既有建筑地下增层托换梁受剪试验研究*

2021-08-06贾强，潘宇，张鑫

建筑结构 2021年13期

贾强，潘宇，张鑫

(1 山东建筑大学土木工程学院，济南 250100；2 山东省建筑结构鉴定加固与改造重点实验室，济南 250100)

0 概述

目前，合理、有序地开发既有建筑地下空间，成为改进城市使用功能，提高土地资源利用率的途径之一。在既有建筑下方开挖地下室，需用桩基础支撑上部结构，才能开挖下面的土方[1]。桩基础与既有建筑墙、柱等竖向构件的连接则需要通过托换承台(图1)或托换梁(图2)等转换结构[2]来实现。在已开展的地下增层的工程实践中，扬州工商银行、济南商埠区某历史建筑的地下增层采用托换承台的连接方式[3-4]；而北京音乐堂和淮安某商住楼的地下增层则采用了托换梁的连接方式[5-6]。采用托换梁的方案，由于桩基础设置在上部竖向构件中间位置，占地面积小而且有利于施工。但该方案中上部竖向构件传递的较大集中荷载需要由托换梁跨中承担，因此该托换梁的受力有以下特点：1)该托换梁受剪需要较大的梁高度，属于深受弯构件；2)由于施工该托换梁时，上部竖向构件已存在，只能采用双梁包裹竖向构件的连接方式；3)为减小托换梁高度获得更大净空，采用梁内配置型钢的方案。由于该托换梁受力复杂，开展该托换梁的受剪试验研究是十分必要的。

图1 原竖向构件两侧设置托换桩

图2 原竖向构件中间设置托换桩

关于深受弯构件的受剪承载力研究，学者们发现深受弯构件开裂后将引起内力重新分布，从而使深受弯构件的破坏特征和承载力均异于普通梁，此外深受弯构件有明显的拉杆-拱或桁架受力行为[7]。对于内置型钢的钢筋混凝土梁受剪承载力模型，有将型钢腹板划分为间断的看作箍筋作用的“钢筋混凝土计算方法”[8]，也有型钢和混凝土分别承担部分剪力的“剪力分配法”[9]，以及分别计算型钢部分与混凝土部分所贡献的剪力，进行简单叠加的“叠加法”[10]。由于“叠加法”计算方法简单且受力机理明确，被我国现行《钢骨混凝土结构技术规程》(YB 9082—2006)[11]和《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)[12]采用。本文拟对地下增层中的内置型钢并具有深受弯构件特性的双梁托换构件进行受剪试验研究，提出其受剪计算方法。

1 试验的准备

1.1 托换梁的设计

为深入研究地下增层托换梁受剪承载力的机理，设计了6个1∶2的大比例托换梁，进行对比试验。其中，4个梁为内置H型钢混凝土托换梁，其余2个梁为无内置H型钢的普通钢筋混凝土托换梁。梁净跨度均为2 750mm，梁高均为500mm，剪跨比λ均为2.75。混凝土设计强度等级均为C25，H型钢均采用Q235。单梁截面宽度均为500mm，双梁每个梁宽度均为250mm。单梁的梁顶纵筋为1025，梁底纵筋为1825；双梁两个梁截面内纵筋数量和规格与单梁相同。构件的截面、箍筋和内置型钢情况见表1。为防止梁出现受弯破坏或节点破坏，构件设计时加大了梁的纵筋和柱的配筋，其中4#梁平面图和立面图见图3、图4。

图3 4#托换梁平面图

试件配筋情况表1

图4 4#托换梁立面图

1.2 材料性能试验

截取3根托换梁箍筋进行拉伸试验，得到的屈服强度和极限抗拉强度见表2。试件内置H型钢强度为Q235级，取预留型钢腹板部位切割为3个20mm×400mm的钢条进行拉伸试验，其屈服强度、极限强度见表3。对浇筑托换梁混凝土，留取3组试块，经抗压试验得到其立方体抗压强度指标见表4。

1.3 构件制作过程和测量方案

构件支模和钢筋的绑扎现场见图5。浇筑混凝土后，为了记录裂缝的开展情况，在梁的侧面用墨线弹出100mm×100mm的正方形网格。将位移计分别布置在梁跨中和支座两端，记录每级荷载加载稳定后位移数值变化。在梁的跨中与受剪区段位置布置混凝土应变片；在梁受剪区段的箍筋和型钢上粘贴应变片，测试其应力变化。

图5 梁的支模和绑扎钢筋

钢筋力学性能测试结果表2

型钢力学性能测试结果表3

混凝土抗压强度测试结果表4

1.4 加载方案

本试验采用跨中单点加载的方式，边界约束条件为简支。选用2 000kN液压千斤顶与2 000kN压力传感器进行加载控制。加载时每级加载量为预估极限荷载的1/10，逐级加载直到获得梁的极限承载力，每级加载完成后稳定3min，开始记录裂缝发展情况并记录数据。试验加载在山东建筑大学结构实验室进行，现场见图6。

图6 加载设备

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

梁受压达到开裂荷载时，在梁侧面出现从支座位置向梁柱节点位置延伸的斜裂缝。随着荷载的增加，裂缝不断增多，宽度也不断增大。在接近极限荷载时，内置H型钢的梁在上下翼缘处出现水平裂缝。达到极限荷载时，梁侧面出现斜向贯穿主裂缝，同时伴随混凝土的脆断声。

