某承重磚砌體洞口改造設計與施工方法的研究

張鴻梅 劉 威

近年來,隨著經濟的發展和人民生活水平的提高,業主對既有砌體房屋格局和空間的改造需求日益增多[1]。其中磚混結構房屋的改造在舊房改造中占有相當大的比例。采用托換技術可以使結構體系實現順利轉換,實現建筑物的空間改造。本文要介紹的槽鋼砌體組合托梁技術就是先施工成組合墻梁,待組合墻梁形成后,再拆除被托換的墻體,現結合工程實例進行詳細論述。

1 工程概況

延吉北大某住宅樓,6層磚混結構,主臥室進深為6 m,開間為3.6 m,洞口尺寸為2100 mm×900 mm,該樓2層某住戶為方便使用,要求對主臥室門洞進行改造,改造前后平面布置如圖1所示(圖中原、新洞口分別簡稱為洞1、洞2)。

2 結構改造設計與施工

2.1 洞1結構體系設計與處理

考慮到兩洞口之間墻體受壓承載力,需在處理洞2前,妥當處理洞1。因此,為了充分利用洞1的承載作用和配合洞2的施工,洞1的施工分兩步進行,方案如下:1)砌筑黏土磚墻:砌墻之前,對洞1四周做馬牙槎或植拉結筋處理[4],灑水濕潤,以增加新舊墻體的粘結。砌新墻時,用高一個標號的水泥砂漿砌筑,對搭接處重點處理,務必保證新舊墻體的粘結和整體性。新墻高度1800 mm,等于原寬,預留300 mm×900 mm(見圖1)。2)澆筑膨脹混凝土:對洞1預留部分澆筑膨脹混凝土,使新舊墻體形成一個整體,共同承擔荷載,施工步驟:首先,待新墻強度達75%以上時,開始對預留洞口澆混凝土;其次,澆混凝土前,洞口周圍灑水濕潤;再次,澆筑時,分段澆筑,即 1/3段澆筑一次,并邊澆筑邊插棒振搗,保證混凝土的連續均勻性;最后,對模板螺栓施擰,擰緊到80%左右時停止施擰,待混凝土初凝過后,再徹底擰緊模板螺栓。

2.2 槽鋼砌體組合托梁法實現墻體開門洞

1)設計方案:因該墻為承重墻,門洞上方直接有樓板和墻體等荷載。傳統技術是墻體不拆除就無法將托梁安裝,只能通過墻體扶壁柱托換的方法解決此問題,施工過程復雜,耗時長[5]。采用槽鋼砌體組合托梁就能很好的解決此問題。本工程托梁采用2根[14a槽鋼直接扣進墻體灰縫,并用φ 8@250的鋼筋將其固定而成。2)施工順序。a.鑲嵌槽鋼:用尺測量,定開洞位置,用φ 10鉆機沿量好的墻體水平灰縫鉆孔,鉆1400 mm×10 mm的水平孔洞,以便槽鋼鑲嵌,但該孔不鉆穿(因[14a槽鋼翼緣寬度為58 mm,兩個加起來僅116 mm,而墻厚240 mm[4,6]),余墻可繼續承擔荷載。具體操作時,先鉆其中一面,鉆好后,灑水濕潤,灌入水泥凈漿,將一根[14a槽鋼鑲入槽中,固定后再鉆另一面,鉆完后,同理鑲嵌另一根槽鋼。b.穿焊箍筋:用φ 10鉆機在槽鋼上下端豎向磚墻灰縫中鉆孔,間距250 mm,孔需鉆穿,順孔插入φ 8鋼筋,用焊機對鋼筋和槽鋼搭接處施焊,使上下兩排鋼筋與槽鋼形成一個整體,然后處理鋼筋與槽鋼安裝焊接過程中遺留的空隙,加壓注水泥凈漿,填充密實。

3 施工要求

1)新舊洞口內壁在施工前都應灑水濕潤處理。2)待洞1處后澆混凝土達到設計強度的75%以上,才能把洞2處托梁下方的墻體拆除[4,6]。3)據抗震要求,洞2位置必須距離外縱墻500 mm以上[7]。4)施工順序:洞1砌墻→洞2部位鑲嵌槽鋼并焊接箍筋→洞1澆筑混凝土→拆除洞2托梁下方墻體。

