某商業(yè)樓改造過(guò)程剪力墻拆除順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響

耿慶和 陳景山 董磊磊

(山東省建筑設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250001)

1 引 言

某商業(yè)綜合樓位于濟(jì)南市泉城路南側(cè)，為地上15層、地下2層的框架-抗震墻結(jié)構(gòu)。1995年3月設(shè)計(jì)，1997年竣工，使用至今。現(xiàn)由于功能調(diào)整，地下2層到5層不再設(shè)置電梯1(DT1)，并對(duì)DT1井道進(jìn)行封堵作為其他用途，6層及以上DT1繼續(xù)使用，如圖1所示。針對(duì)此功能調(diào)整，制定了兩種改造方案：①電梯井混凝土剪力墻Q1～Q3自基礎(chǔ)頂至屋頂全部拆除，如圖1(c)所示；②僅拆除基礎(chǔ)頂至5層頂?shù)腝1～Q3，6層以上剪力墻保留，如圖1(d)所示。

考慮到施工過(guò)程中的先后順序及難易程度制定了三種拆除順序：①Q(mào)1～Q3自下而上拆除；②Q1～Q3自上而下拆除；③先自下而上拆除Q1、Q2，然后自上而下拆除Q3。

本文通過(guò)施工順序模擬和結(jié)構(gòu)實(shí)際受力分析，比較了幾種改造方案和拆除順序的優(yōu)劣，最終采用了改造方案2和拆除順序3。為了便于分析，本文中所有截圖均為邊榀四跨，如圖1所示。

2 改造方案對(duì)比

方案1具有以下優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)受力明確，便于計(jì)算；②結(jié)構(gòu)概念清晰，避開(kāi)了拆除交界處的梁作為轉(zhuǎn)換梁使用；③減小了結(jié)構(gòu)整體剛心和質(zhì)心的偏置；④避免了6層以上剪力墻作為深懸臂構(gòu)件與轉(zhuǎn)換梁之間的協(xié)調(diào)變形。但方案1也存在以下缺點(diǎn)：①剪力墻全部拆除后對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響較大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移角有較明顯變化；②拆除量大，對(duì)原結(jié)構(gòu)破壞范圍大[2]；③加固范圍大、造價(jià)高、工期長(zhǎng)；④影響DT1在6層以上的正常使用。

圖1 電梯拆除示意Fig.1 Illustration of the elevator remoue

方案2具有工期短、造價(jià)低、拆除量小、加固范圍小、對(duì)原結(jié)構(gòu)破壞小，結(jié)構(gòu)抗側(cè)體系改變小；缺點(diǎn)是豎向構(gòu)件不連續(xù)，計(jì)算分析工作量較大。

本文采用SAP2000模擬拆除過(guò)程[1]，圖2為整體模型在改造范圍的局部截圖。以柱1和梁1(圖1(a)、圖4)為例，比較了改造前后構(gòu)件在5～7層A端支座和柱頂處的內(nèi)力(標(biāo)準(zhǔn)“恒+活”工況下)，如表1、表2所示。

圖2 SAP模型示意Fig.2 SAP model

圖3 梁、柱位置示意Fig.3 Beam and column position

表1梁1在A端處的內(nèi)力

Table1Internalforceofbeam1atA

梁15層改造前方案1方案26層改造前方案1方案27層改造前方案1方案2彎矩/(kN·m)35.6-10.2-76.444.2-4.6-205.854.723.5-153.7剪力/kN16.9-40.1-71.524.4-37.8-184.430.4-31.9-136.4

表2柱1頂部?jī)?nèi)力

Table2Internalforceatthetopofcolumn1

柱15層改造前方案1方案2改造前6層改造前方案1方案2改造前7層改造前方案1方案2彎矩/(kN·m)-110-65-46.5-126-75-20.9-113-6594.6剪力/kN-60.5-35.6-12.4-67.5-39.80.8-46.9-26.648軸力/kN2 8784 0803 9302 6453 7203 5372 4003 3323 034

對(duì)比表1、表2數(shù)據(jù)可知，方案1中梁的變化幅度較小，但在7層處受力方向發(fā)生變化，分析原因是DT1剪力墻全部拆除后，結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力重分布，導(dǎo)致柱1及DT2與Q1、Q2相交處墻的軸力均變大，使得相應(yīng)的柱和剪力墻的軸向變形變大，7層以上柱的壓縮變形幅度大于剪力墻變形幅度較多[3]，故7層以上梁1在A端是梁底部受拉，而在6層以下柱的變形幅度相對(duì)于剪力墻變小，故6層以下梁1在A端是梁頂部受拉。

方案2在6層處梁內(nèi)力最大，原因是此處梁起到了轉(zhuǎn)換的作用，梁負(fù)彎矩自6層往上遞減，并逐漸變號(hào)，原因是墻拆完后，剩下的墻類似于一懸臂深梁，在靠近6層處的剪力墻向下?lián)锨易冃畏却笥谥?變形，柱1給懸梁起到了支援作用，故梁1在A端負(fù)彎矩較大；向上隨著懸臂剪力墻高度的變大及荷載的減小，懸臂剪力墻的變形又小于了柱1的變形，懸臂剪力墻對(duì)柱1起到了支援作用，故隨著樓層的增加，梁1在A端的彎矩符號(hào)發(fā)生了變化。6層以下的內(nèi)力變化不大，柱1和保留的剪力墻都對(duì)梁起到了支撐作用。

