滚轴布置形式对托换节点托件破坏形态的影响研究

司道林

(济南工程职业技术学院 工程管理学院， 山东 济南 250200)

当前，建筑物移位改造技术广泛的应用在城市整体提升改造、建筑物新旧动能转换和古建筑保护中，但是，我国对建筑物移位改造技术的研究还明显落后于工程实践，其中所需牵引力的大小无统一计算规范,托换梁的设计方法缺乏规范依据,托换节点构造没有统一的理论指导[1]。现阶段建筑物移位改造技术主要应用于框架结构，框架柱的托换是整个移位改造过程的关键环节，直接影响到平移过程中建筑物的稳定性和安全性，是整体平移成功与否的一项关键技术。

在建筑物移位改造技术实际应用中，对框架柱采用现浇钢筋混凝土包裹式托换已经被广泛的应用。鲁能文昌山海天精品酒店整体移位工程[2]、文昌鲁能淇水湾度假综合体整体移位工程[3]、莱芜高新区管委会办公楼整体移位工程[4]、济南宏济堂平移与抗震加固工程[5]、济南纬六路“老洋行”平移与抗震加固工程[6]、济南工程职业技术学院3#教学楼整体移位工程[7]等工程实例中，研究介绍了整体移位的设计内容及过程，并提出设计思路设想，特别是托换结构的设计，分析出托换节点倒置牛腿的计算模型，该模型在变形和配筋计算上具有较明显的优越性，但缺乏理论支撑[8]。山东建筑大学工程鉴定加固所根据实际工程经验，综合考虑相关影响因素，分析了托换梁剪跨比[9]、纵筋配筋情况[10]、配箍率及混凝土结合面的处理方式[11]对托换节点的影响，并得出托换节点承载力的设计公式[12]。研究的框架柱托换节点采用现浇钢筋混凝土包裹式托换技术，即采用现浇钢筋混凝土行走梁和联系梁组成托换梁对框架柱进行托换。本文通过托换节点的缩尺模型试验，研究和分析托换梁下滚轴的不同布置形式对托换节点的承载力及破坏形态的影响，为今后建筑物整体平移技术的实际应用提供依据。

1 试验设计

1.1 试件设计

本试验为静力加载试验，考虑托换梁纵筋配筋情况、混凝土强度、混凝土结合面的处理方式等影响因素，设计4组(每组2件，分为A和B)框架柱托换节点的缩尺模型，柱的截面尺寸取300 mm×300 mm，试件尺寸及配筋如图1所示，图中a为柱边长，b为托换梁宽，l为托换梁外挑长度，h为托换梁高，L为试件总长，B为试件总宽。试件基本参数见表1。其中，柱和托换梁采用不同等级混凝土强度分批浇注，先浇筑柱构件，等柱构件达到设计强度后浇筑托换梁体系，最终形成托换节点，柱与托换梁的结合面处全部凿毛，凿毛深度10 mm。

(a)侧立面 (b)正立面 (c)平面图 图1 托换结构配筋示意图

试件编号柱混凝土强度等级托换梁混凝土强度等级托换梁宽b/mm托换梁高h/mm托换梁外挑长度l/mm试件总长L/mm箍筋纵筋每侧面插筋1C20C251252003001150ϕ6@1802ϕ1402C20C251253003001150ϕ8@1502ϕ122ϕ123C30C351252003001150ϕ8@1002ϕ121ϕ144C30C351253003001150ϕ6@1253ϕ100

注：①纵筋配筋率、配箍率均满足《混凝土结构设计规范》GB50010—2010；

②连梁与行走梁的截面尺寸、配筋情况一样。

试件滚轴布置形式如图2所示，每组的A试件滚轴从行走梁悬挑根部往外布置为滚轴正常布置位置(图2(a))；试件JD2-B和JD4-B滚轴内移至柱的边缘处(图2(b));试件JD1-B和JD3-B沿行走梁满布滚轴(图2(c))。

