既有板柱结构抗冲切加固方法探讨

既有板柱结构抗冲切加固方法探讨

金永刚

建设综合勘察研究设计院有限公司

摘要：针对混凝土板柱结构的既有建筑改造，板柱冲切验算是一项关键工作，而由于目前已经全面执行了2022版系列的通用规范，其结构恒活荷载系数以及地震内力系数均有调整增加，在此种情况下，结构冲切计算经常会出现不满足的情况，进而需要进行抗冲切加固，本文针对冲切加固补强的做法提出了一些建议，仅供设计人员参考。

关键词：板柱结构；无梁楼盖；冲切验算；板柱节点；柱帽；托板；

0.引言

近年来随着国家经济建设的持续发展，已由先前的大规模拆除新建，逐步转向以对既有建筑改造为主的城市更新，包括建筑节能改造，抗震加固等。由于无梁楼盖结构具有节约建筑空间，板底平整，方便施工支模，造价较低等特点，在先前的建筑中应用较多。而无梁楼盖（板柱结构）节点的抗冲切承载力计算是此类结构设计的重点，尤其在地震工况以及不平衡弯矩的工况下，需要重点侧重。

对无梁楼板冲切不足的加固方式能否有效实现，并按预期发挥作用，其与施工方式以及施工难度有较直接的关系，其加固设计方案在满足理论计算的同时亦需要兼具实施的可行性或便利性，本文研究了对柱帽冲切不足进行加固的几种方式，并对各方案的优点以及不足进行梳理，并适当给出适用建议，希望与大家一同探讨。

1.混凝土板柱结构涉及的体系种类及规范

混凝土板柱结构（亦称无梁楼盖结构），主要涉及三种结构类型，即板柱结构（混凝土柱、钢柱活钢管混凝土柱）、板柱-支撑结构（混凝土柱、钢柱或钢管混凝土柱，钢支撑或屈曲约束支撑）以及板柱-剪力墙结构（混凝土柱、混凝土剪力墙）；其中用在纯地库的结构时，主要是采用板柱结构，而用在上部结构时，为增加结构的抗侧能力，则以板柱-剪力墙结构为主。

混凝土板柱结构一般所依据的主要原则性规范是《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），目前执行的为其2016年版修订版，所涉及的章节是第6.1章节的板柱剪力墙定义以及第6.6章节的板柱剪力墙的抗震设计要求；板柱结构的具体体系说明以及各体系对应的设计详细措施，主要是以《混凝土升板结构技术标准》GB/T40130-2018规范为主，其中包含对各种体系相关内容及设计等级的较详细要求。其他与板柱结构有关的规范还包含，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）及《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）等；而各种规范体系中对板柱节点的抗冲切设计及验算，均是以《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（2015版）中第6.5节，9.1节及附录F中的要求为依据进行。

2.板柱结构柱冲切计算的规范公式

根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）第6.5章节的内容，板柱节点冲切承载力计算应按如下公式：

1）在不配置箍筋或弯起钢筋时需满足：

FL≤（0.7βhft+0.25σpc,m）ηumh0 （6.5.1-1）

2）当配置箍筋或弯起钢筋时，需同时满足：

FL≤1.2ftηumh0 （6.5.3-1）

FL≤（0.5ft+0.25σpc,m）ηumh0+0.8fyvASVU+0.8fyAsbusinα（6.5.3-2）

注：冲切承载力在不考虑钢筋的有利作用时，其主要是与混凝土截面的有效高度相关，                            即上述6.5.1-1公式，而当考虑钢筋的有利作用时，其亦需要保证混凝土的最小截                            面厚度，以避免混凝土截面过小而钢筋量过大的不合理情况，即上述第6.5.3-1公                            式的限制；上述各公式中的各参数含义详见《混凝土结构设计规范》第6.5节。

3.板柱结构的主要形式

根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（2015版）中第9.1节的说明，板柱节点主要分为柱帽以及托板的两种形式，如下图1：

