结构外扩、新增夹层时，新增框架梁相关问题汇总

楼市 2024-09-03 09:30 上海

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来源：结构随手笔记公众号

加固项目经常会碰到房屋外扩、新增夹层的情况，新增结构不建议采用与原建筑不同的结构形式。例如原结构为混凝土结构，外扩、新增夹层采用钢结构。

因为规范中没有规定此种结构形式的设计方法以及有关要求，存在两种材料的结构阻尼比不同、刚度突变等问题，其设计方法需要经过专门研究。

本文介绍原结构为混凝土结构，新增结构也采用混凝土结构时，新增框架梁的一些相关问题。

内容介绍

梁柱节点传力机理

新增框架梁配筋调整

植筋间距要求

植筋深度不够时锚固大样

夹层梁柱节点分析

梁柱节点传力机理

在原框架柱中间新增框架梁形成梁柱节点，其受力机理还是需要符合《建筑抗震设计规范》GB50011的要求。

钢筋混凝土梁柱节点抗震受力十分复杂，节点的传力机理主要有二种：斜压杆机理、桁架机理。

斜压杆机理

梁、柱受压区混凝土的压力在分别抵消了柱、梁截面剪力中的相应部分之后，在核心区混凝土中形成斜压力场，即所谓的“斜压杆机理”。

桁架机理

贯穿节点的梁柱筋一端的拉力和另一端的压力将通过贯穿段的粘结效应力传入其周围的混凝土。在分别抵消了相应的另一部分柱、梁截面剪力之后，将以边缘剪力形式传入核心区，并在核心区形成剪力场。该剪应力场的主压应力与斜压杆机构的主压应力叠加，由核心区混凝土承担。在核心区斜向开裂前，桁架机构引起的主拉应力由混凝土承担；当拉应力大到导致混凝土斜向开裂后，主拉力将由水平箍筋和竖向钢筋分担。

与现浇梁柱节点相同，通过植筋形成的梁柱节点，受力机理同样符合斜压杆机理、桁架机理。但通过植筋方法形成的梁柱节点受力更为复杂，一是纵筋并不一定是贯穿节点；二是钢筋拉、压力的传递通过钢筋与植筋胶、植筋胶与混凝土间的粘结力传递。

因此通过植筋形成的梁柱节点，其受力机理是否还与现浇结构相同？笔者未找到相关依据。

新增框架梁配筋调整

新增框架梁与原结构连接需要植筋，植筋需要在原框架柱上钻孔，而新增框架梁纵筋根数都较多，那么就需要在原框架柱上钻很多孔，这样肯定会对原框架柱有损伤。

另外若植筋根数太多，也无法满足加固规范规定的植筋间距要求，因此新增框架梁可以先进行配筋调整。

配筋调整的目的：减少框架梁纵筋植筋根数，使纵筋植筋间距满足规范规定的要求，并且也减小对原结构的破坏。

方法一：端按半铰接（约束释放50%）设计

此方法减小新增框架梁上部纵筋面积。

新增框架梁与原框架柱的交界面，可以理解为“施工缝”。现浇结构的施工缝一般设置在构件受力最小处，例如伸缩后浇带，一般设置在梁板跨中1/3范围，此位置剪力及弯矩相对较小。

而新增框架梁与原结构框架柱的“施工缝”是框架梁剪力以及弯矩最大处，因此框架梁端部按半铰考虑，除了减少上部纵筋面积外，也减小“施工缝”处的剪力及弯矩。

当然若条件允许，可以按半铰接计算植筋端上部纵筋，按全铰接计算跨中以及另一端支座的纵筋。不用担心底部纵筋太多，植筋间距会不满足要求的问题，在植筋间距要求中会介绍底部纵筋满足植筋间距的措施。

方法二：跨中弯矩按T形梁

此方法减小新增框架梁底部纵筋配筋面积。

矩形混凝土梁按考虑楼板翼缘的T形梁配筋是针对构件的设计阶段，只影响梁的配筋。

T形梁配筋只针对正弯矩区段，即楼板受压时才考虑；对于负弯矩区段，仍按矩形截面配筋。

《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)第5.2.4条有效翼缘的取值：

未考虑T型梁时框架梁底部配筋结果：

考虑T型梁时框架梁底部配筋结果：

从计算结果看，考虑T型梁时，框架梁底部配筋明显减小。

方法三：弯矩算至柱边

此方法也是减小框架梁上部纵筋面积。

软件计算的梁端最大弯矩在梁端刚域处，但梁端弯矩可以考虑取柱边。

例如下图，框架柱截面600x600,刚域长度为100mm，刚域处的弯矩为-570kN*m。若弯矩取至柱边，按插值为-466kN*m，弯矩减小（570-466）/570=18%。

