CN114991521B - 一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造,包括:托换梁,所述托换梁设置在砌体两侧;托换型钢销键,所述托换型钢销键贯穿砌体并与所述托换梁浇筑为一体,多个所述托换型钢销键间隔设置;隔震支座,所述隔震支座间隔布置在砌体的纵横墙下及纵横墙相交处或构造柱下。本申请提供的既有砌体结构托换梁的设计方法思路清晰,计算复核方法简单,构造方式简单,施工操作方便,安全可靠,便于广泛推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程,砌体结构隔震改造领域,具体涉及一种托换梁的构造和设计方法。
背景技术
砌体结构是以砖和砌块作为承重材料的建筑结构,因为技术要求低、建设成本低、施工简单在低多层建筑中大量使用,特别是上个世纪我国经济还比较落后时,在住宅、办公、医院和学校等建筑中大量使用,现存的砌体结构房屋总面积超过一百亿平米。由于砌体是脆性材料,强度较低,因此砌体结构房屋抗震性能较差,建造房屋的层数和高度也较低,唐山地震和汶川地震有大量的砌体结构房屋倒塌,造成重大人员伤亡。
随着经济的发展,人们生活水平的提高,对建筑物的安全性特别是抗震性能的要求也越来越高,很多砌体结构的建筑已无法满足需求,对于这样的建筑,需要进行拆除或者加固处理。对于我国这么庞大的存量砌体结构,全部拆除不现实,也是巨大的浪费,因此,大部分都是采用加固的方法保证结构的安全性。
现有的加固技术主要分为刚性加固和柔性加固技术。刚性加固技术即是在砌体表面附加钢筋混凝土等材料提高砌体结构的强度,从而提升安全性;柔性加固即是采用减隔震技术,在砌体结构的底部增设隔震层,在上部结构和基础之间设置隔震支座,可以大幅度减小地震作用,以柔克刚,从而提高建筑的安全性。相关资料表明,增设隔震层后,地震作用可以减小80%以上。因此,一般认为,隔震加固后安全性更高。我国2021年9月开始执行的《建设工程抗震管理条例》也是把隔震技术作为重点推广的技术。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的是提供一种托换梁的构造和设计方法,保证既有砌体结构的荷载通过此托换梁可靠传递至隔震支座。
(二)技术方案:
为实现以上目的,本发明通过以下技术构造和设计方法实现:
一种既有砌体的隔震加固结构,包括:
托换梁,所述托换梁设置在砌体两侧;
托换型钢销键,所述托换型钢销键贯穿砌体并与所述托换梁浇筑为一体,多个所述托换型钢销键间隔设置;
隔震支座,所述隔震支座间隔布置在砌体的纵横墙下及纵横墙相交处或构造柱下。
进一步地,所述隔震支座均匀间隔设置,间距L1不大于底层窗下墙高度H1和托换梁的高度H2之和,即L1≤H1+H2。
进一步地,托换型钢销键包括托换型钢梁和膨胀混凝土,托换型钢梁容置于砌体结构上预设的销键孔内,并且埋入托换梁的深度不小于两倍托换型钢梁高度,所述膨胀混凝土浇筑在销键孔的空隙内。
进一步地,两侧托换梁间设置对穿拉筋,直径为8~10mm。
进一步地,销键孔采用矩形截面,同时销键孔四周设置4根直径20mm的架立筋,架立筋外设直径10mm的箍筋。
进一步地,托换型钢销键设置在钢筋混凝土圈梁下或直接设置在砌体墙下面。
另一方面,本申请还保护一种前述的既有砌体的加固结构的设计方法,包括以下步骤:
步骤1:设计隔震支座的位置:
在原砌体结构构造柱下设置隔震支座,同时在纵横墙下每隔一定间距L1设置隔震支座;托换梁的高度H2按照不小于H1/6进行设计,在墙体两侧对称设置托换梁,单侧托换梁的宽度采用250~300mm;
步骤2:设计托换型钢销键的位置
在门窗洞口两侧,实体墙中部布置托换型钢销键,间距不大于1.5m;托换型钢梁选用H型钢,且型钢埋入托换梁深度不小于两倍托换型钢梁高度,按两端固定的单跨钢梁复核计算,受力简化为跨中集中荷载,托换型钢梁截面按如下计算过程复核:
首先读取墙底单位长度的轴力q,得到托换型钢梁跨中集中荷载Q=q×L2,其中L2为托换型钢销键间距,之后对托换型钢梁进行抗剪和抗弯承载力复核:
