随着社会的发展,经济水平的提升,部分既有建筑物的使用功能发生变化,原结构布局不能满足现使用功能的要求,或者不满足业主的有关要求。如果这些既有建筑物建成使用时间不是很长,远未达到设计寿命,可以通过对其进行改造以适应新的要求而不必拆除重建。在既有框架结构中,钢筋混凝土框架结构所占比重较大。这些钢筋混凝土框架结构中部分既有建筑的开间或进深偏小,新功能要求有较大空间,此时就需要对部分框架柱进行抽柱托换,以取得较大无柱使用空间。

　　 抽柱托换首先在工业建筑中进行了大量的工程实践 ^[1,2,3,4,5],民用建筑中框架结构的抽柱托换也得到了一定数量的工程应用,文献[6]对钢筋混凝土抽柱框架楼盖梁的设计进行了探讨。文献[7]系统地对抽柱托换时采用实腹式托梁进行了研究,该文献侧重于有限元理论分析。文献[8,9,10,11,12,13,14,15]根据工程实例,对钢筋混凝土框架结构的抽柱托换进行了讨论。

　　 钢筋混凝土框架结构的抽柱托换形式主要有增大截面托换、桁架托换等。山东建筑大学(原山东建筑工程学院)赵玉星教授提出了一种在框架梁之间设置缀板(又称为腹板柱)来改善大跨度框架梁受力情况的方法 ^[16]。笔者将该结构体系应用到结构改造中,其中一个方面的应用就是在既有钢筋混凝土框架结构的改造中采用后置腹板柱的方法进行抽柱托换 ^[17]。在钢筋混凝土框架结构的抽柱托换领域,总体上是理论、试验研究远远落后于工程实践。笔者对采用后置腹板柱法对钢筋混凝土框架结构抽柱托换进行了竖向荷载下的试验研究。

　　 为研究框架结构在利用后置腹板柱转换结构抽柱托换前后原框架结构及后置腹板柱的受力性能,本文以3跨、3层规则框架结构为模型,抽除1层Ⓒ轴框架柱。托换前模型见图1。

　　 考虑到既有建筑中结构材料强度相对低一些,所以模型混凝土强度等级取C20; 纵向钢筋为HPB235光面钢筋,每侧2ϕ10; 箍筋为CRB600H级冷轧带肋钢筋,ϕ4@100。纵向钢筋保护层厚度为20mm。后置腹板柱可采用强度相对高一些的混凝土,因此后置腹板柱设计材料强度为混凝土C40,纵向钢筋为HPB235光面钢筋,每侧2ϕ10; 箍筋为CRB600H级冷轧带肋钢筋,ϕ4@100。纵向钢筋保护层厚度为20mm。各种材料实测力学性能见表1、表2。

　　 经分析、计算、对比,确定了后置腹板柱的位置、数量和截面尺寸,托换后的模型见图2。

　　 各层、各跨内采用两个集中荷载的形式进行加载,加载点距柱中心线600mm。由于要进行框架抽柱托换前后受力性能的研究,因此加载程序比较复杂。整个试验分为托换前、托换过程中、托换后三个阶段,相应荷载情况有所不同。试验过程中进行了局部调整,表3为实际施加荷载的情况。

　　 托换前按结构原型实际承受荷载情况,各层、各跨两个集中荷载施加至6kN,分8级施加。在托换前将荷载卸荷至2.8kN,模拟卸除设计活荷载等工况。进行后置腹板柱施工后,施加荷载至3.2kN,模拟施工活荷载。抽柱后,1层施加至托换前荷载即不再增加荷载。其余部分继续施加至13.6kN后,2层AB跨、3层不再施加,其后只在2层BC跨、CD跨施加荷载至28.2kN(破坏)。

　　 根据研究目的,确定主要量测内容为:1层、2层BD跨梁的挠度; 框架柱、框架梁及后置腹板柱截面应力(应变),选择后置腹板柱1布置5个应变花以推算其剪应力和剪力,裂缝观测等。挠度测点布置见图3,应变测点布置见图4。共设置挠度测点12个,混凝土应变片65个,钢筋应变片72个,应变花5个。

　　 托换前1层、2层梁的挠度基本一致,各构件基本处于弹性工作阶段,各自独立变形,图5为1层BC,CD梁荷载-跨中挠度曲线(在图5(a)中,横坐标位置0表示Ⓑ轴柱,1表示BC梁跨中,2表示Ⓒ轴柱,3表示CD梁跨中,4表示Ⓓ轴柱,余同)。可以看出,在荷载为6kN时BC梁跨中挠度最大为0.145mm,挠度较小。