方法一与方法三都是对梁端弯矩折减，不建议同时采用，方法二是对框架梁底部纵筋的折减，可以与方法一或方法三配合使用。

植筋间距要求

框架梁纵筋植筋间距需要满足《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013第15.2.4条的要求。

当纵筋植筋间距不满足规范时，首先进行新增框架梁配筋调整。框架梁植筋端点半铰，上部纵筋基本能控制在一排钢筋，此时植筋间距较容易满足要求（不满足可以改成两排，但应注意梁截面有效高度会变化，会影响配筋大小）。

框架梁底部纵筋较多，可能需要设置两排，甚至三排。以下介绍底部纵筋如何满足植筋间距要求。

以下图为例，原结构框架柱截面为700x700，新增框架梁截面400x800，左侧为原框架柱，植筋端按半铰接设计，配筋简图及弯矩图如下：

根据计算结果配筋如下：

框架梁配筋截面如下：

根据规范要求，采用A级胶时植筋最小间距S1=5d=125mm，植筋最小边距S2=2.5d=62.5mm。

从截面图看出，纵筋植筋边距满足要求，但植筋间距不满足要求，采用以下方法进行调整，使植筋间距满足要求。

方法一：梁截面加宽

梁截面加宽是最常用的方法。本项目梁宽由400mm增大为500mm，底部纵筋植筋间距由79mm增大为104mm，顶部纵筋由105mm增大为138mm，示意如下：

增大梁宽后，底部纵筋还是不满足植筋间距要求。对于底部配筋不大的框架梁，可以通过调小钢筋直径以及梁再次加宽，使其满足植筋间距要求。但对于底部配筋较大的梁，因受框架柱大小限制，无法继续通过加宽截面来满足植筋间距要求。

方法二：部分底部纵筋不伸入支座

部分纵筋不伸入支座，需要注意的是植入原框架柱的底部纵筋面积，必须满足规范、图集的构造要求以及计算要求。

规范、图集的构造要求：

1）图集《22G101-1》P2-41页，非角部钢筋可以不伸入支座：

2）《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)6.3.3条：

3）《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)6.3.4条：

4）《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)11.3.6条：

计算要求：

顶部纵筋计算时考虑了受压钢筋的面积，新增框架梁底部植入原框架柱的纵筋面积不得小于计算结果。

例如本例题，计算顶部纵筋面积时，考虑了底部纵筋面积1235.32mm2，所以底部纵筋至少植入原框架柱的纵筋面积需要大于1235.32mm2。

方法三：放大纵筋面积

根据《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013第15.2.1条，植筋深度计算的前提是充分利用钢材的受拉强度。

若实配钢筋大于计算配筋，钢筋的应力小于钢筋抗拉强度设计值，个人认为植筋深度及植筋间距可根据计算配筋与实际配筋的比值适当减小。此方法没有相关规范。

同时采用方法一加宽截面以及方法二部分底部纵筋不伸入支座，对新增框架梁进行调整，配筋结果如下：

梁配筋截面示意如下，梁底部纵筋一共10根25，只需要植入原框架柱5根即可，植筋间距为138mm，满足要求。

关于抗剪钢筋的计算，详见之前文章：植筋能不能抗剪？（上）、植筋能不能抗剪？（下）、植筋能不能抗剪？-补充。

植筋深度不够时锚固大样

若原框架柱截面较小，不满足植筋深度要求，一般采用的做法是钢筋穿透混凝土，端部加锚固板，纵筋与锚固板塞焊。

根据规范要求，框架梁在支座范围外的连接宜避开梁端加密区，若无法避开，可采用Ⅰ级接头，接头面积不应大于50%。

以下图为例，接头中心距离梁边200mm，为尽量减小钢筋长度，同一连接区段接头未错开，保证连接区段内的接头面积不大于50%。

假设纵筋直径为20mm，墙厚250mm，则纵筋穿透主梁的长度最短为450mm，最长为1150mm。

假设端部钢板互不影响（若是一整块钢板，则需要整体施工），单根钢筋植筋施工工艺如下：

第一步：在主梁上钻孔、清孔，制作好钢板以及钢筋丝头，钢筋与钢板塞焊。

第二步：新增梁一侧采用硬纸板封堵，从另一侧注入植筋胶。

第三步：钢筋丝头采用塑料帽头保护，从未封堵一侧插入，穿透硬纸板，确保植筋胶没有从封堵侧溢出。

需要植筋的钢筋穿过植筋胶最长达到1150mm，已经关注在钻孔内的植筋胶或多或少会被钢筋带出，因此笔者建议植筋端部采用螺纹连接锚固板。具体内容详见加固改造项目，新增混凝土次梁端部植筋问题汇总。

