某预应力抽柱改造项目设计与施工
0 引言
随着城市发展日趋成熟与饱和, 如何在已有限制条件下为旧建筑注入新的生命力、完成旧建筑的重生成为近年来关注的热点问题。同时, 随着生活水平的不断提高, 也使人们对建筑使用功能人性化的需求不断提高。因此, 人们常希望对旧建筑进行适当改造, 如抽除某些楼层柱或墙, 以扩大使用空间。从某项目工程实践出发, 介绍采用预应力与增大截面相结合的方式进行旧建筑抽柱加固改造。
1 工程概况
某商场原结构为现浇钢筋混凝土框架结构, 东西向长164m, 南北向宽209m, 大屋面高19.2m。始建于2010年, 抗震设防烈度为8度 (0.20g) , 设防类别为丙类, 柱距以8.2m为主。根据建筑格局及使用功能需求, 需对原结构进行加固改造设计, 主要涉及3种类型: (1) 局部抽1根柱 (见图1a) ; (2) 局部抽多根柱 (见图1b) ; (3) 局部楼盖开扶梯洞口, 原结构框架梁变成悬挑梁 (见图1c) 。加固改造后期使用年限为40年。
2 抽柱后结构内力分析
抽柱后, 与该柱柱顶相连的梁跨度成倍增加, 同时结构外荷载作用效应也将发生较大变化。抽柱前该柱两侧梁截面承受较大的负弯矩, 抽柱后承受较大的正弯矩, 且往往是截面及配筋设计的控制弯矩 (见图2) 。
抽柱前后结构形式发生改变, 导致原来梁的配筋形式不再适用。
结构外荷载传递路径在抽柱后发生变化, 对应加固改造类型主要有以下3种情况: (1) 原结构抽柱前x, y方向 ( (12) 轴/2-L轴) 均为主框架平面, 抽柱后原柱上的荷载将通过x, y方向框架梁传递给周边相邻的4根柱; (2) 原结构抽柱前虽在x, y方向 ( (11) , (12) , (13) 轴/2-L轴) 均为主框架平面, 但x方向抽3根柱后, 结构平面 ( (10) ～ (14) 轴/2-K～2-M轴) 长向与短向跨度比为2, 不适合2个方向作为主框架平面, 故设计成单向受力体系, 加固 (11) , (12) , (13) 轴主框架梁, 同时加固 (11) ～ (12) 轴、 (12) ～ (13) 轴次梁, 原柱承受的荷载绝大部分传递给 (11) , (12) , (13) 轴主框架平面两侧2根边柱上; (3) 原结构抽柱前虽在x, y方向 ( (11) , (12) , (13) 轴/2-L轴) 均为主框架平面, 但抽柱后仅1个方向为主框架平面, 则原柱承受的荷载绝大部分传递给主框架平面两侧2根边柱 (框架梁) 或一侧1根边柱 (悬挑梁) 上。
图1 加固改造类型
Fig.1 Reinforcement type
图2 结构内力变化
Fig.2 Change of structural internal forces
3 加固改造
3.1 方案设计
抽柱改造工程需解决2种状态问题: (1) 承载能力极限状态抽柱后内力重分配带来的原梁承载力不满足要求; (2) 正常使用极限状态抽柱后梁跨度增加带来的变形、裂缝不满足要求。针对以上问题, 进行方案比选 (见表1) 。
表1 各加固方案优缺点比较
Table 1 Advantages and disadvantages of each reinforcement scheme
综合考虑抽柱后结构内力分析结果及各加固方式的优缺点, 确定本工程加固方案为增大截面+体内预应力 (见图3) 。
图3 加固方案
Fig.3 Reinforcement scheme
该方案优点在于: (1) 可增加梁的强度, 以满足承载能力极限状态要求; (2) 可增加梁的刚度, 以满足正常使用极限状态要求; (3) 将预应力筋布置在增大截面部分的混凝土内部, 可有效解决防火、防腐问题; (4) 预应力张拉过程相当于原梁的卸载过程, 附加恒载及活荷载施加后, 新增大截面部分与原梁部分二次受力问题将不再显著, 甚至可忽略。
3.2 截面设计
原梁截面尺寸为350mm×750mm, 梁截面尺寸为800mm×800mm, 柱截面尺寸增大至800mm×900mm (梁顶新加钢筋保护层50mm, 计算时未考虑) 。截面设计时, 主要考虑以下因素: (1) 梁每侧加宽225mm, 增大截面后与柱同宽, 加腋处理后预应力孔道在梁柱节点处可从柱侧面穿过, 不穿过柱, 以免对原结构柱造成损伤, 且施工简单易行; (2) 梁加高150mm, 支座处竖向加腋500mm, 如图4所示。
