转换梁主动托换加层梁柱节点设计研究

李有志，石军乐，刘艾轩

（1.深圳市市政工程总公司，广东 深圳 518033；2.深圳市天健（集团）股份有限公司，广东 深圳 518033）

1 研究背景

城市快速发展，导致用地规模和城市容量需求不断扩大，空间资源的紧缺已经成为制约深圳市城市发展的重要因素。城市地下空间不仅是有效的防护空间，还是完善的步行网络，可以安排基础配套设施。有序、合理地开发利用城市地下空间有助于提升城市功能，提高土地价值，缓解城市快速发展所带来的土地和交通压力，是实现城市循环经济、促进城市可持续发展的重要举措。像深圳这样汽车拥有量超高的一线城市，核心老城区停车位奇缺的矛盾日益突出，给市民的汽车出行带来了极大的困扰，而在既有建筑物下增加地下车库为解决老城区停车难的问题提供了可行的解决方案，地下加层设计中，上部结构的托换方式是关键的技术问题。

2 托换方式

2.1 原位托换

原位托换，是指不设置托换梁，在原柱位处向下增设新柱、新基础完成转换的一种托换方法。此方法使建筑物上部荷载直接向下传至新增基础，传力途径较为直接，设计较为简单，但施工过程较为烦琐，存在多次拆除旧混凝土柱、基础的工序。新旧构件连接的可靠性是托换的关键问题（见图1）。

图1 原位托换

2.2 桩（柱）梁式托换

根据增建的地下室平面布置和功能要求，方便施工等因素，布置转换梁托换上部柱，完成桩基和转换梁的施工，再截断拆除转换梁下的基础、原建筑物柱子，实现两种转换，增加地下空间。梁柱节点的设计是本托换形式的关键（见图2）。

图2 桩柱梁式托换

3 梁式托换梁柱节点设计

托换梁与原结构柱连接节点是受力转换的关键部位，梁柱连接方式及其可靠性至关重要，以下是几种可行的原柱与托换梁的连接节点。

凿除托换梁高度范围内原结构柱的保护层，漏出原结构的纵筋，将界面处水泥砂浆层清理干净，只保留粗骨料；在柱左右两侧沿托换梁高度范围均匀植入抗剪钢筋，再进行托换梁混凝土浇筑（见图3）。

图3 托换梁与原结构柱连接

4 规范要求

《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367—2013）关于新旧混凝土界面的设计处理，只是针对影响界面抗剪的一些主要因素给出了定性的要求或构造规定，并没有给出界面抗剪强度的计算公式。考虑到被托换柱与托换梁之间的节点连接为不同时期浇筑的新旧混凝土，其连接节点的抗剪承载力参考欧洲规范PrEN-1992-1-1第6.2.5条规定进行验算（见表1）。公式如下：

式中：fctd为混凝土抗拉强度设计值；fcd为混凝土抗压强度设计值；Ac为剪切平面面积；N为与剪力同时存在的垂直于剪切平面的轴向力，压正拉负；As为抗剪钢筋面积；fy为抗剪钢筋屈服强度；α为抗剪钢筋于剪切平面的夹角（取锐角）；fck为混凝土轴心抗压强度标准值；45°≤α≤90°（见图4）。；ν为开裂混凝土抗剪强度折减系数，ν=0.6（1-fck/250）。

表1 欧洲规范PrEN-1992-1-1 c值与μ值

图4 抗剪钢筋于剪切平面的夹角示意图

按原结构柱的混凝土强度等级为C35，可得知fctd=1.57N/mm2，fcd=16.7N/mm2，fck=23.4N/mm2； 新 增 抗 剪钢筋牌号为HRB400，fy=360N/mm2。

5 计算分析

按照典型的被托换柱截面为500mm×700mm，被托换柱与托换梁共有4个互相接触的剪切平面，与托换梁梁高为1200mm（建模计算时按1000mm，由于此处节点连接复杂，因此建议适当增加梁高），Ac=（500+700）×1200×2=2880000mm2；另外抗剪钢筋植入原结构柱时，需考虑避开原有的结构柱的纵向钢筋，4个剪切平面按照200mm间隔设置6排且每排4Ф20抗剪钢筋，As=3.14×102×24×4=30144mm2。另外，N=0、α=90°、ν=0.6×（1-23.4÷250）=0.54；此节点形式为新旧混凝土界面表面经过粗糙化处理，查表可知，c=0.45，μ=0.7。Vu≤cfctdAc+μN+Asfy（μsinα+cosα）；Vu≤0.45×1.57×2880000+0+30144×360×（0.7×sin90 ° +cos90 °）=2034720+7596288=9631008N=9631kN；Vu≤0.5νfcdAc≤0.5×0.54×16.7×2880000=12985920N=12985kN。比较取小值，故取Vu=9631kN。

另参考《建筑结构》2016年8月上所刊登的《新老混凝土界面抗剪强度计算方法》中经验公式，对连接节点的抗剪承载力进行验算：

式中：Vc为由新老混凝土界面提供的黏结抗剪力；Vs为植入钢筋提供的抗剪力；Ac为新老混凝土界面面积；τc为新老混凝土黏结抗剪能力；τs为植筋所提供抗剪能力；ρsv为界面植筋率，；fv为混凝土黏结的抗剪强度设计值；fy为植入钢筋的抗拉强度设计值。

经复核两种不同的计算方式所得出的抗剪承载力，均大于Nmax工况下被托换柱中最大的柱底内力4208kN，根据计算结果推断此节点形式可满足设计要求。

6 结论

（1）地下加层托换方法的确定要充分考虑上部结构的结构形式、基础形式、加层的功能以及方便施工等因素，合理选择托换方式。（2）新旧混凝土之间的黏结力是确保梁柱节点可靠连接的关键。上部结构柱与转换梁的连接基本上要靠新旧混凝土的咬合力来传递柱的竖向轴力，一旦施工过程中结构柱与托换梁之间产生相对滑移即视为失效。建议在施工前进行节点受荷试验，确保梁柱节点连接的可靠度。（3）施加预应力，主动控制上部结构的沉降量，托换梁的弯矩值、挠度、裂缝均有不同程度的减少，故施加预应力可在一定程度上提高托换梁的可靠度。