某抽柱結構工程改造設計

■ 金云飛 JIN Yunfei 劉 郁 LIU Yu 朱蓉蓉 ZHU Rongrong 白記東 BAI Jidong

1 工程概況

泰康健康管理研究中心二期工程位于北京市昌平區，抗震設防烈度為8度，場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第一組。地上由5個單體及單體間的連廊組成，地下室連為一體。除W單體采用現澆鋼筋混凝土框架結構之外，其余地上單體均采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，連廊C 1、C 3采用鋼梁式結構體系，C 2采用鋼桁架結構體系。各單體位置如圖1所示。采用梁板式筏形基礎，以采用自重平衡式抗浮為主，在自重無法滿足抗浮要求的部位設置抗拔樁。

圖1 項目平面圖

該項目于2 0 1 5年完成主體結構驗收，并于2 0 1 6年增加S W單體L 2層會議功能，抽掉③/ 軸線處混凝土柱（圖2），將局部8.4 m柱網調整為1 6.8 m柱網。S W單體為地下2層地上5層的現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，框架抗震等級Ⅲ級，剪力墻抗震等級Ⅱ級，結構總高度為2 2.5 m。被拔柱子生根在L 2層預應力轉換梁上，轉換梁截面9 0 0 mm×1 7 0 0 mm，設置4 8根直徑1 5.2 mm的預應力鋼絞線。

圖2 L 3層平面圖（上北下南）

圖3 四層頂轉換梁簡圖

圖4 五層數字軸拉索簡圖

圖5 鋼斜撐簡圖

本次改造范圍包括S W單體三、四層③/ 軸抽柱子時引起內力重分配的相關區域，通過改變原受力路徑，實現大跨的目的。改造后抗震等級不變。

2 改造設計原則

此次改造設計遵循幾條初衷：①該項目已近完成且投入使用，應避免拆除報告廳裝修；②屋頂防水保溫也已近做完，應避免屋頂加固后，后期產生滲漏情況。

被截柱子原軸力恒載1 5 4 6 k N，活載2 8 7 k N，組合最大值2 3 6 9 k N；原剪力X向地震1 2 k N，Y向地震1 3.2 k N（占樓層剪力0.1 5%）。考慮到該建筑物兩端存在混凝土交通核，該柱子對樓層剛度貢獻較小，因抽柱子引起的地震力重新分布對周邊結構影響也較小。因此，判斷抽柱子需主要解決的問題是靜力荷載作用下原柱子的傳遞路徑問題。本文將列舉多個改造方案進行對比。

3 結構改造方案對比

3.1 方案一

加大四層頂截面，并加設轉換梁（圖3）。

（1）優勢：無需對原結構轉換梁進行加固；原結構轉換梁反拱量??；與裝修平面無沖突。

（2）劣勢：影響四層凈高，尤其是非挑空范圍的凈高；設計難度一般，施工周期較長。

3.2 方案二

設置預應力拉索（圖4）。

（1）優勢：無需對轉換梁進行加固；轉換梁反拱量小。通過合理控制索軸力，可以在一定程度上控制抽柱的影響范圍。

（2）劣勢：與目前裝修方案沖突，設計難度較大；造價高，施工難度大；拉索為受拉構件，節點設計復雜。

3.3 方案三

設置鋼斜撐（圖5）。

（1）優勢：無需對轉換梁進行加固；轉換梁反拱較??；斜撐為受壓構件，節點設計容易。

（2）劣勢：與目前裝修方案沖突，設計難度較大。

3.4 確定方案

對比上述方案，考慮到方案二的拉索拉力較大，節點處理較為困難；而經與業主協調，可通過后續的裝修來減少南北向設置支撐所帶來的影響。因此，最終采用方案三，設置鋼斜撐。

4 結構改造分析與設計

4.1 防倒塌分析

考慮該項目拔柱的特點，為避免施工過程中發生意外情況，根據已有配筋，采用防連續倒塌設計。

4.1.1 方法一

按照美國國防部《建筑抗連續倒塌設計》（U F C 4—0 2 3—0 3）（簡稱D o D 2 0 0 5）施加荷載，荷載組合為：1.2D L+0.5L L+0.2W，其中，D L為恒荷載，L L為活荷載，W為風荷載。

將上述荷載并考慮動力放大系數D I F 2.0，施加到S A P 2 0 0 0結構模型中，S A P 2 0 0 0先按照實配鋼筋設置塑性鉸模型。塑性鉸模型計算結果如圖6所示。

