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(wèn)題。利用ETABS的施工模擬分析功能，模擬既有建筑物拔柱過(guò)程，并采用兩種軟件PKPM和ETABS分析抽柱過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)，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?yáng)|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(lái)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(jiàn)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(guò)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(wèn)題是靜力荷載作用下原框架柱軸力的傳遞路徑問(wèn)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)程，不能模擬既有結(jié)構(gòu)抽柱過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)轉(zhuǎn)換梁傳遞至兩側(cè)框架柱，再通過(guò)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(kāi)始至千斤頂卸載結(jié)束，必須全過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(jiàn)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(wú)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(jiàn)圖8)。

7結(jié)語(yǔ)

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(wèn)題。采用了兩種軟件PKPM和ETABS進(jìn)行分析抽柱過(guò)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(guò)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(lái)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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［3］DBJ/T15—182—2020，既有建筑混凝土結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

作者：汪敏 單位：華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司