談既有建筑拔柱改造加固設(shè)計(jì)

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摘要:介紹了既有建筑在改造中遇到的托梁拔柱關(guān)鍵技術(shù)問題。利用ETABS的施工模擬分析功能，模擬既有建筑物拔柱過程，并采用兩種軟件PKPM和ETABS分析抽柱過程對(duì)整體剛度以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的影響。最后闡述了整個(gè)托梁拔柱的施工過程，強(qiáng)調(diào)了合理施工順序的重要性。

關(guān)鍵詞:既有建筑，拔柱，轉(zhuǎn)換柱，轉(zhuǎn)換梁

1研究需求與意義

隨著現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)生活水平要求的不斷提高以及國(guó)家提出城市建設(shè)立體化發(fā)展的城市化進(jìn)程要求，建筑各項(xiàng)功能需求也越來越高，有些既有建筑已經(jīng)難以滿足當(dāng)前的使用需求，若要直接拆除，不僅浪費(fèi)資源，且其拆遷的費(fèi)用也非常昂貴;還有些在城市最為繁華的重要區(qū)域有歷史保護(hù)的建筑，需要進(jìn)行保護(hù)。對(duì)既有建筑進(jìn)行加固改造重新利用，可以充分利用現(xiàn)有的城市設(shè)施，節(jié)省城市配套設(shè)施，節(jié)省拆遷、建筑垃圾運(yùn)輸和征地費(fèi)用。同時(shí)將抗震加固和改造技術(shù)結(jié)合起來，不同程度上改善了既有結(jié)構(gòu)的受力條件，增強(qiáng)了房屋抗震能力，提升了結(jié)構(gòu)的使用功能，延長(zhǎng)建筑物使用年限，經(jīng)濟(jì)效果顯著。涉及到地上結(jié)構(gòu)拔柱轉(zhuǎn)換及功能改造的加固方面的工程，國(guó)內(nèi)已有一些工程實(shí)踐可以作為參考。中國(guó)建筑一局四公司和北京市建筑設(shè)計(jì)研究院的周勇，魯軍及束偉農(nóng)在《施工技術(shù)》(2002年10期)上發(fā)表的《北京五洲大酒店東樓混凝土結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)》一文中介紹了混凝土結(jié)構(gòu)柱整體擴(kuò)大斷面法加固設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，主要采取了預(yù)應(yīng)力加固方法進(jìn)行拔柱加固。初明進(jìn)等人在《建筑結(jié)構(gòu)》(2007年3月)上《虹口大酒店裙樓抽柱改造方案比選》一文中針對(duì)虹口大酒店裙樓框架結(jié)構(gòu)抽柱改造工程，提出轉(zhuǎn)換梁、空腹桁架結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)3種改造方案。對(duì)3種方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比分析，結(jié)果表明，桁架結(jié)構(gòu)方案受力比較合理;同時(shí)后加結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造容易滿足，便于施工?？晒╊愃拼罂缍?、大荷載抽柱改造工程參考。

2項(xiàng)目介紹

本工程既有保留建筑有3棟，分別為原某市中醫(yī)院A樓、B樓及C樓。其中A樓為七層帶地下室的框架結(jié)構(gòu)房屋，房屋建造于1996年左右;B樓為六層帶地下室的框架結(jié)構(gòu)房屋，房屋建造于2005年左右;C樓為六層帶地下室的框架結(jié)構(gòu)房屋，房屋建造于2000年左右。業(yè)主擬對(duì)三棟保留建筑的使用功能進(jìn)行改造，由原來的醫(yī)療用房改為商業(yè)及酒店客房;其中C樓在首層及F2層根據(jù)建筑需求需要拔柱。拔柱位置見圖1。

3拔柱方案

本擬拔除的4根框架柱中，原軸力最大恒載作用下為2530kN，活載作用下為438kN，基本組合最大值約為3750kN;原最大剪力X向地震作用下為84kN(占樓層剪力1．8%)，Y向地震作用下為40kN(占樓層剪力0．9%)。由此可知該4根框架柱拔除后，對(duì)樓層抗側(cè)剛度及承載力影響不大，可通過加大相鄰框架柱截面尺寸予以加強(qiáng)。拔柱后需解決的主要問題是靜力荷載作用下原框架柱軸力的傳遞路徑問題。根據(jù)拔柱情況，本工程采取了轉(zhuǎn)換梁方案。一、二層的柱子拆除后，原三層樓面梁變?yōu)檗D(zhuǎn)換梁，其承載力不能滿足要求，可采用加大截面法或采用型鋼托梁對(duì)其進(jìn)行加固，以將被拔柱承擔(dān)的荷載傳遞給周邊承重構(gòu)件，見圖2。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是抽柱前后的結(jié)構(gòu)體系變化比較小，相關(guān)加固范圍也不大。轉(zhuǎn)換梁的截面經(jīng)計(jì)算需1000mm×1500mm。