其中,Hn为托换型钢跨度,即原有砌体墙厚;
步骤3:隔震支座选择和托换梁截面设计:
按照连续梁建立托换梁的计算模型对托换梁进行计算分析,其中,隔震支座作为托换梁的支座,托换型钢销键传递的荷载为托换梁所承担的外荷载,根据计算模型求得托换梁的各隔震支座反力Rn、托换梁的最大正负弯矩M和剪力V;
2)根据隔震支座反力Rn选择隔震支座,保证隔震支座的压应力不超过规范限值;
2)根据M和V托换梁进行截面设计,确定托换梁的纵筋、箍筋和吊筋;
A.纵筋面积按如下公式计算确定:
α1fcbx=fyAs-fy'As'
取x=δbh0
其中:α1是与混凝土强度等级有关的调整系数,当混凝土强度等级不超过C50时,取1.0;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;As、As'为受拉区、受压区纵向钢筋截面面积;fy、fy'为纵筋的抗拉、抗压强度设计值;δb为相对界限受压区高度,对于三级钢取0.518;
B.箍筋面积按如下公式计算确定:
其中:αcv为斜截面混凝土受剪承载力系数;Asv为同一截面内箍筋各肢的全部截面面积;S为沿构件长度方向的箍筋间距;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;fyv为箍筋的抗拉强度设计值;
C.吊筋面积按如下公式计算确定:
其中:F为上述托换销键传来的集中荷载,即α为附加吊筋与梁轴线间的夹角。
进一步地,还包括:
步骤4:在两侧托换梁间设置对穿拉筋:利用电钻开孔技术在原砌体墙上开出拉筋孔,对穿拉筋设置后,采用水泥浆灌孔以保证拉筋与原砌体墙连接的可靠性。
进一步地,若托换型钢销键直接在砌体墙下面,托换型钢销键处砌体结构局部承压计算按砌体局部受压进行复核:
Nl≤γfAl
其中:γ为砌体局部抗压强度提高系数,f为砌体抗压强度设计值;Al为局部受压面积。
进一步地,若托换型钢销键设置在钢筋混凝土圈梁下,销键孔采用矩形截面,托换型钢销键处砌体结构局部承压计算需要对圈梁的局部受压进行复核:
Nl≤2.4δ2fbbh0
其中:δ2为梁底面压应力分布系数,取1.0;f为砌体抗压强度设计值;bb为圈梁宽度;EC为圈梁的混凝土弹性模量;IC为圈梁的混凝土截面惯性矩;E为砌体的弹性模量;h为砌体墙厚。
(三)有益效果
本发明提供了一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造及其设计方法,具备以下有益效果:
1.本发明提供的既有砌体结构托换梁加固构造采用隔震设计理念,方法思路清晰,计算复核方法简单,便于广泛推广使用。
2.本发明提供的既有砌体结构托换梁的构造方式简单,施工操作方便,便于推广使用。本发明为既有砌体结构新增隔震支座的设计提供了荷载传递的设计方法和构造措施,保证隔震改造后的砌体结构安全可靠,能够正常使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的既有砌体结构托换梁的构造和设计方法的步骤示意图;
图2为销键孔和隔震支座的立面示意图;
图3为托换梁受力简化图;
图4为本发明实施例平面布置详图;
图5为本发明实施例中托换梁构造详图;
图6为托换销键型钢计算简图;
图7为本发明实施例中托换梁附加吊筋大样图;
图8为本发明托换销键大样图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参见图1-8,尤其是图5和8,本申请的一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造,包括:
托换梁1,所述托换梁设置在砌体5两侧;
托换型钢销键2,所述托换型钢销键2贯穿砌体5并与所述托换梁1浇筑为一体,多个所述托换型钢销键2间隔设置;
隔震支座3,所述隔震支座3间隔布置在砌体的纵横墙下及纵横墙相交处或构造柱下。
所述隔震支座3均匀间隔设置,间距L1不大于底层窗下墙高度H1和托换梁的高度H2之和,即L1≤H1+H2。