(a)滚轴正常布置 (b)滚轴内移布置 (c)滚轴满布 图2 滚轴布置形式示意图

1.2 试验加载及量测

试验采用液压千斤顶对试件进行加载，如图3所示。荷载加载等级取为25 kN，每级加载保持时间为3 min，在临近开裂或破坏时减小加载步距，直至构件破坏。在试验过程中，量测内容包括竖向荷载值、梁柱相对竖向位移、托换梁竖向位移、混凝土应变、钢筋应变、滚轴应变和托换梁的裂缝开展情况。每个测点布置2个应变片量测相应数值，以达到试验量测要求。竖向荷载采用荷载传感器量测，梁柱相对竖向位移及托换梁的竖向位移采用机械百分表进行量测，钢筋应变和混凝土应变分别采用相应的电阻式应变片进行量测，并由数据采集仪和静态应变仪采集数据。

2 试验过程及现象

2.1 滚轴正常布置

以试件JD2-A为例进行说明,试件JD2-A破坏形态如图4所示。根据荷载-应变曲线及荷载-挠度曲线可知：试件JD2-A开裂荷载为150 kN(见图4(a))，开裂位置在行走梁跨中；连梁在300 kN时出现斜裂缝。荷载增至400 kN，裂缝逐渐变宽，弯曲裂缝向跨中发展(见图4(c))，此时支座处(外挑根部)纵向钢筋拉应力迅速提高，但跨中处的纵向钢筋应力变化不明显(见图4(b))。荷载增至500 kN，裂缝宽度变化明显加快，行走梁跨中纵向钢筋拉应力迅速提高(见图4(a))，两侧斜裂缝逐渐贯通。加载至700 kN，JD2-A行走梁上形成了剪切型的拱形大裂缝，裂缝宽度最大处达3.5 mm，导致构件发生弯剪破坏(见图4(c))。构件破坏时，柱与梁结合面相对位移很小，行走梁跨中挠度较大，其中行走梁跨中最大挠度为5.99 mm。

(a)JD2-A荷载-跨中纵筋应变曲线 (b)JD2-A行走梁跨中挠度曲线图

(c)JD2-A破坏时行走梁裂缝情况图4 JD2-A破坏形态图

2.2 滚轴内移至柱的边缘布置

以试件JD2-B为例进行说明,试件JD2-B破坏形态如图5所示。根据荷载-应变曲线及荷载-挠度曲线可知：试件JD2-B开裂荷载也为150 kN，开裂位置在行走梁外挑根部，同时连梁出现跨中竖向裂缝(见图5(c))。加载到300 kN，行走梁跨中纵筋应变曲线出现一个拐点(见图5(a))，此时新旧混凝土结合面相对位移开始变化明显(见图5(b))。加载到600 kN，行走梁跨中纵向钢筋拉应力迅速提高(见图5(a))，接近屈服。加载至950 kN，行走梁跨中纵向钢筋屈服，导致构件发生受弯破坏。此时，梁柱结合面相对位移持续增大，底部破坏严重。

(a)JD2-B荷载-跨中纵筋应变曲线 (b)JD2-B行走梁跨中挠度曲线图

(c)JD2-B破坏时行走梁裂缝情况图5 JD2-B破坏形态图

2.3 滚轴满布

以试件JD3-B为例进行说明,其破坏形态如图6所示。试件JD3-B开裂荷载为50 kN，开裂位置在行走梁外挑根部(见图6(c))；连梁在175 kN时先出现跨中裂缝，随后在250 kN时出现斜裂缝(见图6(a))。荷载加至700 kN，新旧混凝土梁柱结合面相对滑移突然增大。荷载加至800 kN，托换梁顶沿柱四边出现水平裂缝，柱脚、柱边混凝土有压碎现象(见图6(b))。荷载加至900 kN，柱突然下沉，荷载无法稳定，导致构件发生结合面冲切破坏。破坏时，行走梁纵向钢筋没有达到屈服，行走梁破坏程度较轻，挠曲并不明显。

