大跨度連續托梁換柱施工技術

沈榮飛 鄭 偉

1. 蘇州工業園區金雞湖城市發展有限公司 江蘇 蘇州 215000；2. 蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215001

1 工程概況

蘇州中心廣場項目位于蘇州工業園區湖西CBD核心區域（圖1），項目總占地面積約15.4 hm2，規劃地上總面積約1 300 000 m2，地下總建筑面積約500 000 m2，共分為外圈H、D、E街區和內圈A、B、C街區。

圖1 蘇州中心現場

本次蘇州中心廣場蘋果公司店鋪（下稱“蘋果店”）改造工作涉及到的區域位于已建結構的B區，本項目的基本改造內容是：梁、柱加固，抽柱，樓面開洞形成中庭等改造。在蘋果店范圍內拔除Z5、Z8兩根柱（S03軸線位置/SE1、SD1），抽柱剖面見圖2，柱位如圖3所示。柱位圖在L2樓層相關區域開洞形成中庭，同時考慮后期L2層此處中庭樓板的恢復設計。

圖2 拔除柱剖面示意

圖3 托換梁平面示意

2 大跨度多層整體抽柱改造加固方案的選擇

本次托梁抽柱施工共提出了3種技術，方案1為預應力托換技術，方案2為梁柱增大截面及梁柱節點加固技術，方案3為原結構增加鋼桁架形成組合受力結構。

預應力托換技術是目前一種新興的施工技術[1-4]，考慮到蘇州中心蘋果店作為綜合商業體，其加固設計年限要求高，預應力技術考慮后期的預應力損失和失效問題可能會縮短使用年限，因此該方案僅可用作比較方案；原結構增加鋼桁架形成組合受力方案存在二次受力問題，其加固傳力體系目前計算理論尚無明確的標準規范，因此，該方案也只能作為備選方案；增大截面技術主要為：在梁4個方向增設鋼結構圍套，2個方向主梁均采用增大截面加固法加固。原主梁四周再布置抗剪焊釘剪力鍵，增加新老混凝土結構的連接，保證新老混凝土的共同受力，該方案技術成熟可靠，加固效果明顯。

綜合上述分析，以增大截面施工技術作為多層整體抽柱改造的最終推薦方案。

3 大跨度連續托梁換柱施工實施方案

3.1 大跨度連續托梁換柱抽柱前結構加固

在加固結構的強度和力學性能不滿足設計指標要求時，不得強行抽柱。對于設計要求先加固后拆除的，必須按照設計要求進行加固；先拆除板，再拆除次梁，最后拆除主梁；對于拆除后保留結構需要臨時支撐的，必須采取臨時支撐措施。

本工程加固的重點和難點是梁柱節點位置，現場實施方案：在梁4個方向增設鋼結構圍套，并采用連接鋼板將圍套焊接成整體，以保證原梁在節點位置4個方向上力的傳遞，增加傳力路線，增大梁端的截面剛度。梁柱節點位置采取圍套施工加強（圖4）。

圖4 圍套施工

3.2 大跨度連續托梁換柱抽柱結構托換支撐系統

蘇州中心改造施工期間，室內無大型吊裝設備，格構柱的拆除層間運輸困難，為此，創新性地提出了工具式格式柱的設計思想。可拆卸式格構柱標準節自重在2 000～3 000 N范圍，長度0.6～1.0 m，在大型塔吊和吊裝設備不具備施工作業條件的情況下，可以采用施工電梯、卷揚機吊裝即可，能適應復雜的施工邊界條件。可拆卸式格構柱材料采用M20高強螺栓連接，可以按照建筑標高做成標準節和調高節段，方便組裝和拆除。格構柱頂部和底部均采用厚度2 cm、高度20 cm的Q235鋼板做成加勁肋，防止在托換荷載的作用下局部應力集中而出現變形。設計時兼顧考慮了下一層梁體的抗剪驗算，對下一層梁體的附加荷載最小。底部采用化學錨栓和原梁連接為整體，可以防止平面內的失穩傾覆（圖5）。

圖5 可拆卸式托梁換柱支撐總體布置

3.3 大跨度連續托梁換柱抽柱結構切割

切割采用最新的無損切割中的鏈式切割技術。

室內大型施工設備受限制的吊裝方法：考慮到結構內部大型吊裝設備無法作業，吊裝能力有限，故必須對置換下來的節段進行精細化分解，綜合考慮吊裝能力，最終確定切割節段的長度，分塊質量應根據吊裝能力以1.0～1.5 t較佳。選取在切割柱體總高兩端1/3處采用鉆孔機各鉆出吊裝孔，孔徑25～30 mm為佳。被拆除的構件應避免因集中堆放造成樓板應力集中而影響結構安全。

