滾軸布置形式對托換節(jié)點托件破壞形態(tài)的影響研究

司道林

(濟南工程職業(yè)技術學院 工程管理學院， 山東 濟南 250200)

當前，建筑物移位改造技術廣泛的應用在城市整體提升改造、建筑物新舊動能轉換和古建筑保護中，但是，我國對建筑物移位改造技術的研究還明顯落后于工程實踐，其中所需牽引力的大小無統(tǒng)一計算規(guī)范,托換梁的設計方法缺乏規(guī)范依據(jù),托換節(jié)點構造沒有統(tǒng)一的理論指導[1]?，F(xiàn)階段建筑物移位改造技術主要應用于框架結構，框架柱的托換是整個移位改造過程的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響到平移過程中建筑物的穩(wěn)定性和安全性，是整體平移成功與否的一項關鍵技術。

在建筑物移位改造技術實際應用中，對框架柱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土包裹式托換已經(jīng)被廣泛的應用。魯能文昌山海天精品酒店整體移位工程[2]、文昌魯能淇水灣度假綜合體整體移位工程[3]、萊蕪高新區(qū)管委會辦公樓整體移位工程[4]、濟南宏濟堂平移與抗震加固工程[5]、濟南緯六路“老洋行”平移與抗震加固工程[6]、濟南工程職業(yè)技術學院3#教學樓整體移位工程[7]等工程實例中，研究介紹了整體移位的設計內容及過程，并提出設計思路設想，特別是托換結構的設計，分析出托換節(jié)點倒置牛腿的計算模型，該模型在變形和配筋計算上具有較明顯的優(yōu)越性，但缺乏理論支撐[8]。山東建筑大學工程鑒定加固所根據(jù)實際工程經(jīng)驗，綜合考慮相關影響因素，分析了托換梁剪跨比[9]、縱筋配筋情況[10]、配箍率及混凝土結合面的處理方式[11]對托換節(jié)點的影響，并得出托換節(jié)點承載力的設計公式[12]。研究的框架柱托換節(jié)點采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土包裹式托換技術，即采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土行走梁和聯(lián)系梁組成托換梁對框架柱進行托換。本文通過托換節(jié)點的縮尺模型試驗，研究和分析托換梁下滾軸的不同布置形式對托換節(jié)點的承載力及破壞形態(tài)的影響，為今后建筑物整體平移技術的實際應用提供依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試件設計

本試驗為靜力加載試驗，考慮托換梁縱筋配筋情況、混凝土強度、混凝土結合面的處理方式等影響因素，設計4組(每組2件，分為A和B)框架柱托換節(jié)點的縮尺模型，柱的截面尺寸取300 mm×300 mm，試件尺寸及配筋如圖1所示，圖中a為柱邊長，b為托換梁寬，l為托換梁外挑長度，h為托換梁高，L為試件總長，B為試件總寬。試件基本參數(shù)見表1。其中，柱和托換梁采用不同等級混凝土強度分批澆注，先澆筑柱構件，等柱構件達到設計強度后澆筑托換梁體系，最終形成托換節(jié)點，柱與托換梁的結合面處全部鑿毛，鑿毛深度10 mm。

(a)側立面 (b)正立面 (c)平面圖 圖1 托換結構配筋示意圖

試件編號柱混凝土強度等級托換梁混凝土強度等級托換梁寬b/mm托換梁高h/mm托換梁外挑長度l/mm試件總長L/mm箍筋縱筋每側面插筋1C20C251252003001150?6@1802?1402C20C251253003001150?8@1502?122?123C30C351252003001150?8@1002?121?144C30C351253003001150?6@1253?100

注：①縱筋配筋率、配箍率均滿足《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010—2010；

②連梁與行走梁的截面尺寸、配筋情況一樣。

試件滾軸布置形式如圖2所示，每組的A試件滾軸從行走梁懸挑根部往外布置為滾軸正常布置位置(圖2(a))；試件JD2-B和JD4-B滾軸內移至柱的邊緣處(圖2(b));試件JD1-B和JD3-B沿行走梁滿布滾軸(圖2(c))。

