轉換梁主動托換加層梁柱節點設計研究

李有志，石軍樂，劉艾軒

（1.深圳市市政工程總公司，廣東 深圳 518033；2.深圳市天健（集團）股份有限公司，廣東 深圳 518033）

1 研究背景

城市快速發展，導致用地規模和城市容量需求不斷擴大，空間資源的緊缺已經成為制約深圳市城市發展的重要因素。城市地下空間不僅是有效的防護空間，還是完善的步行網絡，可以安排基礎配套設施。有序、合理地開發利用城市地下空間有助于提升城市功能，提高土地價值，緩解城市快速發展所帶來的土地和交通壓力，是實現城市循環經濟、促進城市可持續發展的重要舉措。像深圳這樣汽車擁有量超高的一線城市，核心老城區停車位奇缺的矛盾日益突出，給市民的汽車出行帶來了極大的困擾，而在既有建筑物下增加地下車庫為解決老城區停車難的問題提供了可行的解決方案，地下加層設計中，上部結構的托換方式是關鍵的技術問題。

2 托換方式

2.1 原位托換

原位托換，是指不設置托換梁，在原柱位處向下增設新柱、新基礎完成轉換的一種托換方法。此方法使建筑物上部荷載直接向下傳至新增基礎，傳力途徑較為直接，設計較為簡單，但施工過程較為煩瑣，存在多次拆除舊混凝土柱、基礎的工序。新舊構件連接的可靠性是托換的關鍵問題（見圖1）。

圖1 原位托換

2.2 樁（柱）梁式托換

根據增建的地下室平面布置和功能要求，方便施工等因素，布置轉換梁托換上部柱，完成樁基和轉換梁的施工，再截斷拆除轉換梁下的基礎、原建筑物柱子，實現兩種轉換，增加地下空間。梁柱節點的設計是本托換形式的關鍵（見圖2）。

圖2 樁柱梁式托換

3 梁式托換梁柱節點設計

托換梁與原結構柱連接節點是受力轉換的關鍵部位，梁柱連接方式及其可靠性至關重要，以下是幾種可行的原柱與托換梁的連接節點。

鑿除托換梁高度范圍內原結構柱的保護層，漏出原結構的縱筋，將界面處水泥砂漿層清理干凈，只保留粗骨料；在柱左右兩側沿托換梁高度范圍均勻植入抗剪鋼筋，再進行托換梁混凝土澆筑（見圖3）。

圖3 托換梁與原結構柱連接

4 規范要求

《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367—2013）關于新舊混凝土界面的設計處理，只是針對影響界面抗剪的一些主要因素給出了定性的要求或構造規定，并沒有給出界面抗剪強度的計算公式。考慮到被托換柱與托換梁之間的節點連接為不同時期澆筑的新舊混凝土，其連接節點的抗剪承載力參考歐洲規范PrEN-1992-1-1第6.2.5條規定進行驗算（見表1）。公式如下：

式中：fctd為混凝土抗拉強度設計值；fcd為混凝土抗壓強度設計值；Ac為剪切平面面積；N為與剪力同時存在的垂直于剪切平面的軸向力，壓正拉負；As為抗剪鋼筋面積；fy為抗剪鋼筋屈服強度；α為抗剪鋼筋于剪切平面的夾角（取銳角）；fck為混凝土軸心抗壓強度標準值；45°≤α≤90°（見圖4）。；ν為開裂混凝土抗剪強度折減系數，ν=0.6（1-fck/250）。

表1 歐洲規范PrEN-1992-1-1 c值與μ值

圖4 抗剪鋼筋于剪切平面的夾角示意圖

按原結構柱的混凝土強度等級為C35，可得知fctd=1.57N/mm2，fcd=16.7N/mm2，fck=23.4N/mm2； 新 增 抗 剪鋼筋牌號為HRB400，fy=360N/mm2。

5 計算分析

按照典型的被托換柱截面為500mm×700mm，被托換柱與托換梁共有4個互相接觸的剪切平面，與托換梁梁高為1200mm（建模計算時按1000mm，由于此處節點連接復雜，因此建議適當增加梁高），Ac=（500+700）×1200×2=2880000mm2；另外抗剪鋼筋植入原結構柱時，需考慮避開原有的結構柱的縱向鋼筋，4個剪切平面按照200mm間隔設置6排且每排4Ф20抗剪鋼筋，As=3.14×102×24×4=30144mm2。另外，N=0、α=90°、ν=0.6×（1-23.4÷250）=0.54；此節點形式為新舊混凝土界面表面經過粗糙化處理，查表可知，c=0.45，μ=0.7。Vu≤cfctdAc+μN+Asfy（μsinα+cosα）；Vu≤0.45×1.57×2880000+0+30144×360×（0.7×sin90 ° +cos90 °）=2034720+7596288=9631008N=9631kN；Vu≤0.5νfcdAc≤0.5×0.54×16.7×2880000=12985920N=12985kN。比較取小值，故取Vu=9631kN。

另參考《建筑結構》2016年8月上所刊登的《新老混凝土界面抗剪強度計算方法》中經驗公式，對連接節點的抗剪承載力進行驗算：

式中：Vc為由新老混凝土界面提供的黏結抗剪力；Vs為植入鋼筋提供的抗剪力；Ac為新老混凝土界面面積；τc為新老混凝土黏結抗剪能力；τs為植筋所提供抗剪能力；ρsv為界面植筋率，；fv為混凝土黏結的抗剪強度設計值；fy為植入鋼筋的抗拉強度設計值。

經復核兩種不同的計算方式所得出的抗剪承載力，均大于Nmax工況下被托換柱中最大的柱底內力4208kN，根據計算結果推斷此節點形式可滿足設計要求。

6 結論

（1）地下加層托換方法的確定要充分考慮上部結構的結構形式、基礎形式、加層的功能以及方便施工等因素，合理選擇托換方式。（2）新舊混凝土之間的黏結力是確保梁柱節點可靠連接的關鍵。上部結構柱與轉換梁的連接基本上要靠新舊混凝土的咬合力來傳遞柱的豎向軸力，一旦施工過程中結構柱與托換梁之間產生相對滑移即視為失效。建議在施工前進行節點受荷試驗，確保梁柱節點連接的可靠度。（3）施加預應力，主動控制上部結構的沉降量，托換梁的彎矩值、撓度、裂縫均有不同程度的減少，故施加預應力可在一定程度上提高托換梁的可靠度。