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利用宽柱双梁框架结构改造加固砌体结构

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'2015年1月第33卷第1期Jan.2015Vol.33No.1doi:10.3969/j.issn.1674-8530.14.0082利用宽柱双梁框架结构改造加固砌体结构1232焦建华,曹大富,秦晓川,葛文杰(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司,江苏扬州225127;2.扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225127;3.东南大学土木工程学院,江苏南京210096)焦建华摘要:在不改变建筑外立面的情况下,采用先施工托换框架,待其形成强度后再拆除被托换的承重墙体,利用宽柱双梁框架结构对砌体结构进行加固改造,拆除内墙,获得大空间.该加固方法考虑了结构传力体系、基础受力情况的改变,外墙与内部框架的连接以及建筑功能要求.通过一砌体结构旅馆建筑改造成大空间商场、商务用房的实例,说明采用宽柱双梁框架结构对现有砌体结构进行加固改造方法的应用和研究,加固改造设计采用PKPM软件对结构进行力学分析,通过对设计内力包络图的分析和整理,选取内力最大的构件作为典型开展砌体结构加固改造设计研究,从而构建兼具平面功能要求、抗震性能要求的结构体系.同时,为了使改造工程更加安全可靠,以提高结构的整体抗震能力,提出了设置剪力栓、浇筑钢筋网叠合层等构造措施.关键词:宽柱双梁;加固改造;砌体结构;剪力栓;框架结构中图分类号:S2779;TU3754文献标志码:A文章编号:1674-8530(2015)01-0043-06焦建华,曹大富,秦晓川,等.利用宽柱双梁框架结构改造加固砌体结构[J].排灌机械工程学报,2015,33(1):43-48.JiaoJianhua,CaoDafu,QinXiaochuan,etal.Masonrystructurereformingandstrengtheningbymeansofframestructurewithdoublebeamwidecolumn[J].JournalofDrainageandIrrigationMachineryEngineering(JDIME),2015,33(1):43-48.(inChinese)Masonrystructurereformingandstrengtheningbymeansofframestructurewithdoublebeamwidecolumn1232JiaoJianhua,CaoDafu,QinXiaochuan,GeWenjie(1.JiangsuSurveyingandDesignInstituteofWaterResourcesCo.Ltd.,Yangzhou,Jiangsu225127,China;2.CollegeofCivilScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou,Jiangsu225127,China;3.SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu210096,China)Abstract:Undertheconditionthatafacaderemainsunchanged,moreinnerspacecanbegotbyremovingitsinternalwalls.Indoingso,anunderpinningframeworkisconstructedfirstlyandthenthebearingwallboardsareremovedoncetheframeworkcanbearaload;finallythemasonrystructureisstrengthenedandreformedbyusingaframestructurewithdoublebeamwidecolumn.Inthismethod,theforcetransmissionsystem,thechangeinloadappliedtofoundation,andtheconnectionbetweenexternalwallandinternalframeaswellasthebuildingfunctionalrequirementsareconsidered.Byusingthismethod,ahotelbuildinghasbeenreformedintoasupermarketwithlargespaceandmanybusinessoffices.Inthisreformationproject,theexistingproblemsarepointedout,adesignprocessisproposed,andtheinternalforcesinthebuildingarecalculatedbyusingPKPMsoftware.Theinternalforceenvelopediagramisanalyzedandsummarized,thestructuresthataresubjecttothemaximuminternalforcearetargetedandstrengthened.Inaddition,aseriesofmeanssuchassettingshearbolts收稿日期:2014-06-13;网络出版时间:2015-01-19网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20150119.1709.007.html基金项目:国家自然科学基金资助项目(51278230)作者简介:焦建华(1965—),男,江苏泰兴人,高级工程师,国家一级注册结构工程师(jssljjh@163.com),主要从事建筑结构设计研究.曹大富(1964—),男,江苏姜堰人,副教授(通信作者,dfcao@yzu.edu.cn),主要从事混凝土结构加固与改造研究. 44排灌机械工程学报第33卷andconcretingrebarnetworklaminatedlayerstomaketherenovationprojectsaferandmorereliablesoastoimprovetheoverallbuildingearthquakeresistantcapacity.Keywords:widecolumnholdingtwobeams;strengtheningandconstruction;masonrystructure;shearbolt;framestructure20世纪50—80年代建成的建筑大部分为砌体结构,这些建筑往往位于城市的核心部位.随着城市的发展,业主将既有砌体结构改造成大空间的要求越来越多.有的为合理改造泵房,需要将原泵房内部分内墙进行拆除;也有的为改善办公条件,将2个小开间合并为大开间;有的拆除多道墙体,将住宅、办公楼等由局部改为较大空间的公共建筑;特图1原有建筑平面示意图Fig.1Schematicoforiginalbuildingplan别是沿街的民用房屋,将底层部分区域改变使用功[1]能,改造成银行或通信公司营业厅.砌体结构进行大空间改造难度大、风险高,采用框架托换技术可以有效地达到改造目的.该技术的特点是先施工托换框架,待其形成强度后再拆除被托换的承重墙体,达到安全、可靠、方便、快捷的[2]目的.钢筋混凝土梁托换(双梁托换、单梁托换)、型图2改造后建筑平示意图[3]钢框式托换等方法可用于加固改造工程中.双梁Fig.2Schematicofreformedbuildingplan托换即在待拆墙体的顶部两侧或内部采用增加2根对称的梁形成格构式梁,并且新增梁通过拉结筋与2加固改造方案原墙体圈梁连接在一起,形成组合,与梁共同承担[4-5]荷载.单梁托换就是在待拆墙体的顶部,采用1工程中,采用宽柱双梁框架结构进行加固改根托梁,以托换顶部待拆墙,并在新增梁两端的下造,其技术特点:由原墙两侧托换双梁和新增托换方新增混凝土柱,与原来的部分端墙形成组合柱组成的宽柱双梁框架结构,代替原承重的砌体[6]柱.型钢框式托换是用型钢梁柱作为托换框架代[8]结构.[7]替需拆除的墙体.美国土木工程师学会等机构与①-瑏瑡轴加固改造后的结构平面如图3所示.学者对结构加固与改造也进行了相关研究.框架式托换示意图见图4.文中通过一个砌体结构旅馆建筑改造成大空间商场、商务用房的实例,说明采用宽柱双梁框架结构对现有砌体结构进行加固改造方法的应用和研究,以用于指导工程应用.1工程概述工程原为地上3层的旅馆建筑,其使用功能为宾馆,为砌体结构,该楼原有建筑平面如图1所示,图3改造后结构平面示意图2Fig.3Schematicoflayoutplanofreformedstructure原设计使用楼面活荷载为20kN/m.根据业主的使用功能要求,将原①-瑏瑡的第1层改为大空间的在采用宽柱双梁框架结构对本工程改造加固商场,第2,3层改为商务办公.这样需对原第1-3过程中,荷载的传递路径如下:上部荷载首先由第3层的①-瑏瑡承重砌体局部进行拆除并加固改造.改层双梁承担,宽柱再将第3层双梁传递来的荷载有造后建筑平面如图2所示.效地传递至第2层双梁,最后再由第2层双梁将荷 第1期焦建华,等利用宽柱双梁框架结构改造加固砌体结构45载均匀地传递到下部结构.3加固改造计算改造后的结构为宽柱双梁框架结构,混凝土等级为C30,钢筋采用HRB400,抗拉强度设计值为2360N/mm,按地震烈度7度设计.基础、地梁、屋盖构件均为二类a环境,其余为一类环境.