(a)滾軸正常布置 (b)滾軸內移布置 (c)滾軸滿布 圖2 滾軸布置形式示意圖

1.2 試驗加載及量測

試驗采用液壓千斤頂對試件進行加載，如圖3所示。荷載加載等級取為25 kN，每級加載保持時間為3 min，在臨近開裂或破壞時減小加載步距，直至構件破壞。在試驗過程中，量測內容包括豎向荷載值、梁柱相對豎向位移、托換梁豎向位移、混凝土應變、鋼筋應變、滾軸應變和托換梁的裂縫開展情況。每個測點布置2個應變片量測相應數(shù)值，以達到試驗量測要求。豎向荷載采用荷載傳感器量測，梁柱相對豎向位移及托換梁的豎向位移采用機械百分表進行量測，鋼筋應變和混凝土應變分別采用相應的電阻式應變片進行量測，并由數(shù)據(jù)采集儀和靜態(tài)應變儀采集數(shù)據(jù)。

2 試驗過程及現(xiàn)象

2.1 滾軸正常布置

以試件JD2-A為例進行說明,試件JD2-A破壞形態(tài)如圖4所示。根據(jù)荷載-應變曲線及荷載-撓度曲線可知：試件JD2-A開裂荷載為150 kN(見圖4(a))，開裂位置在行走梁跨中；連梁在300 kN時出現(xiàn)斜裂縫。荷載增至400 kN，裂縫逐漸變寬，彎曲裂縫向跨中發(fā)展(見圖4(c))，此時支座處(外挑根部)縱向鋼筋拉應力迅速提高，但跨中處的縱向鋼筋應力變化不明顯(見圖4(b))。荷載增至500 kN，裂縫寬度變化明顯加快，行走梁跨中縱向鋼筋拉應力迅速提高(見圖4(a))，兩側斜裂縫逐漸貫通。加載至700 kN，JD2-A行走梁上形成了剪切型的拱形大裂縫，裂縫寬度最大處達3.5 mm，導致構件發(fā)生彎剪破壞(見圖4(c))。構件破壞時，柱與梁結合面相對位移很小，行走梁跨中撓度較大，其中行走梁跨中最大撓度為5.99 mm。

(a)JD2-A荷載-跨中縱筋應變曲線 (b)JD2-A行走梁跨中撓度曲線圖

(c)JD2-A破壞時行走梁裂縫情況圖4 JD2-A破壞形態(tài)圖

2.2 滾軸內移至柱的邊緣布置

以試件JD2-B為例進行說明,試件JD2-B破壞形態(tài)如圖5所示。根據(jù)荷載-應變曲線及荷載-撓度曲線可知：試件JD2-B開裂荷載也為150 kN，開裂位置在行走梁外挑根部，同時連梁出現(xiàn)跨中豎向裂縫(見圖5(c))。加載到300 kN，行走梁跨中縱筋應變曲線出現(xiàn)一個拐點(見圖5(a))，此時新舊混凝土結合面相對位移開始變化明顯(見圖5(b))。加載到600 kN，行走梁跨中縱向鋼筋拉應力迅速提高(見圖5(a))，接近屈服。加載至950 kN，行走梁跨中縱向鋼筋屈服，導致構件發(fā)生受彎破壞。此時，梁柱結合面相對位移持續(xù)增大，底部破壞嚴重。

(a)JD2-B荷載-跨中縱筋應變曲線 (b)JD2-B行走梁跨中撓度曲線圖

(c)JD2-B破壞時行走梁裂縫情況圖5 JD2-B破壞形態(tài)圖

2.3 滾軸滿布

以試件JD3-B為例進行說明,其破壞形態(tài)如圖6所示。試件JD3-B開裂荷載為50 kN，開裂位置在行走梁外挑根部(見圖6(c))；連梁在175 kN時先出現(xiàn)跨中裂縫，隨后在250 kN時出現(xiàn)斜裂縫(見圖6(a))。荷載加至700 kN，新舊混凝土梁柱結合面相對滑移突然增大。荷載加至800 kN，托換梁頂沿柱四邊出現(xiàn)水平裂縫，柱腳、柱邊混凝土有壓碎現(xiàn)象(見圖6(b))。荷載加至900 kN，柱突然下沉，荷載無法穩(wěn)定，導致構件發(fā)生結合面沖切破壞。破壞時，行走梁縱向鋼筋沒有達到屈服，行走梁破壞程度較輕，撓曲并不明顯。

