在对既有建筑进行改造时,为了满足使用功能的要求,砌体结构房屋通常需要拆除底层承重墙体,而保留上部墙体。因此,对砌体房屋结构房屋改造的关键技术就是拆墙托换。对于托换结构,国内外学者进行了研究探索 ^[1,2,3,4,5],提出了一些方法。实际工程中最常见的托换方法有两种:第一种方法是墙下直接设置钢筋混凝土托换梁(单梁托换),如图1所示; 第二种方法是墙体两侧设置钢筋混凝土托换梁(双梁托换),如图2所示。第一种方法施工时首先要对上部结构进行可靠支承,拆除墙体,然后浇筑钢筋混凝土托换梁,施工比较困难,风险大。第二种方法可先浇筑混凝土托换梁再拆除墙体,施工方便简单。但由于设置了两根托换梁,梁的截面尺寸较大,既不美观也会影响使用空间,同时混凝土浇筑比较困难。

　　 本文提出了一种新型的托换结构,即钢-砌体组合墙梁,如图3所示。首先利用外包角钢对拟拆除砌体墙体上端进行加固,使其形成钢-砌体组合梁作为托换梁,同时对上层墙体(老旧砌体结构房屋墙体砂浆强度比较低)采用钢筋网聚合物砂浆面层进行加固。钢-砌体组合梁与上部加固过后的墙体形成组合墙梁,共同形成托换结构。本文对这种新型的托换结构进行了试验研究。

　　 本试验共制备了4个钢-砌体组合墙梁托换结构试件(1号、2号、3号、4号试件),试件的跨度为3 000mm,高度为2 040mm,墙体厚度为240mm。为了保证角钢端部锚固可靠,在拟拆除墙体两端设置钢筋混凝土构造柱,并且延伸至上一层,以便上层墙体的加固钢筋网水平钢筋锚固在两端构造柱内,构造柱截面尺寸为200×640,构造柱配有纵筋,箍筋为ϕ8@150。试件详细尺寸见图4。

　　 钢-砌体组合托梁上部墙体采用钢筋网聚合物砂浆抹面方法进行加固处理,钢筋网水平钢筋ϕ6@240,竖向钢筋ϕ6@250,设置ϕ4梅花状布置拉结筋。水平钢筋伸入构造柱中,竖向钢筋则穿过楼板与加固角钢焊接(做法见图3)。

　　 根据工程实际情况,试件制作时考虑了原墙体设有圈梁和无圈梁两种情况,每种情况各制作两个构件,分别采用不同角钢规格。其中1号和2号试件无圈梁,角钢规格分别为L50×50×5和L63×63×5; 3号和4号试件有圈梁,角钢规格分别为L50×50×5和L63×63×5。为模拟实际情况,在组合托梁上部设有预制楼板,板厚80mm。

　　 1号、2号试件组合托梁的做法为:将上下两层角钢的一个肢嵌入灰缝内,上下层角钢间距300mm(5皮砖), 两侧角钢用穿墙的ϕ8@200钢筋焊接连接,如图5所示。同侧上下角钢用40×4@200钢板缀板条(图4)焊接连接。

　　 3号、4号试件圈梁截面尺寸为240×180,组合托梁的做法为:下层角钢的一个肢嵌入灰缝内,上层角钢肢向外紧靠板底,通过对拉螺栓将上层两侧角钢连在一起,其余要求同无圈梁试件,如图6所示。

　　 为了保证角钢在构造柱内的锚固,上下角钢端部焊接钢板来锚固角钢,如图7所示。试件制作过程及制作完成后试件见图8。

　　 试验荷载分为两阶段加载。第一阶段用铸铁块在预制板上施加荷载,模拟本层楼面传来的均布荷载; 第二阶段采用两台油压千斤顶加分配梁在墙体顶部施加荷载,分配梁和墙顶间用细沙找平,模拟上部墙体和楼面传来的均布荷载。分级加载每级10kN。加载装置见图9。

