既有建筑地下增層托換梁設計研究

潘宇，賈強，*，夏風敏，孔文龍

（1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101；2.山東衡泰工程咨詢有限責任公司，山東 萊蕪271100）

0 引言

有序、合理、綜合、高效地開發利用既有建筑物的地下空間資源，成為擴充基礎設施容量、增強城市綜合防災能力、提高土地利用效率和節約土地資源的最為有效途徑之一［1］。既有建筑地下增層的關鍵技術是基礎托換，其結構受力復雜，而且傳力機理尚不明確。地下增層托換樁的設置方式又分為在上部豎向構件兩側設置［2］和在豎向構件中間位置設置。其中，托換樁設置在中間位置具有施工方便且占地面積小的優點。但上部結構荷載通過豎向構件施加在托換梁上，對該梁抗剪能力提出了很高的要求。

國內眾多地下增層工程實例中，中國工商銀行某辦公樓增設的地下室工程［3］、濟南商埠區某醫院的地下增層工程［4］、北京中山公園音樂堂的地下加層工程［5］均以托換樁在上部豎向構件兩側設置的墻柱下托換為主。但托換方式以原豎向構件中間設置托換樁的工程實例與研究較少，托換梁按經驗設計過于保守，可進行設計優化以降低托換成本。

為了深入研究托換結構受力特點，文章以淮陰某大廈地下增層工程為例［6］，采用 Midas gen對托換梁設計方法進行優化。

1 工程概況

淮陰某大廈建于1985年，框架剪力墻結構，主樓15層，局部16層，層高均為3.6 m。主樓總面積為8016 m2，平面呈 Z形，柱網尺寸為 4.0 m×5.5 m，如圖1所示。框架柱截面尺寸為500 mm×500 mm；框架梁截面尺寸為250 mm×400 mm；剪力墻厚度為250 mm；樓板厚度為200 mm。原基礎為樁基礎，采用摩擦樁，共157根樁，樁徑為450 mm，樁長為21 m，單樁設計承載力為750 kN，混凝土標號400＃；承臺厚1.5 m，混凝土標號200＃，承臺頂標高為 -0.9 m。

圖1 建筑標準層平面圖／mm

由于建筑功能改變，現需在原有結構下增設兩層地下室，地下一層層高為5.2 m，地下二層層高為3.7 m。

工程采用在柱間設置托換樁，其具體施工順序如圖2所示。（1）基坑支護并開挖建筑物土方至原基礎承臺暴露；（2）在柱間（柱外側）地下室待開發區域施工鋼筋混凝土鉆孔灌注樁作為托換樁，至持力層樁底標高-34.2 m；（3）托換樁樁頂施工托換梁，使托換梁、托換樁與既有建筑連為整體結構并截除原建筑物基礎；（4）原建筑荷載由托換結構承擔，開挖地下室土方至地下室底板標高，必要時設置水平支撐（或斜撐），自下而上施工地下室底板、中間樓層板、地下室外墻、地下室頂板。施工既有建筑剪力墻至地下室底板，使剪力墻連為整體。

圖2 施工示意圖

2 地下增層托換梁設計

2.1 鋼筋混凝土托換梁設計

2.1.1 設計思路

對增設地下室構件進行Midas gen建模時，需考慮恒荷載、活荷載、地震荷載與風荷載等。而對施工過程驗算時，忽略地震荷載，風荷載按五年一遇。縱向A至H軸布置鋼筋混凝土托換梁，梁頂標高±0.000m，橫向布置連系梁。工程抗震等級三級，設防烈度7度（0.1g），地震分組為 3組，場地類別為Ⅱ，基本風壓為0.3 kN／m2，構件混凝土設計強度等級均為C40，鋼筋混凝土托換梁采用四面包裹式，雙梁截面尺寸為600 mm×1400 mm，托換樁直徑為1000 mm。

分析工況選取托換樁與托換梁已施工完畢，已鑿除原基礎，土方開挖至地下室底板標高的情況，計算樁、梁托換結構的受力情況。在框架柱兩側施工托換梁，采用雙梁設計，開挖底面處視為嵌固端，樁梁接頭為剛接。一層柱底軸力作用在托換梁上為集中力，用于托換梁配筋設計。其中，3-D軸處柱底軸力中最大值為3610 kN，1-A軸處最小值為1633 kN，一層剪力墻作用在托換梁的荷載視為均布荷載340.8 kN／m。對托換梁分別進行剪力與彎矩內力分析，鋼筋混凝土托換梁剪力圖（剪力圖中剪力為托換梁梁端剪力）與彎矩圖（彎矩圖中托換梁下方數值為梁跨中正彎矩，托換梁兩側數值為支座處負彎矩）如圖3、4所示。托換梁設計為梁頂標高±0.000 m處托換梁，地下室二層頂梁、地下室柱、墻體的受力和配筋圖不再贅述。