4計(jì)算分析

因目前常用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM難以模擬既有建筑拔除柱的計(jì)算過程。采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM-SATWE的加固模塊對(duì)結(jié)構(gòu)托梁拔柱的各個(gè)工況進(jìn)行分模型整體建模和參數(shù)的輸入，并采用有限元分析軟件ETABS建立一個(gè)分多工況步驟的模型。采用PK-PM及ETABS分析抽柱過程對(duì)整體剛度以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的影響，并將ETABS結(jié)果與SATWE結(jié)果進(jìn)行對(duì)比做包絡(luò)設(shè)計(jì)。利用ETABS的施工模擬分析功能，可以任意自由指定施工順序，可以自定義施工步的總步數(shù)以及在每一施工步中的施工內(nèi)容，從而可以實(shí)現(xiàn)建筑物任意的建造過程而不只是局限于完全按層施工。ETABS的施工模擬分析中，可以模擬建筑結(jié)構(gòu)加固改造的過程，在施工步中進(jìn)行拆除構(gòu)件及改變截面的操作，也可以在施工模擬分析中考慮與時(shí)間相關(guān)的屬性。因此可利用ETABS進(jìn)行托梁拔柱的全過程非線性分析。本工程ETABS施工模擬工況設(shè)置如圖3所示。拔柱前兩種軟件拔柱位置區(qū)域構(gòu)件的彎矩、剪力及軸力計(jì)算結(jié)果基本一致。拔柱后拔柱位置區(qū)域構(gòu)件的彎矩見圖4，圖5以及表1，表2。F2由上述圖表可知，轉(zhuǎn)換梁支座兩種軟件計(jì)算結(jié)果相差不大，跨中彎矩SATWE偏大。轉(zhuǎn)換梁兩側(cè)梁及上部結(jié)構(gòu)的梁的支座相差較大，分析原因?yàn)镻KPM模型為新建過程，不能模擬既有結(jié)構(gòu)抽柱過程。而ETABS為既有結(jié)構(gòu)抽柱后再分析整體結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)整體剛度已形成，故抽柱位置的上部結(jié)構(gòu)相比SATWE變形較小。加固設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)ETABS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。經(jīng)對(duì)比拔柱相關(guān)位置構(gòu)件的剪力兩種軟件計(jì)算的結(jié)果與彎矩基本趨勢(shì)一致。拔柱轉(zhuǎn)換周邊柱軸力差值相差不大。綜上所述，抽柱前后兩種軟件的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果大部分相差較小，因此在加固設(shè)計(jì)中可以SATWE的結(jié)果為主，同時(shí)根據(jù)ETABS結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

5托梁拔柱施工順序

托梁拔柱方案的設(shè)計(jì)與新建結(jié)構(gòu)不同，不僅是對(duì)于拔柱改造后結(jié)構(gòu)的承載力驗(yàn)算，更包括了整個(gè)施工過程中結(jié)構(gòu)整體性驗(yàn)算、支撐系統(tǒng)驗(yàn)算等。在托梁拔柱的工程實(shí)施中，合理的安排施工順序是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。拔柱之前，該處上部結(jié)構(gòu)的荷載仍通過待拔柱向下傳遞，因此首先需要對(duì)待拔柱進(jìn)行卸載;拔柱進(jìn)行之中，力的傳遞路徑開始發(fā)生變化，相關(guān)構(gòu)件受力狀態(tài)也隨之改變，因此需要進(jìn)行變形監(jiān)測(cè);拔柱之后，上部結(jié)構(gòu)荷載通過轉(zhuǎn)換梁傳遞至兩側(cè)框架柱，再通過地下室結(jié)構(gòu)傳遞給基礎(chǔ)，因此轉(zhuǎn)換梁柱的加固及地下室結(jié)構(gòu)的逆作施工應(yīng)該提前完成，以避免結(jié)構(gòu)因荷載多次轉(zhuǎn)換及動(dòng)態(tài)擾動(dòng)而造成安全隱患。具體施工順序:1)設(shè)置抽柱用的頂柱支托，并放置千斤頂;布置轉(zhuǎn)換梁撓度觀測(cè)點(diǎn)、接通轉(zhuǎn)換梁內(nèi)預(yù)埋的鋼筋應(yīng)變—應(yīng)力計(jì)(如圖6所示)。2)切斷柱根部，觀測(cè)轉(zhuǎn)換梁及周邊構(gòu)件變形是否異常。在可控?fù)隙茸冃嗡俾实那疤嵯滦遁d千斤頂荷載。當(dāng)完全卸載千斤頂后，托換梁的撓度必須在設(shè)計(jì)控制值以內(nèi)。抽柱從施工割除段開始至千斤頂卸載結(jié)束，必須全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)整體結(jié)構(gòu)變形、轉(zhuǎn)換梁跨中豎向撓度、轉(zhuǎn)換梁內(nèi)鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變。千斤頂卸載過程中轉(zhuǎn)換梁內(nèi)鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變換算成梁的彎矩和撓度合規(guī)范的要求。上述施工順序遵循先加固后拆除的原則，可保證上部結(jié)構(gòu)的荷載能夠得到有效傳遞，同時(shí)在抽柱施工過程中要做好實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作以保證結(jié)構(gòu)及施工安全。

