SATWE有限元分析在修复框架柱中的应用

 孙海峰，严青荣

 （天颂建设集团有限公司，浙江台州  317500）

[摘要]在高层或多层建筑施工中，对发现的问题柱进行托换时，合理的受力分析是必要的。在确定方案时，既要考虑托换时对上部结构的影响，同时也要考虑降低托换成本。采用SATWE软件对结构进行了有限元分析，确定了在托换时托换柱的受力状态，采用4根钢格构柱托换问题柱的方案，解决了工程施工过程中出现的质量问题，效果良好。

[关键词]框架柱；钢格构柱；托换；有限元分析；修复；施工质量

[中图分类号]TU756.4+1；TU746.1  [文章编号]1002-8498(2016)10-0073-03

1工程概况

 某商务办公楼工程总建筑面积36 618. 5m2，地下建筑面积3 027. 3m2，地上建筑面积33 591. 8m2，建筑高度82. 55m。地下1层，地上23层，裙房4层，为双塔结构（见图1），裙房4层，框剪结构，基本风压W 0=0.40kN/m2，地面粗糙度为B类；在施工到地上2层顶的满堂支模架时（此时地下室及1层梁板柱已经施工完成），发现地下室⑥／D轴的1根

500mm x500mm柱KZ3（裙房柱），在混凝土浇筑过程中由于振捣不均匀等原因发生露筋及孔洞，下部有600mm左右长的柱需要剔凿后重新浇筑混凝土。由于此时正在施工2层的模板支架，而1层的模板支架还没有拆除，使得该柱受力较大，给剔凿混凝土带来风险，因此在剔凿该柱混凝土时既要保证上部结构及施工人员的安全，又要适当考虑方案的经济性。现场施工状况如图2所示。

2方案确定

 1)地下室柱混凝土浇筑已经超过28d，混凝土强度已经达到设计强度，要重新浇筑⑥／D轴的KZ3，在剔凿混凝土之前需要对与该柱相连的梁进行加固，并保证梁板不能发生较大的竖向变形。

 2)该柱基础为单桩承台基础，桩为ɸ800mm钻孔灌注桩，承台尺寸为1600mm x1600mm，承台厚度为1500mm，承台四周有基础梁，方案确定为在该柱四周设置4根钢柱支撑上部的梁，支撑钢柱设置在离轴线600mm处，钢柱所处位置不仅在基础梁上也在承台内（见图3）。

 3)分析该柱受力时，要合理确定施工时的临时支模架荷载及施工活荷载才能计算准确，在该柱采取托换施工期间应控制相关人员严禁进入该区域，确保人员生命安全。

 4)采用有限元分析软件SATWE建模分析该柱受力，再取消该柱，用4根250mm×250mm格构钢柱托换原KZ3，再次分析4根格构钢柱的受力，得到4根格构钢柱受力之后，选取受力最大的柱子进行格构钢柱的设计及计算。

3荷载确定

3.1  楼层恒荷载的确定

 由于1层支模架体系没有拆除，1层层高4.8m，2层支模架体系正在搭设，2层层高4.5m，支撑体系采用钢管ɸ48×3.5，立杆间距为800mm，计算高度以1层的高度4. 8m进行计算，考虑水平钢管及剪刀撑，计算下来相当于0. 7kN/m2（自重标准值），梁板模板总体考虑0. 50kN/m2（自重标准值），楼板上的恒荷载标准值为1. 2kN/m2。

3.2楼层活荷载标准值的确定

 每层通过限制人员流动、物资堆放等条件，根据以往的施工经验每层活荷载考虑为0. 50kN/m2（标准值）是可以满足施工需要的。

3.3  梁、板、柱恒荷载标准值的确定

 对于梁、板、柱的自重按其实际截面尺寸大小，由SATWE有限元分析软件自动计算。

3.4  地震作用、风荷载等的确定

 在采用SATWE有限元分析时，考虑风荷载的影响，基本风压W0=0.40kN/m2，地面粗糙度为B类。不考虑地震作用的影响。

4 SATWE有限元分析

 按照PKPM系列软件的要求建模进行分析，由于两边塔楼预留的沉降缝，北面有1道温度缝，均留有后浇带，后浇带处梁板均由脚手架支撑，其荷载直接传递到基础底板，建模时只建到与后浇带相邻的柱子，分两步进行分析：①分析柱KZ3的受力，选取柱底最大轴力，按照下面4根柱平分的原则，计算出每根柱的受力；②在1层用4根250mm×250mm格构钢柱代替柱KZ3，分析4根柱的受力情况，从中选择受力柱底轴向力较大者，并与上面第一步计算的平均值进行比较，选取轴向力最大者进行格构钢柱的设计。

4.1  对保留柱K23进行SATWE有限元分析

 通过SATWE有限元分析，模型如图4a所示，得到KZ3柱底最大轴力为N1=1 031. 8kN，平均分到4根钢柱上，每根钢柱平均受力为N11= 257. 95kN。

4.2  托换KZ3后SATWE有限元分析

通过SATWE有限元分析，模型如图4b所示。

5  施工注意事项

 1)剔凿KZ3之前，在该柱的所有梁底用格构钢柱进行支撑，格构柱上下两端均加钢板封住，钢板大小300mm×300mm×12mm，采用楔形钢板将格构式柱上下顶紧，以保证现有框架梁不产生过大竖向位移。顶紧后在剔凿过程中，应加强对梁竖向变形的检测。

 2)支撑加固后，将KZ3柱底0.6m区域的混凝土全部凿除，对上下新旧混凝土黏结面进行糙化处理（人工凿毛），并将混凝土表面冲洗干净，变形箍筋重新调整或拆除，重新绑扎箍筋。

 3)钢筋隐蔽验收后，支设框架柱侧模板，在模板顶部设喇叭口，支设模板应保证模板与混凝土构件间及模板拼缝的密封可靠，防止水泥浆流失。补浇混凝土前，在柱底涂刷一道与混凝土配合比相同的水泥砂浆。

 4)采用比原混凝土强度等级高一级的混凝土( C45)，并掺人一定比例的膨胀剂，以利于对空隙的填充，增加新旧混凝土之间的整体性，并认真振捣密实。

 5)混凝土浇筑高度应大于浇筑孔洞的高度，根据连通器的原理，使混凝土浆体能够压满孔洞顶部，如图5所示。

 6)混凝土浇捣完成后加强养护，保证混凝土有足够强度后方可拆除模板，拆模后，将喇叭口多余的混凝土修理平整。

6结语

 通过精心设计、精心施工，目前该工程已投入使用3年多，在该柱周围没有发生过大变形、裂缝等带来的渗漏水等问题，安全可靠，使用效果良好，取得了较好的经济效益，赢得了参建各方的一致好评。提高了加固类似框架柱的施工技术水平，为今后同类工程施工提供参考和借鉴。