圖3 鋼筋混凝土托換梁端剪力分布圖／kN

2.1.2 內力分析結果

工況下，對于框架部分，上部結構傳遞到托換梁跨中的為較大集中力，在C軸1／3～1／4軸處托換梁跨中產生的最大正彎矩為2971.1 kN·m，在G-1／2軸支座處產生的最大負彎矩為2401.3 kN·m、最大剪力為2733.8 kN。對于剪力墻，傳遞均布荷載至托換梁，在B軸1／2～1／3軸處托換梁跨中產生的最大正彎矩為4928.3 kN·m，在G-1／3軸支座處產生的最大負彎矩為2968.2 kN·m、最大剪力為2918.4 kN。

圖4 鋼筋混凝土托換梁彎矩分布圖／（kN·m）

2.1.3 托換梁設計

取D、E軸線（標準4跨）托換梁進行配筋設計。混凝土強度等級為C40，縱向受拉鋼筋與水平分布鋼筋 HRB400，豎向分布鋼筋 HRB335，fc、fy、fyh、fyv分別為 19.1、360、360、300 N／mm2，截面尺寸為600 mm×1400 mm，梁跨度為 5.5 m。根據GB 50010—2015《混凝土結構設計規范》附錄G中G.0.2與 G.0.4條進行配筋設計［7］得：跨中受拉區縱向普通鋼筋截面面積As為6805.6 mm2，跨中水平分布鋼筋截面面積Ash為2821.3 mm2，跨中同一截面內豎向分布鋼筋截面面積Asv為310.0mm2；端部受拉區縱向普通鋼筋截面面積As為4102.6 mm2，端部水平分布鋼筋截面面積Ash為2821.3 mm2，端部同一截面內豎向分布鋼筋截面面積Asv為310.0 mm2。配筋結果見表1，梁截面圖如圖5所示。

表1 鋼筋混凝土托換梁配筋結果表

為保證截面抗剪滿足要求，托換梁與框架柱緊密相連，托換梁采用四面包裹式連接［8］，梁高1.4 m高度范圍內通過植筋方式連接，豎向間距每200 mm植筋16鋼筋兩根，各側面共植筋14根［9］。

A至H軸鋼筋混凝土托換梁，每間隔1.5 m設置鋼筋混混凝土連接鍵，施工時連接鍵洞口大小為300 mm×460 mm，連接鍵將兩側托換梁相連，滿足構造要求即可，如圖6所示。

圖5 鋼筋混凝土托換梁截面示意圖／mm

圖6 連接鍵截面圖／mm

2.2 內置H型鋼混凝土托換梁設計

采用該墻柱間托換方式，托換梁為主受剪深梁構件［10］，鋼筋混凝土托換梁梁高1.4m，托換梁梁高過大且自重過大，導致地下室層高減小，無法充分利用待開發地下室，因此提出型鋼混凝土（SRC）梁即H型鋼混凝土梁用于地下增層，以減小梁高［11-12］，優化原托換方案。

2.2.1 設計思路

改變托換梁截面尺寸為500 mm×1000 mm，混凝土強度等級為C40，鋼材為Q235B，H型鋼型號為HM550 mm×300 mm×11／18 mm。

對托換梁分別進行剪力與彎矩內力分析，內置H型鋼混凝土托換梁剪力圖（剪力圖中剪力為托換梁梁端剪力）與彎矩圖（彎矩圖中托換梁下方數值為梁跨中正彎矩，托換梁兩側數值為支座處負彎矩）如圖7、8所示。

圖7 內置H型鋼混凝土托換梁整體剪力平面圖／kN

圖8 內置H型鋼混凝土托換梁整體彎矩平面圖／（kN·m）

2.2.2 內力分析結果

與鋼筋混凝土托換梁相比，內置H型鋼混凝土梁剪力最大值從2918.4 kN減小到2808.7 kN，內置H型鋼混凝土梁跨中正彎矩最大值從4928.3 kN·m減小到4068.1 kN·m，比原托換梁正彎矩減小約17%；樁梁接頭負彎矩最大值從2968.2 kN·m增大到3577.7 kN·m，比原托換梁負彎矩增大約20%。