3.4 大跨度連續托梁換柱抽柱結構監測

由于是在既有結構上進行局部改造加固，致結構體系發生了一定改變，使得整個總體結構體系發生內力重分布，對鄰近原有結構產生一定影響。所以在整個改造加固過程中，需要對改造加固區域和原有建筑區域進行應力應變和變形監測。

監測內容：

1）加固改造施工前的加固區域內及相鄰周邊梁、柱應力應變測點的布置，構件初始值讀取。

2）加固改造施工過程中，加固區域內及相鄰周邊梁、柱的應力應變值定期采集和構件的外觀和裂縫檢查，梁撓度的定期監測。

3）截柱前后，加固區域內及相鄰周邊梁、柱的應力應變值實時采集和構件的外觀變形和裂縫檢查檢測，梁撓度的實時監測。

4）加固施工完成后，加固區域內及相鄰周邊梁、柱的應力應變值定期采集和構件的外觀和裂縫檢查，梁撓度的定期監測。

撓度釋放采用PLC控制液壓同步系統由液壓系統實施。所述PLC控制液壓同步系統由液壓系統（油泵、油缸等）、檢測傳感器、計算機控制系統等幾個部分組成，可以全自動完成同步移位，實現力和位移控制、操作閉鎖、過程顯示、故障報警等多種功能。

撓度分為N級釋放，每級釋放撓度的20%為佳。

現場監測數據表明：抽柱瞬間結構的撓度變化遠小于設計預警值，撓度發生時，內力重分布在瞬間發生，表明梁柱及梁柱節點區域加固設計施工具備足夠的安全系數。體系在瞬間轉化，梁的撓度釋放后荷載安全傳遞到兩側的梁柱節點。

4 大跨徑整體多層連續抽柱數值分析

在施工前，我們即對格構柱的支撐傳力模式進行了建模分析，同時考慮了加固梁失效和不失效兩種狀態，其中加固梁失效為更不利的受力狀態，建模時將2層懸臂梁和格構柱斷開，格構柱和梁的抗剪驗算均滿足要求（圖6～圖8）。

圖6 支撐軸力計算

圖7 位移計算

圖8 柱軸力分布和變形

計算表明，抽柱Z5后S02-S04/SE1梁的彎矩發生了重分布，且峰值較大，主要是該梁承受了了x、y雙向荷載的影響，這與實際加固是一致的，其中，梁的支撐系統的設計和安全控制是抽柱的關鍵。

采用通用有限元軟件對B梁進行局部應力分析，結構梁局部應力偏大，因此在拆除2層柱時，支撐設置在2、1、B1、B2層。其間，著重對B1頂板梁新澆筑疊合梁進行截面抗剪復核：主節點富余剪力400 kN，截面700 mm×400 mm；次節點富余剪力340 kN，截面700 mm×350 mm，最大軸力傳遞到B1梁的剪力為284.5 kN，實際荷載存在不均勻分布。按偏保守考慮，認為一個格構柱傳遞569 kN剪力，則梁的富余剪力已經不滿足，因此需要支撐到B2層（下部有剪力墻結構，可以滿足傳力要求）。

5 結語

1）提出了狹小空間支撐系統的設計和安裝技術，提出了一種可拆卸式化整為零的工具式格構柱支撐。

2）托梁換柱體系轉換復雜，我們針對梁柱節點加固提出了圍套加固方案：梁4個方向增設鋼結構圍套，并采用連接鋼板將圍套焊接成整體，保證原梁在節點位置4個方向上力的傳遞，增加傳力路線，增大了梁端的截面剛度。

3）復雜空間結構施工階段的體系轉換模擬分析：采用有限元軟件模擬了支撐結構底部抗剪梁的力學效應，分析了小剪跨比梁的撓度應力，保證了支撐的承載力要求，同時對格構柱的支撐傳力模式進行了建模分析，同時考慮了加固梁失效和不失效兩種狀態，其中加固梁失效為更不利的受力狀態，保證了結構在最不利情況下的失效概率和結構的承載力最優化。我們認為：為了節省工期和節省材料，可以間隔布置支撐，即根據有限元數值模擬計算，支撐不必一次性設置到地下室底板。考慮到材料的循環利用和周轉，本次工程提出了用連續3層的3道梁來承擔1層柱切斷瞬間釋放的荷載。抽柱施工期間支撐結構和支撐梁的應力撓度均滿足規范要求；撓度釋放采用PLC同步頂升系統控制、分級釋放技術，偏于安全。

4）從支撐體系創新、監測體系創新、加固體系創新和結構傳力體系創新等多方面提出了可靠的、通用性強的、經濟環保的施工技術。

本工程的成功應用可為同類工程提供參考借鑒。