图6 JD3-B破坏形态图

3 试验结果分析

3.1 托换梁滚轴布置情况对梁柱结合面相对位移的影响

3.1.1 滚轴内移对梁柱结合面相对位移的影响

图7为滚轴正常布置与滚轴内移时梁柱相对位移曲线图。滚轴正常布置的试件JD2-A，在荷载加至400 kN时，梁柱相对位移曲线出现拐点，且加载过程中，滚轴内移试件梁柱相对位移变化率较大(见图7(a))。滚轴内移试件JD2-B，荷载加至200 kN，梁柱相对位移曲线出现拐点(见图7(b))，此后梁柱新旧混凝土结合面的相对位移变化开始增大，而滚轴内移构件最终破坏是由行走梁悬挑根部纵筋受弯屈服导致，因此，最终破坏时，滚轴内移试件结合面相对位移值与滚轴正常布置时结合面相对位移值相差不大。

(a)JD2-A梁柱相对位移曲线 (b)JD2-B梁柱相对位移曲线图7 滚轴正常布置与滚轴内移时梁柱相对位移曲线图

3.1.2 滚轴满布对梁柱结合面相对位移的影响

图8为滚轴正常布置与滚轴满布时梁柱相对位移曲线图。滚轴正常布置时，试件JD3-A结合面相对位移变化不大，加载至350 kN才出现拐点(见图8(a))。而滚轴满布试件JD3-B(见图8(b))从加载初期开始结合面相对位移就持续增加，梁柱相对位移变化率较大，最终，由于梁柱结合面相对位移急剧增大导致试件破坏。

(a)JD3-A梁柱相对位移曲线 (b)JD3-B梁柱相对位移曲线图8 滚轴正常布置与滚轴满布时梁柱相对位移曲线图

3.2 托换梁滚轴布置情况对构件承载力的影响

3.2.1 滚轴内移对构件承载力的影响

滚轴内移跟滚轴正常放置时相比，开裂荷载相同，都先出现在行走梁上,破坏荷载提高25%～36%，见表2。最终破坏时，滚轴内移至柱边的构件的梁柱新旧混凝土结合面的相对位移较大，这表明滚轴内移之后加剧了梁柱新旧混凝土结合面的破坏。但是滚轴内移构件最终破坏是由于行走梁悬挑根部纵筋受弯屈服，导致构件结合面滑移增大，均属于受弯破坏。

3.2.2 滚轴满布对构件承载力的影响

滚轴满布的构件跟辊轴正常放置的构件相比，开裂荷载大致相同，都先出现在行走梁上；破坏荷载都大约提高了一倍，见表3。在行走梁下满布滚轴的情况下，柱下的滚轴能够抵抗行走梁的弯曲变形，能够有效地抵抗弯矩，限制行走梁挠度增大，并达到了限制行走梁裂缝宽度的作用。在这个破坏过程中，构件的结合面破坏较严重，其破坏类型为结合面冲切破坏。

表2 滚轴内移与滚轴正常布置时的试件开裂荷载和破坏荷载

表3 滚轴满布与滚轴正常布置时的试件开裂荷载和破坏荷载

4 结论

(1)滚轴内移至柱边缘的构件破坏荷载提高25%～36%；滚轴满布构件破坏荷载都提高了一倍。因此，增大托换梁与滚轴的接触范围(滚轴内移或滚轴满布)，可以能够提高构件的承载力。在实际工程应用中应尽量保证托换梁下滚轴均匀满布，减小托换梁的变形，提高托换节点的承载力。

(2)滚轴内移至柱边缘的构件破坏时，托换梁与柱的结合面产生较大滑移，最终托换梁纵筋屈服导致构件破坏，发生受弯破坏。滚轴满布的构件破坏时，托换梁由于滚轴的抵抗而变形较小，纵筋没有达到屈服破坏；梁与柱结合面滑移很大，发生结合面冲切破坏；连梁破坏严重，成为托换体系的薄弱环节。

(3)滚轴内移和滚轴满布都使构件梁柱结合面变得更加薄弱，托换节点的破坏形态由行走梁的弯剪破坏转变为梁柱新旧混凝土结合面的滑移破坏，可作为新旧混凝土咬合强度的研究依据。