心施工。在把控整体结构安全的情况下,应注重置换构件设计,确保新增构件有足够强度及刚度。置换梁宜按转换梁设计、洞口边柱宜按转换柱设计。同时应加强新老构件间的有效连接,重视基础处理。设计时尽量考虑施工可行性,做到安全可靠、简单易行。严密组织施工工序,注意提前卸荷,拆除砖柱及支撑时宜先中间、后两边对称进行,尽量减小瞬间加载的影响。本案例施工过程顺利,效果良好,没有发现有结构变形或不利的情况,作为有益的经验,可供类似项目设计及施工参考。