托梁拔柱技術在超高層建筑改造中的應用

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

上海某大樓為20層框架剪力墻結構的超高層建筑，高108 m，頂層層高3.85 m，板厚150 mm，在屋面上布置有擦窗機軌道，鋪設有保溫防水層。為得到更好的視覺效果，滿足大空間使用功能要求，現欲拆除20層南側1根混凝土圓柱，如圖1所示。拆柱后結構梁由原來的雙跨變成單跨，跨度增大至18.8 m。

根據對現場施工情況的復核，發(fā)現拔柱工程存在以下不利因素[1-3]：

1）拔柱后，原有建筑物的內力傳遞路徑發(fā)生顯著變化，剩余結構構件已不能滿足承載能力和正常使用的要求，必須對其進行加固補強處理后方可使用。

2）可供操作的空間有限，安全要求高。大樓20層以下樓面正在使用中，來往人員較為密集。施工操作只能在20層及屋面進行，立體安全防護要求高。

圖1 拆柱施工平面示意

3）屋面層及擦窗機軌道需拆除并重新鋪設。為防止拆柱后屋面結構的下撓變形引起防水層開裂、軌道變形等情形出現，需要將部分屋面層及擦窗機墩子鑿除，必要時還需將擦窗機軌道面提高。

2 加固方案比選

依據改造前后屋面使用荷載情況，用ETABS有限元分析軟件建立大樓結構受力模型，對新老結構體系進行受力分析，研究托梁拔柱對結構承載能力和抗震性能的影響。在得到有關荷載數據后，提出對L1梁、L2 梁、Z1柱、Z2柱及部分屋面板進行加固的方案。其中大跨度構件L1梁擬定如下3種加固方案[4-6]：

1）預應力加固法。根據工藝特點，擬采用三折線的預應力布置形式，利用多根標準型鋼絞線，對稱布置在L1梁的兩側偏底部。體外預應力拉索的轉向塊布置在原有梁體的梁高范圍內。拉索張拉端和固定端分別布置在Z1柱、Z2柱屋面位置。但現場勘察發(fā)現，該部位可利用的位置有限，固定和張拉操作的難度較大。另外預應力加固法需要間隔一段時間后重新進行檢測，必要時還需張拉鋼絞線，施工作業(yè)比較復雜。

2）增大截面加固法。將屋面上原有的擦窗機梁鑿除后，增大L1梁截面。在上部新澆層內增設受壓鋼筋，在下部新澆層內增設受拉鋼筋，箍筋則與原梁箍筋焊接連接。但現場無土建塔吊，所需鋼筋只能通過室內電梯逐段運輸，用套筒連接加長后使用。

3）粘鋼加固法。在L1梁底面和頂面粘貼一定數量鋼板，在梁端部和跨中間隔布置U形鋼板箍，利用化學螺栓錨固。此法對結構膠耐久性、粘接性要求較高。

綜合考慮3種加固方式的特點，結合安全適用、耐久方便的原則，最終選定采用增大截面法對L1梁進行加固改造。該法施工方便，能夠避免預應力方案日后的檢測復拉、粘鋼加固耐久差等缺點。

而對其他構件則采用粘鋼加固和碳纖維加固法進行。對L2梁采用粘貼鋼板方式加固，對Z1柱和Z2柱節(jié)點采用粘貼碳纖維并增加環(huán)梁方式補強，對部分屋面樓板則采用粘鋼加固和碳纖維加固法相結合的方式加固。

3 加固設計

軟件分析結果顯示，L1梁拆柱前跨中最大彎矩為434 kN·m，拆柱后彎矩增大為1 519 kN·m，支座負彎矩也由810 kN·m增大為2 248 kN·m。利用增大截面方案設計L1梁，使其截面由原來的900 mm×900 mm擴大為900 mm×1 800 mm，其中上部增加600 mm，下部增加300 mm。在上部的新澆層內布置Ⅲ級10φ32mm鋼筋，在下部新澆層內布置Ⅲ級14φ32mm鋼筋，同時布置φ10 mm@100 mm的箍筋與原梁箍筋焊接。如圖2所示。