图4 加固梁立面
Fig.4 Reinforced beam facade
3.3 配筋设计
1) 材料 混凝土强度等级为C40, 新加非预应力钢筋为HRB400, 预应力钢绞线强度为1 860N/mm2 (低松弛) 。
2) 配筋设计原则 (1) 非预应力钢筋因抽柱后梁跨度变为16.4m, 原梁支座附加钢筋长度已不满足要求, 故抽桩后原梁支座负弯矩钢筋仅考虑通长部分; (2) 预应力钢筋抽柱后自重+预应力工况下, 跨中截面 (即抽柱位置) 挠度为0。
3) 控制指标 (见表2)
4) 其他 张拉控制应力σcon=0.7fptk=1 302N/mm2;预应力筋摩擦系数k=0.001 5, μ=0.25;新增钢筋强度利用系数为0.9, 计算时fy=324N/mm2, fpy=1 188N/mm2。
5) 设计结果 典型框架梁、悬挑梁预应力配筋如图5和表3, 4所示。
图5 梁预应力配筋
Fig.5 Prestressing reinforcement of beams
3.4 节点设计
鉴于新加纵向钢筋较多, 若采用常规植筋锚固技术将新加纵向钢筋植入柱中, 钻孔难度大, 且严重损伤原结构柱的强度。本工程创新性地采用如图6所示的锚固方式, 即钢套箍围抱柱, 新加纵向钢筋与钢套箍焊接不穿柱, 将钢套箍浇筑在柱增大截面内, 实现钢套箍对纵向钢筋的刚性约束, 保证计算模型梁端刚接的假定与实际约束情况吻合。该节点形式有效避免加固对原结构造成的二次损伤。
1) 节点形式 梁顶、梁底新加纵向钢筋锚固节点轴测图如图7所示。
表2 控制指标
Table 2 Control indicators
表3 加固框架梁计算结果
Table 3 Calculation results of frame beams
表4 加固悬挑梁计算结果
Table 4 Calculation results of cantilever beams
图6 新加纵向钢筋锚固节点立面
Fig.6 Anchoring joints of longitudinal reinforcement
图7 锚固节点轴测图
Fig.7 Axonometric drawings of anchoring joints
2) 节点有限元分析 建立节点有限元模型, 分析当与水平环板焊接的新加纵向钢筋达到屈服强度时节点的受力情况。仅列出框架梁上节点计算结果。约束柱顶、柱底, 在水平环板上表面节点施加总节点力1 764kN。节点水平位移及应力如图8所示。计算时未考虑增大截面混凝土对节点的约束作用, 偏于安全。由图8可知, 最大水平位移为0.13mm, 可忽略不计;最大应力为198N/mm2<295N/mm2, 满足要求。
图8 节点计算结果
Fig.8 Calculation results of joints
3.5 预应力张拉端设计
考虑预应力孔道从原结构柱穿过需开孔、断筋, 不可避免地对原结构柱造成损伤, 故张拉端设计时, 预应力孔道在梁柱节点处均从柱侧面穿过, 如图9所示, 梁端做水平加腋。为防止预应力孔道水平弯折产生的水平力对水平加腋的劈裂效应, 采取以下措施: (1) 预应力孔道转折点起始于主次梁交点处, 次梁水平刚度可有效抵消预应力孔道弯折带来的水平力; (2) 水平加腋内配置U形防劈裂构造钢筋。
4 结语
本项目共抽柱32根, 局部抽柱及大开洞对结构整体性影响不大, 抗震指标相比原结构变化幅度不大, 满足现行规范要求, 结构仍具有良好的抗震性能。采用增大截面+体内预应力的方案, 共加固框架梁36根、悬挑梁51根, 取得良好的经济效益, 且加固方法具有一定创新性。结合施工监测结果可知, 柱抽除后梁跨中位置竖向位移为9mm, 与理论计算结果吻合较好, 说明本工程采取的各项设计、施工措施合理有效。
图9 梁预应力张拉
Fig.9 Prestress tensioning
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