某多层车库框架柱整体置换设计及工程应用

1 工程概况

某多层车库地上3层,局部地下1层,建筑高度为18.30 m。结构体系为框架结构,基础为钻孔灌注桩。施工进度为主体结构已结顶。本工程原设计混凝土强度分别为：基础承台、梁、板C30；柱C40；构造柱及圈梁C25。结构中间验收时,发现底层个别柱混凝土强度未达到设计要求,经检测机构检测,该部分柱实测混凝土强度为C30,未达到设计C40的要求,已影响到结构安全。因此,甲方委托本设计院对该工程进行加固设计,使构件的强度、耐久性等指标满足原设计要求。

2 加固设计

2.1 加固方案

框架柱混凝土抗压强度不足的加固方法可采用增大截面法、置换混凝土加固法、外包型钢法等。由于改变柱截面尺寸的加固方法对停车位净尺寸有影响,故本工程采用了柱混凝土整体置换的加固设计方案。

2.2 加固设计方法

本工程混凝土置换采用混凝土抱柱梁作为临时性的顶升节点对框架柱进行顶升,目前对于抱柱梁抗剪计算的规范方法主要有以下几种。

1)《建(构)筑物托换技术规程(CECS 295∶2011)》[1]中给出的新旧混凝土结合面竖向承载力计算公式：

临时性托换节点设计时,对基于桩、柱上传递竖向荷载的抱柱梁结构,当不植筋时,其新旧混凝土结合面竖向承载力可按下式估算,同时应满足构造要求。

γP≤0.16fcAc

(1)

式中，γ为综合系数,取值1.0～1.3；

P为新旧混凝土结合面竖向承载力，kN；

fc为梁、柱混凝土抗压强度设计值,可取较低值，kPa；

Ac为新旧混凝土交界面的有效面积，m2。

在永久性托换节点设计时,对基于桩、柱传递竖向荷载的抱柱梁结构,当有植筋时,其新旧混凝土结合面竖向承载力计算需同时满足如下公式：

γP≤0.16fcAc+0.56fsAs

(2)

fsAs≤0.07fcAc

(3)

式中，fs为结合面配置的植筋抗拉强度设计值；

As为结合面上同一截面植筋总截面面积。

2)《建(构)筑物移位工程技术规程(JGJ/T239—2011)》[2]中给出了托换梁与柱结合面的高度hj的计算公式：

(4)

式中，Cj为托换柱截面的周长,mm；

ft为混凝土轴心抗拉强度设计值,取结合面处新旧混凝土轴心抗拉强度设计值的较小值,N/mm2；

N为托换柱轴力设计值,N；

hj为托换梁与柱结合面的高度,mm。

3)美国桥规AASHTO LRFD(2007)[3]公式：

Vni=CAcv+μ(Avffy+Pc)

(5)

Vni≤K1fcAcv +μ(Avffy+Pc)

(6)

Vni≤K2Acv

(7)

Acv=hL

(8)

式中，Vni为抗剪承载力，kN；

C为混凝土表面凿毛6 mm后混凝土交界面粘结力系数,取1.7 MPa；

μ为新旧混凝土交界面摩擦系数,取1.0；

Acv为新旧混凝土交界面的有效面积，m2；

Avf为新旧混凝土交界面范围内的抗剪钢筋面积，mm2；

fy为钢筋屈服强度，MPa；

Pc为垂直于剪切面的永久压力；

fc为交界面处强度较低混凝土的抗压强度；

K1为混凝土强度调整系数,取0.25；

K2为交界面抗剪最大剪力系数,取10.3 MPa；

h为新旧混凝土交界面高度，mm；

L为新旧混凝土交界面周长，mm。

针对上述不同的计算公式,取柱轴力设计值5 541 kN,分别采用文献[1—3]进行抱柱梁截面设计,计算结果见表1。

表1 不同规范计算结果比较

编号文献出处梁高度/mm备注1建(构)筑物托换技术规程[1](CECS295∶2011)908有植筋2建(构)筑物移位工程技术规程[2](JGJ/T239—2011)1614无植筋3AASHTOLRFD[3]387有植筋

本工程加固设计采用有植筋抱柱梁,通过表1的比较可以发现,当有植筋时,文献[1]中竖向承载力的计算公式相对于文献[3]的计算公式是偏于保守的,而文献[2]中的计算公式只针对没有抗剪钢筋的抱柱梁截面设计。

本工程设计时查阅了国内外关于抱柱梁计算的相关文献[4-11],其中文献[8]结合试验数据,将新旧混凝土结合面抗剪承载力计算公式与试验实测结果进行了比对。从比对结果看,美国桥规AASHTO LRFD 公式与试验实测结果较为接近,且离散性较小。故本工程在加固设计时考虑采用有植筋抱柱梁,计算采用了美国桥规AASHTO LRFD 公式进行抱柱梁计算,同时参照文献[12]的工程经验及考虑足够的可靠度,对美国桥规AASHTO LRFD 公式引入安全系数,安全系数取值2.0。

引入安全系数后,新旧混凝土界面抗剪承载力计算公式为：

γ0Vni=CAcv+μ(Avffy+Pc)

(9)

γ0Vni≤K1fcAcv

(10)

γ0Vni≤K2Acv

(11)

Acv=hL

(12)