柱、梁、板的混凝土保护层厚度分别为30,25,15mm.内力计算采[9]图4“宽柱双梁”剖面示意图用PKPM软件,对设计内力包络图整理分析,结果Fig.4Sketchofsectionof"doublebeamwidecolumn"见表1-3,表中M为弯矩,Q为剪力,N为轴力.表1“双梁”内力设计值Tab.1Internalforcedesignvaluesof"doublebeam"A-B(E-F)B-E层次轴线支座跨中支座跨中M/(kN·m)Q/kNM/(kN·m)M/(kN·m)Q/kNM/(kN·m)①,瑏瑡15413577189137117第1层②,⑩232174132281173173③-⑨230173131268162157①,瑏瑡13412559139132117第2层②,⑩19615691197165172③-⑨19315591242153155①,瑏瑡8710451114105102第3层②,⑩12514374174150171③-⑨12114274162140155表2“宽柱”内力设计值Tab.2Internalforcedesignvaluesof"widecolumn"A(F)B(E)层次轴线X方向Y方向X方向Y方向N/kNM/(kN·m)N/kNM/(kN·m)N/kNM/(kN·m)N/kNM/(kN·m)①,瑏瑡-402-159-4024-555-157-463-85第1层②,⑩-598-230-459-305-701-257-733-320①,瑏瑡-291-14-2913-365-103-308-55第2层②,⑩-372-114-296-83-578-190-491-130①,瑏瑡-73-32-7328-214-87-21135第3层②,⑩-193-107-1930-310-155-256-2表3基础内力设计值Tab.3InternalforcesdesignvaluesoffoundationA-B(E-F)B-E层次轴线支座跨中支座跨中M/(kN·m)Q/kNM/(kN·m)M/(kN·m)Q/kNM/(kN·m)①,瑏瑡194462454194384445基础②,⑩219660654219507626③-⑨183657658183483617为了减少构件类型,选择内力最大的典型构件?-(?-?)每根梁支座配置218+122(表进行计算,其他同类构件的配筋与之相同.由表1可示2根直径为18mm和1根直径为22mm的知中框架梁在第1层②轴处的内力最大.新增框架HRB400钢筋,下同),梁底部配置318;?-?每梁截面为200mm×450mm(?-?为200mm×根梁支座配置218+122,梁底部配置218+[10-11]500mm),设置在原有圈梁的两侧.122.每根梁箍筋选用双肢箍8@100/200(表示8根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》mm的钢筋,加密区间距为100mm,非加密区间距(以下简称《规范》)计算梁正截面及斜截面配筋得为200mm,下同).改造后的第2,3层楼面梁配筋图 46排灌机械工程学报第33卷如图5所示.范》采用植筋的方法,设置间距500mm的剪力栓,将框架柱与墙体拉结成整体,如图6所示.图6柱和墙剪力栓示意图Fig.6Schematicofcolumnsandwallshearbolts2)新增双梁构造.为了保证传力的可靠性和双梁的整体性,预制板下的双梁间每隔一段距离设置了214@500的剪力栓.另外,该工程还通过增设小连梁200×500图5改造后的第2,3层楼面梁配筋图(450)@2000的方法以加强双梁的共同工作;原有Fig.5Beamreinforcementlayoutsofsecondandthird[14]圈梁作为安全储备.图7为双梁剪力栓及连梁构floorsofreformedbuilding造示意图.由表2可知中框架柱在第1层②×?轴处的内力最大.新增框架柱截面为400mm×700mm,按照规范设计其配筋,X方向配置422,Y方向配置322.柱箍筋选用菱形箍8@100/200.由表3可知中基础梁在②轴处的内力最大.新增基础梁截面为300mm×800mm.根据《规范》计算基础梁正截面及斜截面配筋得?-?每根梁的梁顶和梁底对称配置420;每根梁箍筋选用双肢箍8@100/200.4加固改造构造通过改变结构体系,不仅改善了建筑物平面功能,又使加固后的建筑物能够达到较高的抗震性能[12]目标.该工程结构体系简单、规则,传力合理,易于提高整体结构的抗震能力.另外工程中还采取了图7双梁剪力栓及连梁构造示意图以下构造措施:Fig.7Schematicofstructureofdoublebeamshear1)新增柱和墙体构造.boltsandcouplingbeams常见的框架结构均是先浇筑框架,然后在框架3)预应力空心板构造.梁上砌筑墙体.