圖6 JD3-B破壞形態(tài)圖

3 試驗結果分析

3.1 托換梁滾軸布置情況對梁柱結合面相對位移的影響

3.1.1 滾軸內移對梁柱結合面相對位移的影響

圖7為滾軸正常布置與滾軸內移時梁柱相對位移曲線圖。滾軸正常布置的試件JD2-A，在荷載加至400 kN時，梁柱相對位移曲線出現(xiàn)拐點，且加載過程中，滾軸內移試件梁柱相對位移變化率較大(見圖7(a))。滾軸內移試件JD2-B，荷載加至200 kN，梁柱相對位移曲線出現(xiàn)拐點(見圖7(b))，此后梁柱新舊混凝土結合面的相對位移變化開始增大，而滾軸內移構件最終破壞是由行走梁懸挑根部縱筋受彎屈服導致，因此，最終破壞時，滾軸內移試件結合面相對位移值與滾軸正常布置時結合面相對位移值相差不大。

(a)JD2-A梁柱相對位移曲線 (b)JD2-B梁柱相對位移曲線圖7 滾軸正常布置與滾軸內移時梁柱相對位移曲線圖

3.1.2 滾軸滿布對梁柱結合面相對位移的影響

圖8為滾軸正常布置與滾軸滿布時梁柱相對位移曲線圖。滾軸正常布置時，試件JD3-A結合面相對位移變化不大，加載至350 kN才出現(xiàn)拐點(見圖8(a))。而滾軸滿布試件JD3-B(見圖8(b))從加載初期開始結合面相對位移就持續(xù)增加，梁柱相對位移變化率較大，最終，由于梁柱結合面相對位移急劇增大導致試件破壞。

(a)JD3-A梁柱相對位移曲線 (b)JD3-B梁柱相對位移曲線圖8 滾軸正常布置與滾軸滿布時梁柱相對位移曲線圖

3.2 托換梁滾軸布置情況對構件承載力的影響

3.2.1 滾軸內移對構件承載力的影響

滾軸內移跟滾軸正常放置時相比，開裂荷載相同，都先出現(xiàn)在行走梁上,破壞荷載提高25%～36%，見表2。最終破壞時，滾軸內移至柱邊的構件的梁柱新舊混凝土結合面的相對位移較大，這表明滾軸內移之后加劇了梁柱新舊混凝土結合面的破壞。但是滾軸內移構件最終破壞是由于行走梁懸挑根部縱筋受彎屈服，導致構件結合面滑移增大，均屬于受彎破壞。

3.2.2 滾軸滿布對構件承載力的影響

滾軸滿布的構件跟輥軸正常放置的構件相比，開裂荷載大致相同，都先出現(xiàn)在行走梁上；破壞荷載都大約提高了一倍，見表3。在行走梁下滿布滾軸的情況下，柱下的滾軸能夠抵抗行走梁的彎曲變形，能夠有效地抵抗彎矩，限制行走梁撓度增大，并達到了限制行走梁裂縫寬度的作用。在這個破壞過程中，構件的結合面破壞較嚴重，其破壞類型為結合面沖切破壞。

表2 滾軸內移與滾軸正常布置時的試件開裂荷載和破壞荷載

表3 滾軸滿布與滾軸正常布置時的試件開裂荷載和破壞荷載

4 結論

(1)滾軸內移至柱邊緣的構件破壞荷載提高25%～36%；滾軸滿布構件破壞荷載都提高了一倍。因此，增大托換梁與滾軸的接觸范圍(滾軸內移或滾軸滿布)，可以能夠提高構件的承載力。在實際工程應用中應盡量保證托換梁下滾軸均勻滿布，減小托換梁的變形，提高托換節(jié)點的承載力。

(2)滾軸內移至柱邊緣的構件破壞時，托換梁與柱的結合面產(chǎn)生較大滑移，最終托換梁縱筋屈服導致構件破壞，發(fā)生受彎破壞。滾軸滿布的構件破壞時，托換梁由于滾軸的抵抗而變形較小，縱筋沒有達到屈服破壞；梁與柱結合面滑移很大，發(fā)生結合面沖切破壞；連梁破壞嚴重，成為托換體系的薄弱環(huán)節(jié)。

(3)滾軸內移和滾軸滿布都使構件梁柱結合面變得更加薄弱，托換節(jié)點的破壞形態(tài)由行走梁的彎剪破壞轉變?yōu)榱褐屡f混凝土結合面的滑移破壞，可作為新舊混凝土咬合強度的研究依據(jù)。