　　 在试件的组合托梁跨中及1/4跨位置处角钢上及跨中钢筋网的水平钢筋上布置应变片,测试荷载作用下角钢及钢筋网水平钢筋的应力。试件跨中及支座处安装位移计测试试件的变形。

　　 各试件破坏过程基本相同,当荷载加至700kN时,托梁上部墙体两端出现斜裂缝。随着荷载的增加,斜裂缝向两端发展延伸,并有新的斜裂缝出现。荷载加至1 000kN时,墙体两端产生竖向裂缝(图10)。随着荷载增加,裂缝宽度不断加大,荷载达到1 200kN时,竖向裂缝处的抹面砂浆被压碎外鼓并脱落(图11),抹面砂浆中的竖向钢筋被压屈,从砂浆面层脱落位置可以看出,砖砌体也有裂缝。继续施加荷载,试件变形增大,抹面砂浆脱落明显,钢-砌体组合托梁端部产生斜裂缝(图12),最终托梁上部砌体两端底部一定范围内被压碎(图13),试件达到最大承载力发生破坏,试件的整体裂缝见图14。组合托梁未发现破坏现象,试件的破坏形式与墙梁墙体剪切破坏中的斜压破坏相同。

　　 在整个试验过程中,托梁外包角钢及墙中水平钢筋均处于受拉状态。当在楼板上施加荷载时,组合托梁下层角钢拉应力增大,上层角钢也产生拉应力,但相对较小。由于在楼板上施加荷载较小,钢筋网水平钢筋拉应力非常小。在试件顶部施加荷载,墙体出现裂缝前,角钢与水平钢筋应力都比较小,下层角钢的应力略大于上层角钢。墙体上产生裂缝后,钢筋网水平钢筋应力明显增大,下部水平钢筋应力大于上部钢筋应力,上下层角钢的拉应力差值逐渐增大,接近破坏时,下层角钢的应力明显增大,而上层角钢的拉应力增加较小,个别构件甚至减小。在整个加载过程中水平钢筋和角钢均未屈服。

　　 由试件的破坏形态及角钢和钢筋的应力测试结果可以得到:当试件顶部施加荷载时,荷载主要通过拱效应传给支座,直接传给组合托梁的荷载比较小,试件受力机理可简化为如图15所示的计算模型,托梁上下层角钢和加固墙体的钢筋网水平钢筋均起到拉杆作用。随着荷载增加,特别是墙体产生裂缝后,部分荷载将直接传给组合托梁,托梁为偏心受拉构件,其受力机理与墙梁受力体系基本一致。接近极限承载力时,由于砌体斜向受压破坏,拱效应降低,大部分荷载将直接传给托梁,托梁弯矩和剪力增大,下层角钢拉应力突变,上层角钢应力减小,托梁产生斜裂缝。当在本层楼板上施加荷载时,荷载主要传给组合托梁,但由于钢筋网竖向钢筋与托梁角钢焊接在一起,本层楼板上的部分荷载传至上部墙体,通过拱效应再传至支座。由于钢筋网水平钢筋起到拉杆作用,因此,钢筋网的水平钢筋减小了上部荷载作用时在组合托梁内产生的拉力,竖向钢筋减小了本层楼板荷载作用时托梁所直接承担的荷载,所以钢筋网对组合托梁的受力起有利作用,在整个加载过程组合托梁未出现破坏现象,角钢也未屈服,托梁仅在即将破坏时产生斜裂缝。

　　 托梁端部和上层墙体端部均设置构造柱,为上层墙体钢筋网水平钢筋提供了可靠的锚固,钢筋为拱的拉杆,性能得到充分发挥; 其次,墙体拱效应将上部施加的荷载传至构造柱,由构造柱向下传至支座,避免了支座上部墙体的局压破坏,因此设置构造柱改变了托换结构的破坏形式,构件的承载能力得到大幅提高。