為保證L1梁新增鋼筋連接牢固，在Z1、Z2柱上端設置環(huán)形箍板，將L1梁底新增縱筋的50%穿越柱芯后與箍板焊接，50%直接焊接在箍板上（圖3）。

圖2 L1梁增大截面剖面示意

圖3 Z2柱節(jié)點剖面示意

L2梁端部節(jié)點內力在拆柱前后變化較大，支座負彎矩由275 kN·m增大為846 kN·m。因此加固設計時，在L2梁頂面粘貼Ⅲ級600 mm×4 mm鋼板2層對其進行加固補強。

鑒于拆柱后屋面會略微下沉，屋面板受力不均，在靠近擦窗機軌道位置鋪貼150 mm×3 mm鋼板，鋼板間距600 mm。鋪貼位置如圖4所示。

經計算，拆柱后Z1、Z2柱承擔了更多的屋面荷載。原有配筋受力已接近設計極限。為安全起見，采用粘貼碳纖維的方法進行補強。沿Z1、Z2柱高間隔200 mm粘貼2層寬300 mm碳纖維布。

同時為保證托梁拔柱作業(yè)的順利實施，在主次梁和梁柱節(jié)點處增設格構柱支撐，臨時傳遞荷載。該支撐由4根100 mm×10 mm角鋼焊接而成，上下兩端焊接厚6 mm蓋板，通過M14化學螺栓與梁連接牢固。支撐在改造施工完成、結構穩(wěn)定后再予以拆除。

圖4 屋面粘鋼及支撐布置示意

4 施工及卸載過程

柱子的拆除改變了原有結構的傳力體系，引起結構內力的重新分布，因此托梁拔柱的施工順序至關重要。本次改造按先托梁、再拆柱、后加固、最后卸載的施工順序進行。

改造前，首先在圖4中位置布置格構柱支撐，后鑿除待拆柱，完成首次結構體系轉化。待下撓變形趨于穩(wěn)定，開始鑿除L1梁、L2 梁、Z1柱、Z2柱保護層和部分屋面保溫防水層，露出原有結構鋼筋。按照加固設計方案對主體結構進行增大截面、粘鋼加固和粘貼碳纖維加固。現場加固照片如圖5所示。

圖5 施工現場情況

加固施工完畢且結構養(yǎng)護完成后，進行格構柱支撐的卸載作業(yè)。為保證結構安全，經力學分析，制定了逐級、逐步的卸載流程。該卸載流程如下：卸載Z1柱旁2根格構柱支撐→卸載Z2柱旁3根格構柱支撐→卸載拆除柱旁L2梁下的1根格構柱支撐→卸載剩余2根格構柱支撐。后次卸載須在前次卸載結構變形趨于穩(wěn)定后才能進行。

5 監(jiān)測控制

使用高精度測量儀器和靜態(tài)應變測量系統(tǒng)，對托梁拔柱改造施工實施全程監(jiān)測。

沿框架梁方向布置4個測點（圖6），架設全站儀，記錄托梁拔柱階段和卸載階段的變形數據。利用預先粘貼于梁柱鋼筋和格構柱支撐表面的應變儀，來掌握受力鋼筋和支撐上的應力變化，為施工提供數據支持。

圖6 監(jiān)測測點布置

1）卸載完成后，L1梁體正中點處最大撓度實測值為10.2 mm，遠小于梁撓度控制值L/1 000（18.8 mm），也小于理論計算撓度17.8 mm。

2）梁柱受力鋼筋應力和格構柱支撐應力在卸載過程中變化較大，在最后一次卸載前達到最大值。卸載完成后，鋼筋應力趨于穩(wěn)定，在正常設計值許可范圍內。

6 結語

在利用ETABS有限元軟件對結構體系進行力學分析的基礎上，本次托梁拔柱改造工程遵循先托梁、再拆柱、后加固、最后卸載的施工順序，采用傳統(tǒng)的加固工藝技術對18.8m大跨度結構體系進行加固補強，以滿足結構承載力和撓度的要求。改造后監(jiān)測數據顯示，結構體系穩(wěn)定，托梁拔柱加固補強效果明顯[7,8]。