轉(zhuǎn)換梁主動托換加層梁柱節(jié)點設(shè)計研究

李有志，石軍樂，劉艾軒

（1.深圳市市政工程總公司，廣東 深圳 518033；2.深圳市天?。瘓F(tuán)）股份有限公司，廣東 深圳 518033）

1 研究背景

城市快速發(fā)展，導(dǎo)致用地規(guī)模和城市容量需求不斷擴(kuò)大，空間資源的緊缺已經(jīng)成為制約深圳市城市發(fā)展的重要因素。城市地下空間不僅是有效的防護(hù)空間，還是完善的步行網(wǎng)絡(luò)，可以安排基礎(chǔ)配套設(shè)施。有序、合理地開發(fā)利用城市地下空間有助于提升城市功能，提高土地價值，緩解城市快速發(fā)展所帶來的土地和交通壓力，是實現(xiàn)城市循環(huán)經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。像深圳這樣汽車擁有量超高的一線城市，核心老城區(qū)停車位奇缺的矛盾日益突出，給市民的汽車出行帶來了極大的困擾，而在既有建筑物下增加地下車庫為解決老城區(qū)停車難的問題提供了可行的解決方案，地下加層設(shè)計中，上部結(jié)構(gòu)的托換方式是關(guān)鍵的技術(shù)問題。

2 托換方式

2.1 原位托換

原位托換，是指不設(shè)置托換梁，在原柱位處向下增設(shè)新柱、新基礎(chǔ)完成轉(zhuǎn)換的一種托換方法。此方法使建筑物上部荷載直接向下傳至新增基礎(chǔ)，傳力途徑較為直接，設(shè)計較為簡單，但施工過程較為煩瑣，存在多次拆除舊混凝土柱、基礎(chǔ)的工序。新舊構(gòu)件連接的可靠性是托換的關(guān)鍵問題（見圖1）。

圖1 原位托換

2.2 樁（柱）梁式托換

根據(jù)增建的地下室平面布置和功能要求，方便施工等因素，布置轉(zhuǎn)換梁托換上部柱，完成樁基和轉(zhuǎn)換梁的施工，再截斷拆除轉(zhuǎn)換梁下的基礎(chǔ)、原建筑物柱子，實現(xiàn)兩種轉(zhuǎn)換，增加地下空間。梁柱節(jié)點的設(shè)計是本托換形式的關(guān)鍵（見圖2）。

圖2 樁柱梁式托換

3 梁式托換梁柱節(jié)點設(shè)計

托換梁與原結(jié)構(gòu)柱連接節(jié)點是受力轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位，梁柱連接方式及其可靠性至關(guān)重要，以下是幾種可行的原柱與托換梁的連接節(jié)點。

鑿除托換梁高度范圍內(nèi)原結(jié)構(gòu)柱的保護(hù)層，漏出原結(jié)構(gòu)的縱筋，將界面處水泥砂漿層清理干凈，只保留粗骨料；在柱左右兩側(cè)沿托換梁高度范圍均勻植入抗剪鋼筋，再進(jìn)行托換梁混凝土澆筑（見圖3）。

圖3 托換梁與原結(jié)構(gòu)柱連接

4 規(guī)范要求

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB 50367—2013）關(guān)于新舊混凝土界面的設(shè)計處理，只是針對影響界面抗剪的一些主要因素給出了定性的要求或構(gòu)造規(guī)定，并沒有給出界面抗剪強(qiáng)度的計算公式?？紤]到被托換柱與托換梁之間的節(jié)點連接為不同時期澆筑的新舊混凝土，其連接節(jié)點的抗剪承載力參考?xì)W洲規(guī)范PrEN-1992-1-1第6.2.5條規(guī)定進(jìn)行驗算（見表1）。公式如下：

式中：fctd為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；fcd為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；Ac為剪切平面面積；N為與剪力同時存在的垂直于剪切平面的軸向力，壓正拉負(fù)；As為抗剪鋼筋面積；fy為抗剪鋼筋屈服強(qiáng)度；α為抗剪鋼筋于剪切平面的夾角（取銳角）；fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；45°≤α≤90°（見圖4）。；ν為開裂混凝土抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)，ν=0.6（1-fck/250）。

表1 歐洲規(guī)范PrEN-1992-1-1 c值與μ值

圖4 抗剪鋼筋于剪切平面的夾角示意圖

按原結(jié)構(gòu)柱的混凝土強(qiáng)度等級為C35，可得知fctd=1.57N/mm2，fcd=16.7N/mm2，fck=23.4N/mm2； 新 增 抗 剪鋼筋牌號為HRB400，fy=360N/mm2。

5 計算分析

按照典型的被托換柱截面為500mm×700mm，被托換柱與托換梁共有4個互相接觸的剪切平面，與托換梁梁高為1200mm（建模計算時按1000mm，由于此處節(jié)點連接復(fù)雜，因此建議適當(dāng)增加梁高），Ac=（500+700）×1200×2=2880000mm2；另外抗剪鋼筋植入原結(jié)構(gòu)柱時，需考慮避開原有的結(jié)構(gòu)柱的縱向鋼筋，4個剪切平面按照200mm間隔設(shè)置6排且每排4Ф20抗剪鋼筋，As=3.14×102×24×4=30144mm2。另外，N=0、α=90°、ν=0.6×（1-23.4÷250）=0.54；此節(jié)點形式為新舊混凝土界面表面經(jīng)過粗糙化處理，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。比較取小值，故取Vu=9631kN。

另參考《建筑結(jié)構(gòu)》2016年8月上所刊登的《新老混凝土界面抗剪強(qiáng)度計算方法》中經(jīng)驗公式，對連接節(jié)點的抗剪承載力進(jìn)行驗算：

式中：Vc為由新老混凝土界面提供的黏結(jié)抗剪力；Vs為植入鋼筋提供的抗剪力；Ac為新老混凝土界面面積；τc為新老混凝土黏結(jié)抗剪能力；τs為植筋所提供抗剪能力；ρsv為界面植筋率，；fv為混凝土黏結(jié)的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值；fy為植入鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

經(jīng)復(fù)核兩種不同的計算方式所得出的抗剪承載力，均大于Nmax工況下被托換柱中最大的柱底內(nèi)力4208kN，根據(jù)計算結(jié)果推斷此節(jié)點形式可滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)論

（1）地下加層托換方法的確定要充分考慮上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)形式、加層的功能以及方便施工等因素，合理選擇托換方式。（2）新舊混凝土之間的黏結(jié)力是確保梁柱節(jié)點可靠連接的關(guān)鍵。上部結(jié)構(gòu)柱與轉(zhuǎn)換梁的連接基本上要靠新舊混凝土的咬合力來傳遞柱的豎向軸力，一旦施工過程中結(jié)構(gòu)柱與托換梁之間產(chǎn)生相對滑移即視為失效。建議在施工前進(jìn)行節(jié)點受荷試驗，確保梁柱節(jié)點連接的可靠度。（3）施加預(yù)應(yīng)力，主動控制上部結(jié)構(gòu)的沉降量，托換梁的彎矩值、撓度、裂縫均有不同程度的減少，故施加預(yù)應(yīng)力可在一定程度上提高托換梁的可靠度。