2.2.3 托換梁設計

選取同一托換梁標準5跨一榀框架，對托換梁進行配筋設計。混凝土強度C40，主筋HRB400，箍筋HRB335，H 型 鋼 Q235B，550 mm ×300 mm ×11／18 mm，fc、fy、fyv、fa分 別 為 19.1、360、300、215 N／mm2，截面尺寸為500 mm×1000 mm，梁跨度5.5 m。根據JGJ 138—2016《組合結構技術規程》中第5.2.1與5.2.5條進行配筋設計［12］得：跨中受拉區縱向普通鋼筋截面面積As為5723.2 mm2，跨中受壓區縱向普通鋼筋截面面積A′s為1910.5 mm2，跨中受壓區縱向普通鋼筋截面面積Asv為283.3 mm2；端部受拉區縱向普通截面面積As為3953.9 mm2，端部受壓區縱向普通鋼筋截面面積A′s為1500.0 mm2，端部受壓區縱向普通鋼筋截面面積Asv為283.3 mm2。配筋結果見表2，梁截面圖如圖9所示。

表2 內置H型鋼混凝土托換梁配筋結果表

圖9 內置H型鋼混凝土托換梁截面示意圖／mm

托換梁梁端1.5 m內進行箍筋加密，梁高每200 mm設置12腰筋，并對H型鋼上下處腰筋設置8拉筋。

由此可見，托換梁采用內置H型鋼后，可明顯提高抗剪能力，構件自重、截面高度與內力明顯減少，有利于提高地下室凈空。

2.3 內置H型鋼混凝土托換梁進行基坑支護

地下增層開挖地下室前一般需進行基坑支護，將托換梁同時作為基坑支護的水平支撐構件進行使用，如圖10所示。此舉不僅減少了基坑支護費用，托換梁端部施加軸力還可進一步提高梁的抗剪能力［14-15］。

圖10 托換梁兼作基坑支護的水平支撐示意圖

2.3.1 設計思路與內力分析結果

托換梁截面與內置H型鋼混凝土梁相同，對A至H軸托換梁兩端分別施加軸向壓力。根據該工程地質勘察報告，該處土質為雜質土含粉質黏土，其指標是土層深度為6 m、容重為19.2 kN／m3、黏聚力為22 kPa、內摩擦角為16°。托換梁沿A至H軸水平間距為4 m，豎向間距為5.2 m，按照靜止土壓力計算，梁頂標高±0.000 m處水平支撐所受最大軸向集中力為1038.34 kN。

由于集中力軸向作用在托換梁梁端，對托換梁剪力與彎矩無明顯影響。

2.3.2 托換梁設計

同樣選取同一托換梁標準5跨一榀框架，對托換梁進行配筋設計。設計參數與內置H型鋼混凝土托換梁設計相同。

根據 JGJ 138—2016《組合結構技術規程》第5.2.1與5.2.5條以及 GB 50010—2015《混凝土結構設計規范》第6.3.12條進行配筋設計得：跨中受拉區縱向普通鋼筋截面面積As為5723.2 mm2，跨中受壓區縱向普通鋼筋截面面積A′s為1910.5 mm2，跨中同一截面內箍筋各肢全部截面面積Asv為307.1 mm2；端部受拉區縱向普通鋼筋截面面積As為3953.9 mm2，端部受壓區縱向普通鋼筋截面面積 A′s為1500.0 mm2，端部同一截面內箍筋各肢全部截面面積Asv為307.1mm2。配筋結果見表3，梁截面圖如圖11所示。

表3 內置H型鋼混凝土托換梁配筋結果表

圖11 內置H型鋼混凝土托換梁截面示意圖／mm

托換梁梁端1.5 m內進行箍筋加密，梁高每200 mm設置12腰筋，并對H型鋼上下處腰筋設置8拉筋。

由此可見，將托換梁兼作基坑支護水平支撐，不僅減少另作支撐費用，還可以進一步減少抗剪所需箍筋。

3 結論

（1）采用在豎向構件中間位置設置托換樁支撐上部結構，托換梁中部承受上部框架柱傳遞的集中力或剪力墻傳遞的均布荷載，梁設計為兩側夾柱（墻）的雙梁，托換梁為主受剪深受彎構件。

（2）按普通鋼筋混凝土深受彎構件設計托換梁，梁的高度達到1.4 m，梁高過大導致地下室層高減小，設計可進行優化；而按照內置H型鋼設計托換梁，可明顯提高梁抗剪能力，梁高可降為1.0 m，可獲得更大凈空。

（3）將內置H型鋼托換梁兼作支護結構水平支撐，即對托換梁梁端施加軸向集中力，不僅減少了另作支護費用，還可以增加托換梁抗剪能力，進一步減少托換梁箍筋。

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