6托梁拔柱的相關(guān)加固

按照上述方案拔柱之后，結(jié)構(gòu)柱距由7．6m變?yōu)?5．2m，原三層樓面梁即兩側(cè)框架柱的受力情況發(fā)生較大變化，構(gòu)件內(nèi)力顯著增加，原承載力不能滿足要求。本工程轉(zhuǎn)換梁、柱均采用加大截面法進(jìn)行加固。1)轉(zhuǎn)換柱加固設(shè)計(jì)。拔柱兩側(cè)的原框架柱成為轉(zhuǎn)換柱，采取增大截面的加固方式。根據(jù)柱的軸壓比限制以及柱和梁截面加大的構(gòu)造要求，原柱需加大至1000mm×1000mm，能滿足結(jié)構(gòu)安全性和適用性要求。采用四面圍套加固轉(zhuǎn)換柱，新增縱筋盡量避開原有結(jié)構(gòu)梁，向下錨入新作地下室結(jié)構(gòu)，三層樓面設(shè)置鋼板，縱筋與鋼板焊接錨固。周邊新增箍筋在柱內(nèi)閉合以提高其約束能力(見圖7)。2)轉(zhuǎn)換梁加固設(shè)計(jì)。既有建筑結(jié)構(gòu)拔柱后，最大原跨度7．6m×6．8m柱網(wǎng)增大到15．2m×6．8m，使整個(gè)框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力重分布，原跨度7．6m的框架梁延伸為15．2m的框架梁，該框架梁上還托三層樓蓋結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，由材料力學(xué)可知:矩形截面受彎構(gòu)件平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度增大一倍，其剛度變形的撓度會(huì)增大原撓度的8倍，況且受彎構(gòu)件的裂縫和撓度存在線性關(guān)系，為此梁的截面需要加大，按常規(guī)梁的高度取跨度的1/8～1/12，梁的高度約1．3m～1．9m，根據(jù)梁截面加大的構(gòu)造要求，原梁兩側(cè)需加寬250mm，因該托梁上負(fù)荷三層樓蓋結(jié)構(gòu)的荷載，經(jīng)計(jì)算托梁的截面高度需要1．5m才能滿足結(jié)構(gòu)安全性和適用性要求。因原有框架柱的存在，新增轉(zhuǎn)換梁縱筋較難貫通，因此盡量將縱筋布置在兩側(cè)，少量縱筋在已有柱內(nèi)植穿。為提高轉(zhuǎn)換梁在集中力作用下的抗裂能力，彌補(bǔ)轉(zhuǎn)換梁在已有框架柱的位置無法設(shè)置加密箍筋的不足，設(shè)計(jì)中在拔柱處的梁內(nèi)增設(shè)水平箍筋和構(gòu)造縱筋形成暗柱，暗柱以外設(shè)置梁加密箍筋，同時(shí)設(shè)置彎起鋼筋，共同抵抗該處剪力，提高轉(zhuǎn)換梁的局部承載力(見圖8)。

7結(jié)語

本工程主要介紹了既有建筑在改造中遇到的托梁拔柱關(guān)鍵技術(shù)問題。采用了兩種軟件PKPM和ETABS進(jìn)行分析抽柱過程對(duì)整體剛度以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的影響，并將ETABS結(jié)果與SATWE結(jié)果進(jìn)行對(duì)比做包絡(luò)設(shè)計(jì)。并闡述了整個(gè)托梁拔柱的施工過程合理安排施工順序的重要性。目前改造建筑中因其他各種需求對(duì)既有建筑拔柱的需求越來越多，這里介紹的加大截面法及相關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可供同類工程借鑒。

參考文獻(xiàn):

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作者：汪敏 單位：華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司