托换型钢销键2包括托换型钢梁21和膨胀混凝土22,托换型钢梁21容置于砌体结构上预设的销键孔内,并且埋入托换梁1的深度不小于两倍托换型钢梁21高度,所述膨胀混凝土22浇筑在销键孔23的空隙内。
托换型钢销键2设置在钢筋混凝土圈梁4下或直接设置在砌体墙下面。
下面结合实施例,进一步介绍本申请既有砌体结构托换梁隔震加固构造的加固方法:
步骤1:初步布置隔震支座:根据本改造项目在原砌体结构构造柱下设置隔震支座,同时在纵横墙下每隔3米左右的间距设置一个隔震支座(保证橡胶隔震支座的压应力不超过规范限值)。
步骤2:如图4所示,在门窗洞口两侧,实体墙中部布置托换型钢销键,间距不大于1.5m(根据托换型钢销键受力情况确定间距)。结合托换型钢的受力特点以及方便销键孔细石混凝土的浇筑,托换型钢应选用H型钢,且型钢埋入托换梁250mm后按两端固定的单跨钢梁复核计算,受力简化为跨中集中荷载,如图6所示。托换型钢截面按如下计算过程复核:首先读取墙底单位长度的轴力q,得到托换型钢跨中集中荷载Q=q×L2,其中L2为托换销键间距。之后对托换型钢进行抗剪和抗弯承载力复核(其中,Hn为托换型钢跨度,即原有砌体墙厚)。计算得到托换型钢截面为:H120×100×20×20mm(Q355)。
如图8所示,为保证销键孔与原有圈梁的接触面,销键孔采用矩形截面。本实施例中,销键设置钢筋混凝土圈梁下,应对圈梁的局部受压进行复核。Nl≤2.4δ2fbbh0,其中:本实施例中,局部压力Nl=(328.2x1.5)/2=246.15kN,小于局部受压承载力:681kN。同时销键孔周设置4根直径20的钢筋,后外设直径10的箍筋,之后采用微膨胀细石混凝土浇筑封闭销键孔。此构造措施能保证托换型钢将其受荷范围内的墙底荷载有效传至两侧的托换梁。
步骤3:按照连续梁建立托换梁的计算模型对托换梁进行计算分析(隔震支座作为托换梁的支座,托换型钢销键传递的荷载为托换梁所承担的外荷载),如图3所示。根据计算模型求得托换梁的各支座反力Rn、托换梁的最大正负弯矩M和剪力V。
3)根据支座反力Rn选择隔震支座。本实施例中初步布置的隔震支座间距得到的支座反力能够直接选取符合条件的隔震支座,不需要进行二次复核。
2)根据上述M和V对托换梁进行截面设计,本实施例单侧托换梁计算得到上下纵筋为:3根直径25mm钢筋;箍筋直径10mm、间距100mm;吊筋14为2根直径22mm的钢筋。
步骤4:在两侧托换梁间设置对穿拉筋(穿过原砌体墙),如图8所示。本实施例中对穿拉筋直径10mm,梁高方向间距200mm,梁长方向间距300mm。采用电钻开孔技术在原砌体墙上开出拉筋孔,对穿拉筋设置后,采用水泥浆灌孔(压浆剂注浆技术)以保证拉筋与原砌体墙连接的可靠性。对穿拉筋能够帮助托换型钢销键传递竖向荷载。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造的设计方法,其特征在于,包括:
托换梁(1),所述托换梁设置在砌体两侧;
托换型钢销键(2),所述托换型钢销键(2)贯穿砌体并与所述托换梁(1)浇筑为一体,多个所述托换型钢销键(2)间隔设置;
隔震支座(3),所述隔震支座(3)间隔布置在砌体的纵横墙下及纵横墙相交处或构造柱下;
托换型钢销键(2)包括托换型钢梁(21)和膨胀混凝土(22),托换型钢梁(21)容置于砌体结构上预设的销键孔(23)内,并且埋入托换梁(1)的深度不小于两倍托换型钢梁(21)高度,所述膨胀混凝土(22)浇筑在销键孔的空隙内;
销键孔采用矩形截面,同时销键孔(23)四周设置4根直径20mm的架立筋,架立筋外设直径10mm的箍筋;
包括以下步骤:
步骤1:设计隔震支座的位置:
在原砌体结构的纵横墙相交处及构造柱下设置隔震支座(3),同时在纵横墙下每隔一定间距L1设置隔震支座(3);托换梁(1)的高度H2按照不小于H1/6进行设计,在墙体两侧对称设置托换梁,单侧托换梁的宽度采用250~300mm;其中,H1为底层窗下墙高度;
步骤2:设计托换型钢销键的位置
在门窗洞口两侧,实体墙中部布置托换型钢销键(2),间距不大于1.5m;托换型钢梁(21)选用H型钢,且型钢埋入托换梁深度不小于两倍托换型钢梁(21)高度,按两端固定的单跨钢梁复核计算,受力简化为跨中集中荷载,托换型钢梁(21)截面按如下计算过程复核:
首先读取墙底单位长度的轴力q,得到托换型钢梁(21)跨中集中荷载Q=q×L2,其中L2为托换型钢销键(2)间距,之后对托换型钢梁(21)进行抗剪和抗弯承载力复核:
其中,Hn为托换型钢跨度,即原有砌体墙厚;
步骤3:隔震支座选择和托换梁截面设计:
按照连续梁建立托换梁(1)的计算模型对托换梁(1)进行计算分析,其中,隔震支座(3)作为托换梁(1)的支座,托换型钢销键(2)传递的荷载为托换梁(1)所承担的外荷载,根据计算模型求得托换梁(1)的各隔震支座(3)反力Rn、托换梁(1)的最大正负弯矩M和剪力V;
1)根据隔震支座(3)反力Rn选择隔震支座,保证隔震支座(3)的压应力不超过规范限值;
2)根据M和V托换梁(1)进行截面设计,确定托换梁(1)的纵筋、箍筋和吊筋(14);
A.纵筋面积按如下公式计算确定:
α1fcbx=fyAs-fy'As'
取x=δbh0
其中:α1是与混凝土强度等级有关的调整系数,当混凝土强度等级不超过C50时,取1.0;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;As、As'为受拉区、受压区纵向钢筋截面面积;fy、fy'为纵筋的抗拉、抗压强度设计值;δb为相对界限受压区高度,对于三级钢取0.518;
B.箍筋面积按如下公式计算确定:
其中:αcv为斜截面混凝土受剪承载力系数;Asv为同一截面内箍筋各肢的全部截面面积;S为沿构件长度方向的箍筋间距;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;fyv为箍筋的抗拉强度设计值;
C.吊筋面积按如下公式计算确定:
其中:F为上述托换销键传来的集中荷载,即α为附加吊筋与梁轴线间的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造的设计方法,其特征在于,所述隔震支座(3)均匀间隔设置,间距L1不大于底层窗下墙高度H1和托换梁的高度H2之和,即L1≤H1+H2。
3.根据权利要求1所述的一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造的设计方法,其特征在于,托换型钢销键(2)设置在钢筋混凝土圈梁(4)下或直接设置在砌体墙下面。
4.根据权利要求1或2所述的一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造的设计方法,其特征在于,两侧托换梁(1)间设置对穿拉筋(11),直径为8~10mm。
5.根据权利要求1所述的一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造的设计方法,其特征在于,还包括:
步骤4:在两侧托换梁间设置对穿拉筋:利用电钻开孔技术在原砌体墙上开出拉筋孔,对穿拉筋设置后,采用水泥浆灌孔以保证拉筋与原砌体墙连接的可靠性。
6.根据权利要求1所述的一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造的设计方法,其特征在于,若托换型钢销键(2)直接在砌体墙下面,托换型钢销键(2)处砌体结构局部承压计算按砌体局部受压进行复核:
Nl≤γfAl
其中:γ为砌体局部抗压强度提高系数,f为砌体抗压强度设计值;Al为局部受压面积。
7.根据权利要求1所述的一种既有砌体结构托换梁隔震加固构造的设计方法,其特征在于,若托换型钢销键(2)设置在钢筋混凝土圈梁(4)下,销键孔采用矩形截面,托换型钢销键(2)处砌体结构局部承压计算需要对圈梁的局部受压进行复核:
Nl≤2.4δ2fbbh0
其中:δ2为梁底面压应力分布系数,取1.0;f为砌体抗压强度设计值;bb为圈梁宽度;EC为圈梁的混凝土弹性模量;IC为圈梁的混凝土截面惯性矩;E为砌体的弹性模量;h为砌体墙厚。/>
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