4 結構設計驗算

對此工程進行強度、撓度、構造要求等驗算,并結合竣工后實際使用情況,判斷原方案可行。據此成功經驗,嘗試計算更大開間,經計算,當開洞1500 mm時亦可行,故用ANSYS對開洞1500 mm時進行模擬分析,結果可行。分析步驟如下。

4.1 驗算現有洞口

查資料[4,8],結合實際情況,計算知荷載設計值為113.21 kN/m,因梁端錨固長度滿足構造要求,且槽鋼中的砌體加強了槽鋼的穩定性,故只需驗算抗彎性能。

當開洞900 mm時,托梁跨中彎矩為:

查資料[6],槽鋼截面抵抗矩為:Wx=80.5 cm3,抗彎強度:

未考慮塑性發展系數及槽鋼自重,滿足要求。

4.2 拓展洞口設計驗算

當開洞1500 mm時,根據實際情況,將托梁簡化為兩個模型。

4.2.1 梁模型

1)基本假設。a.由于鋼筋與槽鋼的連接,使兩根槽鋼形成一個整體受力體系,加之中間砌體支撐,整體穩定問題不存在,其承載能力可由強度控制。b.因槽鋼端部與磚墻具有足夠的搭接長度,故可認為槽鋼兩端位移邊界條件為簡支。c.不考慮槽鋼內部磚墻的有利作用,即從偏安全考慮,可簡化受力模型為兩根槽鋼組成的簡支梁,荷載二者平均分擔。

2)強度計算。

未考慮塑性發展系數及槽鋼自重,滿足要求。

4.2.2 殼模型

采用Shell181單元模擬槽鋼,Beam188模擬鋼筋,并采用耦合節點位移的方式來模擬內部磚墻的作用。

1)基本假設。a.因磚墻的內部填充及磚墻本身抗壓性能,可認為槽鋼上下翼緣在豎向位移上一致。b.因槽鋼之間采用鋼筋焊接形成整體,故可采用共節點方式模擬鋼筋作用。c.不考慮磚墻承載能力,所有外荷載由兩槽鋼承擔。d.邊界條件:兩端簡支。

2)有限元模型。對槽鋼上下翼緣 Uz方向進行耦合;為更好地模擬簡支邊界條件,對槽鋼上翼緣施加Uz方向的位移,對槽鋼下翼緣施加Ux,Uz方向的位移;荷載以均布方式施加在上翼緣。跨度 L=1500 mm,外載PRES=-1 N/mm2(考慮槽鋼自重)。

3)有限元結果分析。a.豎向最大撓度2.116 mm;b.最大M ISES應力 230.977 MPa,位于支座端;c.槽鋼最大MISES應力230.977 MPa,位于支座端;d.槽鋼跨中最大應力δx=170.514 MPa,位于上翼緣。

4)數據整理與對比。

得出結論:1)采用梁單元分析的模型更偏于安全。2)此種托梁方式在理論上可行。

5 結語

該工程實踐與理論分析表明,上述的設計及施工方案在實際砌體房屋改造工程中施工方便、快捷省時、技術合理,具有較好的可行性,為實際砌體房屋洞口改造提供了成功的經驗,供廣大設計者參考。此外,槽鋼砌體組合托梁技術在大開間改造方面,將會有更廣闊的發展與應用前景,筆者將對大開間時的力學性能和施工要點作進一步試驗研究論證。

[1]范夕森.既有砌體房屋改造大開間的結構設計[J].工程抗震與加固改造,2008,30(3):105-107.

[2]谷慶慶.砌體房屋改造加固與應用研究[J].城市建設,2009(36):102-103.

[3]李周榮,李永強,胡永生.砌體結構承重墻體置換技術的應用[J].西部探礦工程,2006(10):25-26.

[4]唐岱新.砌體結構[M].第2版.北京:高等教育出版社,2009:7-23,142-146.

[5]胡坤生,楊雪強,丁方明.砌體加固改造設計與施工方案[J].山西建筑,2005,31(21):68-69.

[6]魏明鐘.鋼結構[M].第 2版.武漢:武漢理工大學出版社,2005:146-160,328.

[7]JGJ 116-98,建筑抗震加固技術規程[S].

[8]GB 50003-2001,砌體結構設計規范[S].

[9]劉孟良.普通磚砌房屋結構設計的注意事項[J].山西建筑,2008,34(4):78-79.