　　 托换前先进行卸荷,然后各集中荷载从2.8kN增加到3.2kN并保持,模拟托换中的卸荷及施工活荷载情况。托换过程分4d进行,每天截断1/4柱截面,截断后持续进行数据测读记录,应变取最后一次测读结果,实际托换过程中柱截面截断情况见图6。1层、2层梁BD跨挠度见图7,整个托换过程中挠度增加量见图8。

　　 通过图7、图8可以看出,在拟拆除柱截面截断3/4之前,1层、2层梁的挠度变化不大,当拟拆除柱截面全部截断时,各层梁的挠度均有所陡增。同时1层梁BD跨的挠度大于2层梁BD跨的挠度。

　　 托换后荷载从3.2kN施加至托换前设计荷载6.0kN的过程中BD跨梁的挠度增量分布见图9,托换后整个试验过程1层、2层BD跨梁的挠度(包含托换前的挠度)见图10。

　　 从图9,10可以看出,在荷载达到5.6kN时,BD跨梁挠度增大幅度较之以前有所增加,同时也发现了裂缝,说明梁的刚度有所减小。两层梁的挠度基本相同,1层BD跨梁挠度略大于2层的。

　　 将托换前后相同荷载下挠度的增量、挠度与跨度的比值Δ₁,Δ₂列于表4中,可以发现相同荷载下托换后梁挠度f、挠度与跨度的比值均比托换前大,说明托换后梁挠度比托换前增加。由于挠度的增加,可能带来裂缝宽度超过《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)的限值,所以设计时应注意托换后的挠度以及裂缝的控制。在该试验模型中,将理论计算的是否设置腹板柱的计算结果也列入表4中,并进行对比,可以看到设置腹板柱比不设置腹板柱可以大幅度降低框架梁的挠度。设置腹板柱的情况下,托换后实测挠度在前期和理论值接近,后期实测值大于理论值,这是由于随着梁的开裂,梁的实际刚度降低(理论计算只是进行了弹性阶段的计算)。

　　 采用后置腹板柱进行抽柱托换,对于梁的内力特别是弯矩影响较大,因此下面列出1层、2层梁截面应变的变化情况。

　　 梁部分截面托换前应变沿截面高度分布的试验结果见图11。托换前的应变分布与其弯矩理论计算比较一致。加载到5.6,6.0kN时梁上部出现裂缝,因此B3截面(位置见图4)顶部应变出现变小的情况。

　　 托换过程中梁部分截面(位置见图4)应变沿截面高度的分布情况试验结果见图12。可以看出,托换过程中,柱截面截断3/4前各截面应变随被截断面积的增大而增大,幅度变化不大。但当柱全部截断时,Ⓑ轴支座处的1层B1截面应变增大幅度变大; 而Ⓒ轴支座处1层B3截面则出现了应变变号的情况,这说明B3截面原为支座截面,承担负弯矩; 柱被抽除以后,该截面成为梁跨中截面,承担正弯矩,而且应变增大的幅度很大(该截面梁底应变为钢筋应变换算后数值)。试验中,位于后置腹板柱左侧的B2截面、B5截面应变变化无明显规律,该处应力分布比较复杂。

　　 托换后梁部分截面(位置见图4)应变沿截面高度的分布情况试验结果见图13。可以看出,托换后,施加荷载到6.0kN以后,B1截面因为存在斜裂缝,该截面应变不能正确反映其受力情况。经理论分析,梁B2截面随着后置腹板柱发挥作用,其弯矩由正变负; 但根据试验结果看只是正弯矩减小,没有变为负弯矩。B3截面因为在托换过程中部分混凝土应变片发生损坏,下部应变采用钢筋换算后的应变。从B2,B3截面的应变分布情况分析,本次试验中腹板柱由于是后置,且存在后置腹板柱与原框架梁两次施工结合不是特别密实的情况,因此与理论分析存在差异,但是两个截面处的正弯矩相差不大,表明腹板柱的存在降低了弯矩峰值。另外从B2,B3截面以及1层、2层对应位置钢筋的应变情况(B6,B7截面)可以看出,1层梁中存在轴向拉力,2层梁中存在轴向压力。

　　 在后置腹板柱1上布置了3个截面量测其正截面应变变化情况。结果表明,E1,E3截面上的应变变化差别不大,只是符号相反,下面列出E1,E2两个截面的应变情况,见图14。可以看出,腹板柱在上下两端承担弯矩,高度中间部位弯矩较小。根据应变数据,腹板柱承担的轴力很小。

