SATWE有限元分析在修復框架柱中的應用
孫海峰，嚴青榮
（天頌建設集團有限公司，浙江臺州 317500）
[摘要]在高層或多層建筑施工中，對發(fā)現(xiàn)的問題柱進行托換時，合理的受力分析是必要的。在確定方案時，既要考慮托換時對上部結構的影響，同時也要考慮降低托換成本。采用SATWE軟件對結構進行了有限元分析，確定了在托換時托換柱的受力狀態(tài)，采用4根鋼格構柱托換問題柱的方案，解決了工程施工過程中出現(xiàn)的質量問題，效果良好。
[關鍵詞]框架柱；鋼格構柱；托換；有限元分析；修復；施工質量
[中圖分類號]TU756.4+1；TU746.1 [文章編號]1002-8498(2016)10-0073-03
1工程概況
某商務辦公樓工程總建筑面積36 618. 5m2，地下建筑面積3 027. 3m2，地上建筑面積33 591. 8m2，建筑高度82. 55m。地下1層，地上23層，裙房4層，為雙塔結構（見圖1），裙房4層，框剪結構，基本風壓W 0=0.40kN/m2，地面粗糙度為B類；在施工到地上2層頂?shù)臐M堂支模架時（此時地下室及1層梁板柱已經施工完成），發(fā)現(xiàn)地下室⑥／D軸的1根
500mm x500mm柱KZ3（裙房柱），在混凝土澆筑過程中由于振搗不均勻等原因發(fā)生露筋及孔洞，下部有600mm左右長的柱需要剔鑿后重新澆筑混凝土。由于此時正在施工2層的模板支架，而1層的模板支架還沒有拆除，使得該柱受力較大，給剔鑿混凝土帶來風險，因此在剔鑿該柱混凝土時既要保證上部結構及施工人員的安全，又要適當考慮方案的經濟性。現(xiàn)場施工狀況如圖2所示。
2方案確定
1)地下室柱混凝土澆筑已經超過28d，混凝土強度已經達到設計強度，要重新澆筑⑥／D軸的KZ3，在剔鑿混凝土之前需要對與該柱相連的梁進行加固，并保證梁板不能發(fā)生較大的豎向變形。
2)該柱基礎為單樁承臺基礎，樁為ɸ800mm鉆孔灌注樁，承臺尺寸為1600mm x1600mm，承臺厚度為1500mm，承臺四周有基礎梁，方案確定為在該柱四周設置4根鋼柱支撐上部的梁，支撐鋼柱設置在離軸線600mm處，鋼柱所處位置不僅在基礎梁上也在承臺內（見圖3）。
3)分析該柱受力時，要合理確定施工時的臨時支模架荷載及施工活荷載才能計算準確，在該柱采取托換施工期間應控制相關人員嚴禁進入該區(qū)域，確保人員生命安全。
4)采用有限元分析軟件SATWE建模分析該柱受力，再取消該柱，用4根250mm×250mm格構鋼柱托換原KZ3，再次分析4根格構鋼柱的受力，得到4根格構鋼柱受力之后，選取受力最大的柱子進行格構鋼柱的設計及計算。
3荷載確定
3.1 樓層恒荷載的確定
由于1層支模架體系沒有拆除，1層層高4.8m，2層支模架體系正在搭設，2層層高4.5m，支撐體系采用鋼管ɸ48×3.5，立桿間距為800mm，計算高度以1層的高度4. 8m進行計算，考慮水平鋼管及剪刀撐，計算下來相當于0. 7kN/m2（自重標準值），梁板模板總體考慮0. 50kN/m2（自重標準值），樓板上的恒荷載標準值為1. 2kN/m2。
3.2樓層活荷載標準值的確定
每層通過限制人員流動、物資堆放等條件，根據(jù)以往的施工經驗每層活荷載考慮為0. 50kN/m2（標準值）是可以滿足施工需要的。
3.3 梁、板、柱恒荷載標準值的確定
對于梁、板、柱的自重按其實際截面尺寸大小，由SATWE有限元分析軟件自動計算。
3.4 地震作用、風荷載等的確定
在采用SATWE有限元分析時，考慮風荷載的影響，基本風壓W0=0.40kN/m2，地面粗糙度為B類。不考慮地震作用的影響。
4 SATWE有限元分析
按照PKPM系列軟件的要求建模進行分析，由于兩邊塔樓預留的沉降縫，北面有1道溫度縫，均留有后澆帶，后澆帶處梁板均由腳手架支撐，其荷載直接傳遞到基礎底板，建模時只建到與后澆帶相鄰的柱子，分兩步進行分析：①分析柱KZ3的受力，選取柱底最大軸力，按照下面4根柱平分的原則，計算出每根柱的受力；②在1層用4根250mm×250mm格構鋼柱代替柱KZ3，分析4根柱的受力情況，從中選擇受力柱底軸向力較大者，并與上面第一步計算的平均值進行比較，選取軸向力最大者進行格構鋼柱的設計。
4.1 對保留柱K23進行SATWE有限元分析
通過SATWE有限元分析，模型如圖4a所示，得到KZ3柱底最大軸力為N1=1 031. 8kN，平均分到4根鋼柱上，每根鋼柱平均受力為N11= 257. 95kN。
4.2 托換KZ3后SATWE有限元分析
通過SATWE有限元分析，模型如圖4b所示。
5 施工注意事項
1)剔鑿KZ3之前，在該柱的所有梁底用格構鋼柱進行支撐，格構柱上下兩端均加鋼板封住，鋼板大小300mm×300mm×12mm，采用楔形鋼板將格構式柱上下頂緊，以保證現(xiàn)有框架梁不產生過大豎向位移。頂緊后在剔鑿過程中，應加強對梁豎向變形的檢測。
2)支撐加固后，將KZ3柱底0.6m區(qū)域的混凝土全部鑿除，對上下新舊混凝土黏結面進行糙化處理（人工鑿毛），并將混凝土表面沖洗干凈，變形箍筋重新調整或拆除，重新綁扎箍筋。
3)鋼筋隱蔽驗收后，支設框架柱側模板，在模板頂部設喇叭口，支設模板應保證模板與混凝土構件間及模板拼縫的密封可靠，防止水泥漿流失。補澆混凝土前，在柱底涂刷一道與混凝土配合比相同的水泥砂漿。
4)采用比原混凝土強度等級高一級的混凝土( C45)，并摻人一定比例的膨脹劑，以利于對空隙的填充，增加新舊混凝土之間的整體性，并認真振搗密實。
5)混凝土澆筑高度應大于澆筑孔洞的高度，根據(jù)連通器的原理，使混凝土漿體能夠壓滿孔洞頂部，如圖5所示。
6)混凝土澆搗完成后加強養(yǎng)護，保證混凝土有足夠強度后方可拆除模板，拆模后，將喇叭口多余的混凝土修理平整。
6結語
通過精心設計、精心施工，目前該工程已投入使用3年多，在該柱周圍沒有發(fā)生過大變形、裂縫等帶來的滲漏水等問題，安全可靠，使用效果良好，取得了較好的經濟效益，贏得了參建各方的一致好評。提高了加固類似框架柱的施工技術水平，為今后同類工程施工提供參考和借鑒。
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