墙体荷载直接由框架梁承担,然后原结构的?-?及?-?楼面结构为预应力[13]2传递至框架柱,再至基础.而该工程在浇筑框架混凝土空心板,其活荷载标准值为30kN/m,经验前,墙体就已经存在,新加固的框架柱在外墙的内算不需要加固.考虑到建筑物中大量采用了预制侧,墙体荷载直接传至基础,且沉降已经完成.为了板,其整体性较差,因此在改造设计时,在原预制板保证加固后的框架和外墙能够在地震发生时共同上浇筑钢筋网叠合层,以达到增强预制板整体性的[15]工作以抵抗地震作用,因而在框架梁、柱与外墙相目的.接处按照GB50367—2006《混凝土结构加固设计规4)基础构造. 第1期焦建华,等利用宽柱双梁框架结构改造加固砌体结构47该工程原基础为墙下钢筋混凝土条形基础.由采用宽柱双梁框架结构改造加固砌体结构能将承于拆除了原有承重墙体,故传给地基的荷载没有增重墙上部结构荷载通过托换框架较均匀地传递至大,经计算原基础宽度满足新建筑物的要求.但为下层,解决了砌体结构进行大空间改造难度大、风了保证新加框架柱较好地传力给原基础,采取了如险高的难题.体系在砌体加固改造工程中有以下图8所示的构造措施,即将原墙下钢筋混凝土条形特点:基础的底板作为新的柱下条形基础的底板,在其上1)保留了原有建筑的外观,在拆除原有内墙新浇筑框架基础梁.基础梁与上部框架同样采用双后,获得了较大的内部空间.梁形式.梁间设置连梁,同时在新增基础梁与原基2)结构体系简单、传力可靠,改造后的结构与础之间仍设214@500的剪力栓,以保证共同工作.原保留砌体整体性好.3)减轻了原有结构的自重,对地基基础承载力的要求较低,一般不需对原有地基基础进行加固.4)新浇筑的框架作为拆除墙体时的支撑,优于临时支撑,且新老结构应力过渡平滑.参考文献(References)[1]范夕森.既有砌体房屋改造大开间的结构设计[J].工程抗震与加固改造,2008,30(3):105-107.FanXisen.Structuraldesignofreformingtheusedmasonrybuildingtolargespaceconstruction[J].EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting,2008,30(3):105-107.(inChinese)[2]毛桂平,黄小许.砌体结构承重墙体的框式托换技术[J].建筑技术,2004,35(6):441-442.MaoGuiping,HuangXiaoxu.Frameunderpinningtechnologyforloadbearingmasonrywall[J].ArchitectureTechnology,2004,35(6):441-442.(inChinese)图8基础双梁剪力栓及连梁构造示意图[3]刘威,张鸿梅.砖混结构梁托换改造大开间方案优化Fig.8Schematicoffoundationstructureofdoublebeamshearboltsandcouplingbeams设计[J].施工技术,2011,40(17):95-97.LiuWei,ZhangHongmei.Optimizationofbeamunder5)墙体加固.pinningdesignforlargespacereformingofbrickcon工程经改造后,结构体系发生改变,外墙由原cretebuilding[J].ConstructionTechnology,2011,40承重墙变为自承重维护墙.由于建造时间较早,砌(17):95-97.(inChinese)体和砂浆标号都有所降低,为了保证墙体抗震承载[4]曾欣.旧砖混建筑改造中托换技术方案对比分析力,对墙体部分采用双面钢筋网砂浆面层进行加固[J].江苏建筑,2009(3):11-13.(即采用6@200双层钢筋网,面层的砂浆强度采ZengXin.Analysisofdifferentunderpinningdesignfor用M10,厚度为35mm).largespacereformingofoldbrickconcretebuilding[J].6)施工注意事项:JiangsuConstruction,2009(3):11-13.(inChinese)[5]刘训良,周乾,刘跃华.多层砖混结构房屋底层大空①由专业施工队伍进行施工;间改造结构设计方案分析[J].工业建筑,2003,33②框架结构施工完毕后,需待强度满足规范和(7):71-73,90.设计要求后,才能进行原墙体的拆除;LiuXunliang,ZhouQian,LiuYuehua.Theanalysisof③施工过程中注意对原房屋的检测.astructuraldesigningforthefirstfloorofamultistorybrickconcreteframeworktoberebuiltasalargespace5结论[J].IndustrialConstruction,2003,33(7):71-73,90.