　　 在后置腹板柱1上的五个截面上布置了应变花,用以检测腹板柱的剪应力及剪力。

　　 经过计算,由应变花的应变得到截面中部的剪应力,进而推算截面剪力。理论分析表明,后置腹板柱在该结构体系中所承担剪力在某一荷载下沿高度方向是不变的,因此采用格拉布斯法剔除个别异常数据(截面5在3.2kN的剪力值)后,取五个截面剪力的平均值作为该后置腹板柱的实测剪力。各工况下后置腹板柱1的剪力见图15。

　　 通过图15可见,在柱截面截断3/4时,腹板柱剪力变化不大,当全部拆除后,剪力开始变大。其后随着荷载的增大,腹板柱的剪力逐渐增大。

　　 对于柱的轴力(应变)量测表明,在未拆除1层Ⓒ轴柱前,Ⓒ轴柱的轴力变化与Ⓑ轴柱基本相同; 托换后2层Ⓒ轴柱的轴力变化小于其他各轴柱,托换后相同荷载作用下,2层Ⓑ轴、Ⓓ轴柱轴力大于托换前。表明1层、2层梁共同承担3层Ⓒ轴柱传来的轴力,并将其传递给Ⓑ轴、Ⓓ轴柱,形成整体的空腹桁架共同承担和传递荷载。

　　 试验前在框架表面涂刷白浆,试验过程中用放大镜查找裂缝,用读数显微镜来读取裂缝宽度。裂缝主要出现在梁上,裂缝在各跨梁上的分布情况见图16,1层、2层BC跨B端裂缝见图17。

　　 由图16可以看出,托换前出现裂缝较少。托换后在达到6kN荷载前,裂缝出现也较少。

　　 AB跨荷载较小,梁裂缝主要出现在负弯矩较大位置,表现为受弯裂缝; BC跨和CD跨1层梁、2层梁在托换后实际形成一跨,因此裂缝的出现也基本上呈现为B端、D端主要受剪,C端受正弯矩的裂缝分布形式; BC跨和CD跨3层梁B端、D端主要受负弯矩,C端受正弯矩的裂缝分布。

　　 图16所示①,②,③裂缝出现时均是在梁高中间位置首先出现,然后斜向上、向下发展,表现为受剪的斜拉破坏。图16中Ⓑ轴柱在2层梁的高度处出现弧线形裂缝,裂缝宽度为1.03mm,该裂缝在施加荷载形式发生变化(改为只在2层BC跨、CD跨施加荷载,其余加载位置不再施加荷载)时出现,应与荷载施加的形式有关。

　　 通过裂缝可以看出,该结构体系的破坏形式是1层梁、2层梁BD跨两端受剪破坏,这是因为设置后置腹板柱后,由于后置腹板柱的存在大大降低了框架梁内的弯矩峰值,使得框架梁内的弯矩峰值较小; 但是腹板柱对于框架梁内抗剪能力的提高没有明显改善,因此在采用后置腹板柱托换钢筋混凝土框架柱时应采取抗剪加固措施。

　　 在赵玉星教授提出缀板梁(腹板柱)结构后,张鑫、谢群、张玉峰以及本文笔者对这一结构形式在新建结构中的应用(框架梁、腹板柱同时浇筑)进行了试验、理论研究和工程实践(济南某高校电力实验楼加层改造) ^[18]。本次试验与上述研究对比,为使后置腹板柱可以起到和框架梁、腹板柱同时浇筑的效果,使其整体受力,必须要做好后置腹板柱与框架梁的连接,同时要考虑其受力滞后现象。

　　 在既有钢筋混凝土框架梁之间设置后置腹板柱可以对框架梁施加一个后置约束,从而改变抽柱后框架梁的弯矩分布图,增加弯矩峰值点数,降低框架梁的弯矩峰值; 和不设置腹板柱相比,设置腹板柱会大幅度降低框架梁的挠度,从而在尽可能不降低净空的情况下实现对既有框架结构的抽柱托换。抽柱托换的关键阶段是框架柱抽除的最后阶段,其内力、变形将出现突变。

　　 在进行抽柱托换改造时,如采用后置腹板柱形式进行托换,要对框架梁进行抗剪复核,必要时进行抗剪加固。由于抽柱层抽除了框架柱,其侧向刚度降低,同时在其上层增设腹板柱,其侧向刚度增加,可能会产生侧向刚度不规则。笔者在这两个方面均进行了研究分析。

　　 由于后置腹板柱的存在会使得框架梁局部部位的弯矩在托换前后出现反号,同时在抽柱部位的框架梁底部,由于原来是支座位置,钢筋在支座中的锚固未必能够满足托换后框架梁跨中的受拉连接要求,需对此类问题予以考虑。