由于各项目功能荷载以及跨度等的不同，以上两种形式亦可以继续分化出多种相似类型，如《16G101-1 平面整体表示方法制图规则和构造详图（现浇混凝土框架、剪力墙、梁、板）》中无梁楼盖柱帽的样式示例，如下图2：

其中结构关系最简单的板柱结构则为不带柱帽及托板的形式，如下图3：

4.板柱结构冲切加固的主要形式及优缺点分析

根据板柱结构的主要受力原理以及冲切破坏的机理，其对应的节点抗冲切加固应主要从以下两个方面进行考虑，即增大混凝土冲切面的面积（umh0）或增加抗冲切钢筋（箍筋或弯起筋）。其中增大冲切面的面积可以采用如下图4~图6的方式(连接钢筋均需采用后植筋做法)，增加抗冲切钢筋（或锚栓、钢板等）的方式见图7示意：

针对以上几种柱帽冲切的加固方式，从受力及施工实现难度等情况进行分析说明如下：

1）柱上部区域附加叠合层样式（图4）：

2）柱下部后加托板样式（图5）：

3）柱下部新增柱帽样式（图6及图6a）：

4）新增夹板及锚筋的样式（图7）：

注：以上几种做法只是列出了较常规的几种加固方式。

5.板柱结构冲切加固的改进形式

在上节提到的各种板柱节点抗冲切加固的方式，其做法均存在一定程度的不足，其加固施工（如后浇混凝土的收缩量以及密实性等）以及加固后的受力机理（是否能与原楼板有效协同），均存在一定的未知因素，且柱帽冲切属于脆性破坏，抗倒塌的冗余度较小，若施工质量不到位时容易留下安全隐患，针对此种情况，本文对新增抗冲切承载力不太大的情况时（主要用于上部结构冲切加固），建议做如下图8形式的棱台型钢支撑柱帽（支撑截面尺寸可根据实际受力单独设计），此种柱帽主要优点是可以避免湿作业，避免对楼板开浇筑孔，且支撑与楼板连接均在靠近支座部位的板底（弯矩较小，不影响原钢筋受力）；

此种做法笔者认为主要解决了柱帽冲切加固施工中的如下难题；

1）可避免了现场支模，减少模板及脚手架等的措施费；

2）取消了湿作业，无新增混凝土浇筑。

3）无需楼板上打浇筑孔，对原有楼板的破损及干扰较少。

4）钢支架可工厂制作现场连接，节省工期。

6.待探讨的问题

后置钢支撑的方式需要锚板通过高强锚栓与原有柱子相连，而目前市场上的锚栓植筋的配套胶体，一般有效使用年限不大于30年，若建筑后续使用年限为50年时，则超过了胶体的工作年限，此种需要设计时特殊注明，且每隔约10年左右需对此重新进行检测鉴定，以检测其工作状态是否满足要求。而检测鉴定的手段目前并不完善，此问题需要进一步探讨，或需要植筋胶厂家进一步的提升胶体的有效工作年限。

7.结论

（1）由于现实中的既有房屋建造年代，结构构造措施以及材料强度及建筑实际使用功能等均有不同，而此类混凝土板柱结构的安全冗余度又较低，所以对此种结构类型的房屋进行改造加固时，需要求业主先对结构进行检测及鉴定，并针对性的对不足的情况提出客观的建议或处理意见。

（2）由于加固项目受业主投资、工期要求以及施工队伍的经验水平等因素直接相关，结构加固方案需充结合项目的实际情况综合确定，应避免设计与现场实际脱节。

（3）考虑到近年无梁楼盖倒塌的案例较多，且主要是由冲切不足导致，此种板柱结构的抗冲切加固，设计抗冲切的承载力宜考虑一定的设计安全余量，以确保结构安全。

参考文献：

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010.2016年版；

《混凝土结构设计规范》GB50010-1010.2015年版；

《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》16G101-1；

《混凝土升版结构技术标准》GB/T20130-2018；

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010;

 陈才堡.无梁楼盖结构设计应依据的标准条文汇编及设计建议；建筑结构2019.3：49-6