(inChinese)该改造工程已于2011年竣工,并已投入使用.[6]FoundoukosN,ChapmanJC.Finiteelementanalysisof 48排灌机械工程学报第33卷steelconcretesteelsandwichbeams[J].Journalof[12]闫旭朝,陈俊.某砖混结构加固改造与加层分析ConstructionalSteelResearch,2008,64(9):947-961.[J].浙江建筑,2009,26(6):28-30.[7]NieJianguo,CaiCS,WangTing.StiffnessandcapaciYanXuchao,ChenJun.Thereinforcingrebuildandtyofsteelconcretecompositebeamswithprofiledsheeaddonlayeranalysisofamasonstructure[J].Zhejiangting[J].EngineeringStructures,2005,27(7):1074Construction,2009,26(6):28-30.(inChinese)-1085.[13]袁广林,张先扬,周希茂,等.夹芯托梁在砖混结构[8]胡兆文,付立莎,荆建明.既有多层砌体房屋承重墙改造中的研究与应用[J].工业建筑,2009,39(8):8拆除改造加固设计与施工[J].建筑结构,2010,40-12.(S2):326-328.YuanGuanglin,ZhangXianyang,ZhouXimao,etal.HuZhaowen,FuLisha,JingJianming.Demolishing,Researchandapplicationofsandwichbeaminmasonryremouldingandreinforcingdesignandconstructionforstructuretransformation[J].IndustrialConstruction,theloadbearingwalloftheexistingmultifloormasonry2009,39(8):8-12.(inChinese)structurebuildings[J].BuildingStructure,2010,40[14]吴婷,曹双寅,敬登虎.砖砌体结构底层大空间改造(S2):326-328.(inChinese)方法的讨论及研究[J].建筑结构学报,2010,31[9]夏宗义,邸小坛.PKPM砌体结构辅助设计软件在既(S2):330-333,344.有砌体抗震鉴定中的应用[J].建筑科学,2011,27WuTing,CaoShuangyin,JingDenghu.Discussand(S1):222-223.studyontransformationmethodsofmasonrystructuresXiaZongyi,DiXiaotan.ApplicationofPKPMsoftware[J].JournalofBuildingStructure,2010,31(S2):330inmasonrystructureCADtoseismicappraisalforthe-333,344.(inChinese)existingmasonrybuilding[J].BuildingScience,2011,[15]姜雪峰,黄鹏伟,李鹏飞.托换技术在砖混结构大空27(S1):222-223.(inChinese)间改造中的应用[J].山西建筑,2013,39(11):23[10]GhobarahA,El-AmouryT.Seismicrehabilitationof-25.deficientexteriorconcreteframejoints[J].JournalofJiangXuefeng,HuangPengwei,LiPengfei.TheappliCompositesforConstruction,2005,9(5):408-416.cationofunderpinningtechnologyinlargespacerecon[11]CecchiA,MilaniG,TralliA.Validationofanalyticalstructionofbrickconcretestructure[J].ShanxiArchimultiparameterhomogenizationmodelsforoutofplanetecture,2013,39(11):23-25.(inChinese)loadedmasonrywallsbymeansofthefiniteelementmethod[J].JournalofEngineeringMechanics,2006,(责任编辑张文涛)131(2):185-198.'