夹层梁柱节点分析

改造项目经常会遇到原建筑内部新增夹层的情况，新增夹层首先复核结构有没有产生较大扭转，若新增夹层后结构有较大扭转，应采取措施，减小结构扭转。新增夹层改变了结构整体刚度，应取相关范围或整体进行计算。

新增的夹层是在结构整体刚度形成后“一次性加载”，应按以下施工次序进行复核验算：结构整体刚度形成、恒载加载，然后施加夹层恒载。

以下主要介绍新增夹层的梁柱节点。

方法一：钢结构夹层

新增夹层梁采用钢梁，楼板采用压型钢板或楼承板，此方法施工便捷、工期快，因此很多夹层都采用钢结构。

开头说过，原结构为混凝土结构时，不宜采用钢结构夹层，这种结构存在以下问题：

1）结构刚度突变，钢结构柔，混凝土结构刚。

2）钢结构与混凝土阻尼不同，属于非比例阻尼体系。

3）属于混合结构，规范没有相关规定。

但对于局部夹层且结构扭转没有较大的情况，笔者认为可以采用。

什么情况属于局部夹层？笔者认为可以参考《建筑抗震加固技术规程》JGJ116-200第3.0.3条中第2条，新增夹层后，结构刚度和重力荷载代表值的变化不超过原来的10%和5%，可以认为属于局部夹层，对结构整体抗震影响较小，可以只进行相关范围的构件承载力复核及设计，不考虑结构整体抗震验算。

新增钢梁与原混凝土柱节点大样如下：

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015第8.3.9条规定：当采用现浇钢筋混凝土楼板将主梁和次梁连成整体时，可不计算偏心弯矩的影响。所以化学锚栓只考虑承受剪力。

化学锚栓锚固边距大于10hef及60d,因此无须验算混凝土边缘破坏，均匀承受剪力。

不过需要注意的是，新增钢梁位置，原框架柱箍筋核心区受剪一般不满足要求，所以节点核心区需要进行加强，参考详图如下：

方法二：混凝土夹层

采用混凝土结构夹层，施工周期长，但对于大范围夹层，还是建议采用混凝土结构，避免形成混合结构。

新增框架梁中间支座处，两个方向的梁纵筋需要穿透框架柱，详见下图：

此做法施工困难，钻孔时需要避开框架柱内所有钢筋，无法完全按新增梁纵筋位置钻孔，并且偏差会比较大。

钻孔也对原框架柱破坏较大，施工时需要对框架柱进行支撑，并且按钻孔后的框架柱截面，复核轴压比是否满足要求。加固前会对结构进行卸载，因此验算时可以对活荷载适当折减。以下图为例，轴压比增大：(700x700)/(700x700-32x590x5)=1.239倍。

因贯穿框架柱的植筋存在以上缺点，所以笔者考虑采用新增柱帽的方法,柱帽的抗弯计算在规范中没有找到相关依据，以下介绍的方法仅为个人推测，提供一种思路，供大家参考。

第一种情况：新增梁纵筋直接在柱帽内锚固，不植入框架柱。

现浇结构中间层的梁柱节点，梁纵筋在框架柱内的水平段锚固长度为0.4LabE。采用包柱式柱帽时，梁纵筋在柱帽内的锚固不能按框架中间节点，因为柱帽内的纵筋没有柱轴力约束，所以纵筋锚入柱帽的水平段长度建议取0.6LabE。