結(jié)合圖4各工況下結(jié)構(gòu)的變形圖可以驗(yàn)證以上論述。

由圖4還可以發(fā)現(xiàn)，方案2的結(jié)構(gòu)側(cè)移要大于方案1，原因是方案2中上部剪力墻和下部剪力墻的重心不重合，使剪力墻在豎向荷載作用下產(chǎn)生彎曲變形，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移。表3列舉了柱1和Q4(圖1)在基底的支座反力。比較發(fā)現(xiàn)方案2中柱1反力相對(duì)于方案1較小，Q4的反力稍大于方案1，可見(jiàn)兩種方案對(duì)基礎(chǔ)的影響相近。

圖4 各方案下的側(cè)向變形圖Fig.4 The horizontal deformation pattern of different plans

表3基底反力

Table3Reactionforceatthebase

構(gòu)件柱1改造前方案1方案2Q4改造前方案1方案2反力/kN4 4006 1006 00711 20011 70012 500

通過(guò)以上比較，兩種方案對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力影響都較大。但是考慮到拆除的工作量、施工工期、造價(jià)、施工難易程度、對(duì)原結(jié)構(gòu)破壞程度等因素，最終選擇改造方案2。圖5、圖6為經(jīng)方案2改造后的結(jié)構(gòu)布置，圖5中斜線填充區(qū)域?yàn)樾略隽憾危瑸榱吮阌谛略隽褐ё摻畹腻^固，分別在梁端部增加了框架柱[4,6]。

3 拆除順序選擇

分析過(guò)程中采用SAP2000模擬了拆除順序?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，按照一層一個(gè)施工工序，拆除順序1(自下而上拆除Q1～Q3)和拆除順序2(自上而下拆除Q1～Q3)劃分為7個(gè)施工步驟；拆除順序3劃分為14個(gè)施工步驟，其中第1～7步是自下向上拆除Q1、Q2，第8～14步是自上向下拆除Q3。以圖3所示梁1為例，比較各施工階段梁1的A端內(nèi)力變化。

圖5 地下2～6層結(jié)構(gòu)布置圖Fig.5 Structure layout form -2nd to 6th floor

圖6 7層至屋頂結(jié)構(gòu)布置圖Fig.6 Structure layout from 7th floor to roof

圖7-圖10分別是三種拆除順序在每個(gè)施工步驟下4～7層處梁1的內(nèi)力變化，得出以下結(jié)論：

(1) 4層和5層的線型相似，三種拆除順序均有內(nèi)力的突變；6層和7層的線型相似，僅拆除順序2和3有明顯的內(nèi)力突變。

(2) 拆除順序2和3在內(nèi)力突變以前及以后的內(nèi)力變化幅度小于順序1。

(3) 拆除順序1的內(nèi)力極值及內(nèi)力突變處均為本層剪力墻拆除時(shí)產(chǎn)生的；拆除順序2和3的內(nèi)力突變發(fā)生在本層剪力墻拆除時(shí)，內(nèi)力極值發(fā)生在上一層剪力墻拆除時(shí)。

(4) 三種拆除順序的最終內(nèi)力基本一致，其中拆除順序2和第8步以后的順序3變化趨勢(shì)及數(shù)值基本一致，Q3是整個(gè)拆除過(guò)程的關(guān)鍵。

(5) 以6層為界限(剪力墻拆除截止處)，-1～5層的內(nèi)力變化同圖7、圖8相似，6層至屋頂?shù)膬?nèi)力變化同圖9、圖10相似。

圖7 四層處梁1的A端內(nèi)力Fig.7 Internal force of the beam 1 in the fourth floor

圖8 五層處梁1的A端內(nèi)力Fig.8 Internal force of beam 1 in 5th floor

通過(guò)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)拆除順序1和2的每一個(gè)施工步驟都對(duì)構(gòu)件的受力產(chǎn)生了較大的影響，在施工之前需對(duì)全樓進(jìn)行加固，但是-1～6層的加固只有在拆墻的前提下才能有工作面進(jìn)行，所以兩者之間存在矛盾，施工難度較大。相比而言，施工方案3在第8步之前即5～6層之間的Q3拆除之前，構(gòu)件的內(nèi)力變化較小，經(jīng)驗(yàn)算均在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力范圍內(nèi)，故在第8步之前的各個(gè)施工步驟中，不需要對(duì)整樓進(jìn)行全面加固[7]，只需要加固本層的構(gòu)件使之能滿足第8步以后及正常使用過(guò)程中的承載力要求，待-1層至屋面所有的樓層加固完成并形成強(qiáng)度后再進(jìn)行第8步以后的拆除任務(wù)，保證了結(jié)構(gòu)的安全同時(shí)減小了施工的難度和工作量。故本工程在改造過(guò)程中選擇拆除順序3。

圖9 六層處梁1的A端內(nèi)力Fig.9 Internal force of beam 1 in 6th floor

圖10 七層處梁1的A端內(nèi)力Fig.10 Internal force of beam 1 in 7th floor

為了更進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)的安全，在5～6層之間的Q3拆除之前，要求施工單位在Q3上橫向切開(kāi)一道2 cm的縫隙，觀察整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形及檢查加固后的構(gòu)件是否產(chǎn)生了破壞，在所有的安全隱患排除之后再進(jìn)行Q3的拆除。

4 結(jié) 論

本文以實(shí)際工程為例進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造要充分考慮施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件受力的影響，并對(duì)其進(jìn)行加固；不能僅僅以改造完成后正常使用過(guò)程中的受力作為加固的依據(jù)。

(2) 結(jié)構(gòu)在改造過(guò)程中應(yīng)盡量避免或減小對(duì)結(jié)構(gòu)原有的抗側(cè)力體系的破壞。

(3) 改造過(guò)程中充分考慮鋼筋的錨固，創(chuàng)造條件滿足鋼筋的錨固要求。

(4) 改造方案首先要保證結(jié)構(gòu)受力合理、安全，在此基礎(chǔ)上綜合考慮工期、造價(jià)和施工難度等問(wèn)題。

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