式中，γ0为安全系数,取值为2.0。

2.3 加固设计计算

本工程设计过程中采用了如下假定：

1)考虑施工过程中发生地震是小概率事件,故在结构整体计算时不计算地震作用；

2)由于维护结构及门窗等未安装,整体计算对风荷载进行折减；

3)由于工程投入使用,上部仅考虑二层楼面活荷载按实际情况计入,其余各层楼面活荷载折减或不计入。

本文采用PKPM整体计算后得出的构件内力设计值进行具体的设计计算。

2.3.1 抱柱梁计算

2.3.1.1 抱柱梁截面设计

根据SATWE计算结果,取框架柱轴力设计值Nmax=5 541 kN,其柱截面尺寸为1 000 mm×1 000 mm,抱柱梁混凝土等级取C40,按四面抱柱设计。

新旧混凝土交界面的有效面积按公式(10)计算：

新旧混凝土交界面周长:

L=4×1 000=4 000 mm

按公式(12)计算抱柱梁高度:

取抱柱梁高度800 mm。

根据《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》中第6.3.1条,梁截面高宽比不宜大于4及现场施工的需要,取抱柱梁宽度b=400 mm。抱柱梁尺寸见图1。

图1 抱柱梁平面、立面图

2.3.1.2 抱柱梁与置换柱交界面处抗剪钢筋计算

根据公式(9)计算抗剪钢筋面积：

2×5 541×1 000=1.7×800×4 000+1×Avf×400

Avf=14 105 mm2

抗剪钢筋采用对穿钢筋,每个面1225。

2.3.1.3 抱柱梁配筋计算

1)受弯配筋

取平行于原柱边的抱柱梁,假定为简支梁计算,抱柱梁荷载取值P=Nmax/4=1 385 kN,则抱柱梁弯矩设计值：

式中，l为抱柱梁计算跨度。

查文献[13]中表2-51,得到梁内纵向钢筋截面面积As为1 368 mm2,实配525。

配筋率ρ=2 454/(400×800)=0.77%,配筋满足最小配筋率要求。

2)抱柱梁抗剪计算

抱柱梁梁端剪力设计值V=P/2=692.5 kN,抱柱梁箍筋配10@100(4),根据《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》(2015版)第6.3.1条,进行受剪截面验算：

h0/b=765/400=1.9<>

0.25βcfcbh0=0.25×1.0×19.1×400×765

=1 461 kN>V=692.5 kN,满足要求。

式中,h0为抱柱梁计算高度,b为抱柱梁宽度,βc为混凝土强度影响系数,fc为轴心抗压强度设计值。

根据《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》(2015版)第6.3.4条进行抱柱梁抗剪承载力计算:

V<0.7×1.71×400×765+765×360×314 00="1" 231="">

箍筋配箍率：

ρsv=314/(400×100)=0.785%>0.24×1.71/360

满足最小配箍率要求。

3)抱柱梁配筋详图

根据以上计算,抱柱梁配筋见图2、图3。

图2 抱柱梁配筋平面图

图3 抱柱梁配筋剖面图

2.3.2 支撑钢管计算

一层竖向构件轴力及二层抱柱梁自重总共为5 541+21=5 562 kN。拟设置7根钢管支撑,取最大轴力钢管计算,单根最大轴力为N=1 385×1.6/(2×1)=1 108 kN。设计采用Φ194×14热压无缝钢管,构件毛截面面积A=7 917 mm2,回转半径i=63.83 mm,长度取L=6.05 m,钢材材质为Q345。

则长细比λ=L/i=6 050/63.83=94.78<>

根据《钢结构设计规范(GB 50017—2003)》第5.1.2条及附录C得即整体稳定符合要求。

式中，N为轴心压力；

φ为轴心受压构件的稳定系数；

A为构件的毛截面面积。

根据轻钢结构设计手册[14]计算得：

即局部稳定符合要求。

式中，D为钢管直径；

t为钢管壁厚。

另为减小钢管的长细比,可在钢管中部按构造增设L75×5的连接角钢。

至此,该框架柱顶升支撑系统设计计算已完成。抱柱梁顶升支撑系统见图4。

图4 抱柱梁托换系统立面图

3 施工监测

抱柱梁混凝土浇筑完成并达到强度进行顶升时,采用顶升力逐步加载,加载后维持荷载1.5 h,通过施工现场监测,得到顶升力与柱位移变化的曲线见图5。

图5 柱顶升力与位移变化关系曲线

从图5可以看出在置换柱混凝土凿除前顶升力与柱竖向位移之间呈线性关系,说明在柱顶升时抱柱梁与框架柱之间的荷载传递有着良好的同步协同作用。

本工程在柱混凝土凿除后对位移变化进行了连续地监测,得到柱位移变化曲线,见图6。

图6 柱混凝土凿除后位移变化曲线

从图6可以看出在置换柱混凝土凿除后,柱位移有所减小。主要原因在于柱混凝土凿除前顶升力不够,一部分荷载还是由柱混凝土承担,导致在凿除置换柱混凝土后上部荷载转移到支撑钢管,使钢管产生压缩变形。而且在柱混凝土凿除后也能看到柱纵筋有略微外鼓,故施工时又进行了二次顶升。

通过对柱混凝土置换施工前后的位移观测,发现柱端位移有0.13 mm的变化,可认为本加固工程的设计施工是可靠且成功的。

4 结 语

本文通过对比国内外关于抱柱梁抗剪的不同计算方法,提出引入安全系数对美国桥规计算公式进行修正后应用于工程加固设计。该设计方法经实际工程验证方法可靠,对今后类似工程的设计具有一定的参考作用。

参 考 文 献

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