当柱帽的宽度满足纵筋水平段锚固需要的0.6LabE时，纵筋可以不植入框架柱内，在柱帽内弯折锚固。

第二种情况：新增梁纵筋与部分锚固在柱帽内，一部分植入原框架柱内。

当柱帽宽度不满足纵筋锚固需要的水平段长度0.6LabE时，纵筋需要植入框架柱内。

柱帽宽度及纵筋植入框架柱内的深度为多少？

假定钢筋承受的拉力由在现浇混凝土内的锚固段与植入框架柱内的植筋段共同承受且等比例分配。

若纵筋完全锚固在现浇混凝土结构的锚固长度为35d（平直段，没有弯钩），完全植入框架柱的植筋长度为22d。

fy:钢筋的抗拉强度设计值。

As:单根钢筋的面积

b1:柱帽宽度

受拉承载力由混凝土锚固段与植筋段共同承受时，混凝土锚固段承受的拉力为：b1*fy*As/35d

植筋段承受的拉力为：fy*As-b1*fy*As/35d=fy*As*（1-b1/35d）

植筋深度为：fy*As*（1-b1/35d）/(fy*As/22d)=22d*（1-b1/35d）

柱帽受力分析

采用包柱式柱帽时，梁端弯矩及剪力变成由柱帽来承担。

柱帽的受剪承载力计算方法有具体依据，详见广东省标准《既有建筑混凝土结构改造设计规范》DBJ/T15-182-2020第6.5.3条：

广东省标准《既有建筑混凝土结构改造设计规范》中只有柱帽与框架柱连接界面的受剪承载力的计算，没有柱帽承受梁端弯矩的计算。

因此柱帽承受弯矩的计算参考《钢管混凝土结构技术规程》CECS28:2012附录A钢筋混凝土梁-圆钢管混凝土柱的环梁节点配筋计算方法。

方小丹等发表的《RC梁-圆钢管混凝土柱节点环梁承载力设计方法》论文中对混凝土环梁节点受力机理有以下描述。

梁端弯矩的传递

框架梁梁端弯矩作用于环梁上,引起环梁的扭矩。考虑环梁受框架梁梁端负弯矩的情况,环梁下部挤压钢管混凝土柱,其反作用力产生对环梁的抵抗扭矩,大大降低对环梁的抗扭要求。如果再考虑楼板在平面内对环梁上部的约束作用 ,环梁由于扭转产生的扭转角将会减小,因此由变形与内力关系可知环梁内扭矩将进一步减小。

对环梁传递弯矩机理更为简单的简化是:将框架梁的梁端弯矩分解为对环梁上部和下部的一对拉力和压力。拉力由环梁上部环筋、箍筋与楼板共同承担 ,压力由环梁下部的混凝土承担并传递扩散至钢管混凝土柱上。

梁端剪力的传递

框架梁梁端剪力传递到钢管混凝土柱 ,主要通过三个途径。

其一为环梁混凝土与抗剪环之间的局部承压作用力 ,将剪力由环梁传递到抗剪环上 ,并通过抗剪环与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上,由于抗剪环筋直径一般很小 , 由剪力引起的对钢管壁的局部弯矩非常小;

其二为环梁混凝土与钢管间的粘结作用;

其三为梁端弯矩引起环梁上 (或下 )部挤压钢管混凝土柱而提供的静摩擦力。一般情况下,途径三产生的静摩擦力很大,框架梁在满足一定的剪跨比的条件下,环梁与钢管壁甚至可实现自锁 ,静摩擦力可单独满足抗剪要求;

途径二的粘结力虽然也很大 ,但在往复的地震作用力下难以保证 ,一般不予考虑 ,作为安全储备 ;途径一的作用力可以保证 ,设计时可以对该力进行验算。

从RC梁-圆钢管混凝土柱节点的受力机理看出，混凝土包柱式柱帽节点的弯矩受力机理与其类似，因此梁端弯矩参考《钢管混凝土结构技术规程》CECS28:2012附录A计算。

方小丹等发表的《RC梁 -圆钢管混凝土柱节点环梁承载力设计方法》论文也提到：框架梁梁端弯矩M会形成静摩擦力，静摩擦力为F=μ*M/(0.87*h0)，当F≥V（梁端剪力）时，环梁节点实现自锁（即仅静摩擦力就满足节点抗剪要求）。假定静摩擦系数μ=0.25，当框架梁的剪跨比M/Vh0≥3.48时环梁节点能实现自锁。

若混凝土方形柱帽改为圆形柱帽，其弯矩受力机理与RC梁-圆钢管混凝土柱节点的受力机理更接近。

圆形柱帽的受剪承载力计算详见广东省标准《既有建筑混凝土结构改造设计规范》DBJ/T15-182-2020第6.5.4条：

新旧混凝土连接界面的处理

广东省标准《既有建筑混凝土结构改造设计规范》第6.6.2条：当需要进一步改善新旧混凝土连接界面的抗剪性能时，可在按本规范第6.6.1 条处理连接界面的同时，根据基面条件在混凝土基面上均匀设置适当数量的凹槽或孔洞(图6.6.2)。

凹槽中线应垂直于界面剪力作用方向，凹槽由内而外的宽度宜为 30mm-50mm，深度宜为30mm，凹槽间距宜为200mm。孔洞宜为直径40mm、深度30mm的圆孔，圆孔间距宜为 100mm。开设凹槽或孔洞时，应避免损伤结构中的受力钢筋。

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