　　 试件承载力试验结果见表1。由试验结果可知,4个试件的开裂荷载基本相同,虽然破坏形式均为墙体的斜向受压破坏,但破坏荷载差别较大,有圈梁试件的承载力大于无圈梁试件的承载力,加固角钢型号越大,则承载力越大。分析原因:当试件墙体中产生斜裂缝后,上部荷载通过两种途径传至支座,一部分荷载通过拱体传至支座,该部分荷载在拱体内产生压力,使斜裂缝间的墙体受压; 另一部分荷载则先传至托梁,然后通过托梁再传至支座。两部分荷载的分配与托梁的抗弯刚度有关。托梁抗弯刚度越大,则传给托梁的荷载越大,拱体所受的压力越小,墙体产生斜压破坏时的荷载越大。设有圈梁时,加固后圈梁为托梁的一部分,托梁的刚度越大; 加固托梁所用角钢型号越大,其刚度越大。因此,有圈梁且外包角钢型号最大的4号试件承载力最大。

　　 由试验结果知,采用外包角钢及钢筋砂浆面层加固后的托换结构,其受力机理与砌体结构中墙梁相同。上部墙体的钢筋网减小了组合托梁的内力,上部墙体端部也设置构造柱,避免了托梁支座处局部受压破坏。试件最终由于上部墙体抗剪承载力不足而产生斜向受压破坏。另外,由试验结果可知,该组合墙梁结构体系中墙体的抗剪承载力与许多因素有关,如墙体是否有混凝土圈梁、加固用的角钢型号、加固墙体的砂浆抹面层厚度及钢筋网强度和配筋等。为了计算简单,参照我国《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011) ^[5]对墙体进行抗剪计算,其抗剪承载力可按式(1)计算:

　　 V_u=ξ₁ξ₂(0.2+h_b/l_0i+h_t/l_0i)(fh+f_sh₂)h_w (1)

　　 式中:V_u为组合墙梁的承载力; ξ₁为翼墙影响系数,对单层墙梁取1.0; ξ₂为洞口影响系数,无洞口墙梁取1.0; h_b为托梁截面高度,取300mm; l_0i为墙梁计算跨度,取2 800mm; h_t为墙梁顶面圈梁高度,取0或180mm; f为砌体抗压强度设计值; f_s为聚合物砂浆抗压强度设计值; h₂为聚合物抹面砂浆层厚度; h_w为墙体计算高度,取1 420mm;h为砌体墙体厚度。

　　 对留置的立方体砌筑砂浆试块、聚合物砂浆试块及块体进行标准抗压试验,并根据附录B计算得到:砖砌体抗压强度值为2.46MPa; 聚合物砂浆抗压强度值为6.37MPa。再根据式(1)计算,得到的墙体抗剪承载力与试验结果对比见表2。

　　 由表2知,试验结果远大于理论计算结果,因此实际工程中可以按照《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011) ^[5]中给定的墙梁墙体抗剪承载力公式计算该托换结构的墙体抗剪承载力,计算结果偏于安全。原因是规范给定的墙梁墙体抗剪承载力公式既满足墙体斜压破坏要求,又满足斜拉破坏要求。由于对上层墙体采用钢筋网进行了加固,既避免了斜拉破坏,同时限制了斜裂缝的发展,其抗剪承载力将会提高。

　　 (1)拟拆墙体顶部采用外包角钢加固形成钢-砌体组合托梁,上层墙体采用钢筋网聚合物抹面砂浆进行加固形成的托换结构,其受力机理与砌体结构中的墙梁结构相同,即受压拱形墙体与角钢、水平钢筋组成了一个带拉杆的拱结构受力体系。

　　 (2)托梁端部和上层墙体端部均设置构造柱,可为钢筋网水平钢筋提供良好的锚固作用,水平钢筋成为拱的拉杆。墙体拱将上部施加的荷载首先传至构造柱,然后传至支座,避免了支座上部墙体发生局压破坏,构件的承载能力得到大幅提高。

　　 (3)上层墙体中的钢筋网改变了部分荷载的传递路径,减小了组合托梁的内力,间接提高了托梁的承载力。

　　 (4)组合托梁内有圈梁试件的承载力越高,角钢越大且承载力越高。

　　 (5)该结构体系最终是由于墙体抗剪承载力不足发生破坏,抗剪承载力可参照《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)墙梁墙体抗剪计算公式计算。