6个梁均表现出剪压破坏特征，但普通钢筋混凝土托换梁破坏较为突然，从出现裂缝到贯穿，破坏经历时间较短，每侧裂缝数量较少，仅梁一端裂缝导致梁最终破坏(图7)；而内置H型钢钢筋混凝土托换梁破坏近似“拱”形，每侧裂缝数量较多，有多条斜向裂缝导致梁最终破坏(图8)。

图7 未置H型钢梁破坏状态

图8 内置H型钢梁破坏状态

2.2 梁开裂荷载和极限荷载

梁开裂荷载和极限荷载表5

实测梁的开裂荷载和极限荷载见表5。从表5可以看出：1)相同截面形式与配筋数量时，内置H型钢的3#梁比未置H型钢的1#梁受剪极限荷载提高约36.3%；另外，内置H型钢的5#，3#，4#，6#托换梁，随着H型钢腹板配筋量的增加，受剪承载力逐步提高。说明H型钢在提高托换梁的抗剪承载力方面起了重要作用。2)配筋数量与截面大小相同时，单梁(1#梁)与双梁(2#梁)极限荷载差值百分比仅2.1%；内置H型钢单梁(3#梁)与双梁(5#梁)极限荷载差值百分比仅3.0%；因此，双截面托换梁虽然存在柱对梁偏心产生的扭矩，但总体影响不大。3)内置H型钢箍筋间距为150mm的6#梁比箍筋间距为200mm的4#梁，受剪承载力提高7.4%；因此，增加箍筋量可显著提高其受剪性能。

2.3 应变测试结果

2.3.1 箍筋应变

在梁的箍筋上粘贴应变片，由于单梁为4肢箍筋，仅在最外两肢箍筋上粘贴应变片，应变片编号一侧为单号(G1～G11)，另一侧为双号(G2～G12)；对于两肢箍筋的双梁，外肢箍筋应变片编号为单号(G1～G11)，内肢箍筋应变片编号为双号(G2～G12)。单梁和双梁箍筋上应变片相应位置和编号见图9。

图9 梁箍筋上应变片位置和编号

试验得到1#梁(单梁)的外侧两肢箍筋的荷载-应变曲线见图10。从箍筋的应变测试结果可以看出，在加载初期，不同位置的箍筋应变随荷载同时增大；但加载后期，与支座、梁柱节点连线相交箍筋的应变明显增大，最终达到屈服点强度；其他位置的箍筋应变增长缓慢，未达到屈服。对单梁，同一截面内外侧两肢箍筋承担剪力基本相同。

图10 1#梁外肢箍筋荷载-应变曲线

试验得到2#梁(双梁)的内肢和外肢箍筋的荷载-应变曲线见图11。对双梁，同一截面的内肢箍筋比外肢箍筋承担更多剪力，这是由于柱加载位置对梁产生的偏心使梁产生附加的受扭作用。

图11 2#梁内肢、外肢箍筋荷载-应变曲线

其他梁荷载-应变曲线有相同的规律，不再赘述。

2.3.2 型钢应变

型钢腹板上粘贴应变片的位置和编号如图12所示。

图12 型钢腹板上应变片位置和编号

试验得到3#梁(单梁)和4#梁(双梁)梁的型钢的荷载-应变曲线见图13。由梁的型钢应变测试结果可知，支座与梁柱节点连线处的型钢腹板对梁受剪贡献最大，梁达到极限荷载时，型钢应力达到210MPa，达到了型钢的抗剪强度；其他位置型钢腹板未达到抗剪强度。

图13 3#和4#梁的型钢荷载-应变曲线

其他梁的型钢荷载-应变曲线有相同的规律，不再赘述。

3 托换梁受剪承载力计算公式

在托换梁受剪承载力公式建立中考虑以下因素：1)根据构件的裂缝发展情况与最终破坏形态，混凝土和箍筋受剪承载力采用桁架-拱模型；2)型钢与钢筋混凝土部分的斜截面受剪承载力互不影响，独立计算后进行叠加；3)型钢部分的斜截面受剪承载力，仅考虑型钢腹板对抗剪的贡献；4)双梁托换时，柱传递的竖向荷载在梁截面上产生一定扭矩，但试验结果表明该扭矩对极限承载力影响不大，因此不考虑扭矩对承载力的影响。基于以上因素，参考《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[13]中深受弯构件抗剪承载力计算公式和《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)[12]中相关规定，提出托换梁受剪承载力计算式如下：

(1)

式中：ft为混凝土轴心抗拉强度设计值；b为梁截面宽度；h0为梁截面有效高度；h为梁截面高度；l0为梁的计算跨度；λ为计算截面的剪跨比，当l0/h不大于2.0时取λ=0.25，当l0/h大于2且小于5时取λ=a/h0(a为集中荷载作用点至节点边缘的距离)；Asv为同一截面箍筋各肢面积之和；Ash为水平分布钢筋截面面积之和；fyv为箍筋的抗拉强度设计值；fyh为水平钢筋的抗拉强度设计值；fa为型钢抗拉强度设计值；sv为沿构件长度方向上箍筋的间距；sh为水平分布钢筋的间距；tw为型钢腹板厚度；hw为型钢腹板高度。

将式(1)计算得到的6个梁的受剪承载力与试验结果进行比较，见表6。从表6可以看出，未加型钢的普通钢筋混凝土梁的受剪承载力计算结果和试验结果吻合较好；对于内置型钢的梁，受剪承载力计算结果和试验结果平均相差百分比为18.4%。从数值上看，计算结果均小于试验结果，偏安全。