4.1.2 方法二

按照D o D 2 0 0 5的修訂版D o D 2 0 0 9，采用拆除構件法對其進行了抗連續倒塌研究[1]。該研究結果可以用于同類結構抗連續倒塌設計的依據。使用S A P 2 0 0 0進行數值模擬，施加與原柱子相等的反向荷載于結構上，并在規定時間內撤出該荷載。計算簡圖如圖7所示。梁柱端部截面設置了塑性鉸，采用拆除構件法，對其進行抗連續倒塌分析。

4.1.3 分析

結合以上分析結果，現有構件承載力能滿足防連續倒塌，分析其原因，主要是由于層數較少（只有1層），荷載相對較小。但在實際過程中，還是采取了臨時支撐，避免加載突然。

4.2 L 2層預應力轉換梁分析

圖6 計算結果

對比表1發現，轉換梁上節點荷載（原被抽柱荷載）位置的改變，導致轉換梁上的荷載重新分布：①彎矩有所減少，其原因是荷載作用位置至支座處的距離減少；②南側支座剪力減少，北側支座附加增加，原因是原被抽柱荷載通過斜撐傳遞到兩邊柱上，兩側柱軸力增加，導致轉換梁剪力有所增加。復核已有箍筋和預應力切向分量[2]的作用，承載力滿足改造后需求。

4.3 施工模擬分析

采用Y J K模擬拔柱子情況是關系到后續分析的重要環節，本設計將通過施工模擬步驟來實現。在模擬過程中，抽柱相關范圍內四層頂及五層頂結構定義為最后一步加載構件（圖8）。計算得Y J K南、北兩邊支撐軸力分別為1 6 6 4 k N、1 2 8 3 k N，相差1.2 9倍。若不考慮相關范圍，最后一步加載Y J K南、北兩邊支撐軸力分別為1 9 4 1 k N、9 9 6 k N，相差1.9 5倍。

采用S A P 2 0 0 0進行施工模擬，并通過非線性階段施工靜力工況實現。按增加1層結構便施加1層荷載的順序，至屋頂后增加斜撐，最后拆除柱子。計算得到南、北兩邊支撐軸力分別為1 1 2 4 k N、1 3 3 5 k N，相差1.1 9倍。與Y J K施工模擬分析結果接近，說明該方法是可行的。

4.4 節點分析

新增鋼支撐與原結構連接節點相對復雜，采用有限元對比分析不同方案下錨栓、鋼結構應力情況（圖9、1 0）。①方案一：下柱上端完全封閉，上柱下端三面包鋼板；②方案二：下柱上端、上柱下端三面包鋼板；③方案三：下柱上端、上柱下端完全鋼板封閉。

圖7 計算簡圖

三種方案錨栓計算結果見圖1 1～1 3。結果顯示，對錨栓受力影響不大，錨栓最大拉力約1 6 k N；最大剪力約2 2 k N。三種方案對連接鋼板應力基本一致（圖1 4～1 6），最大應力出現在斜撐翼緣與梁連接處應力集中，面積很小且應力集中系數不超過1.1，可以接受。為減少角部的應力集中現象，端部兩側將在設計圖紙中增加封板減少應力集中。

通過以上分析可見，現有節點形式可滿足斜撐傳力要求。從各方案比較結果顯示，四面圍鋼與三面圍鋼從錨栓、連接板、原結構及方面受力均無明顯變化。從結構整體受力角度考慮，最后采用上、下均四面圍鋼的節點方案。

4.5 施工步驟

（1）梁底面側面粘鋼，等膠達到強度后，安裝臨時支撐及測量儀器、儀表等（圖1 7）。

圖8 Y J K施工模擬計算簡圖

表1 不同改造加固方式所引起的改造部位數量

圖9 有限元單元節點模型

（2）臨時支撐預加軸力（單個千斤頂預加軸力1 0 k N），進行五層相關構件的加固改造：①樓板局部開洞，五層頂節點區粘鋼；②③軸柱外包鋼柱子，樓板鋼筋與柱子外包鋼板進行連接；③進行梁頂粘鋼加固；④鋼板與外包鋼柱焊接，黏鋼板采用壓力注漿；⑤樓板碳纖維布加固。

（3）架設鋼斜撐，進行與周邊構件連接。

（5）卸載如圖1 7所示的1、4號千斤頂2 0%荷載。

（6）卸載如圖1 7所示的2、3號千斤頂2 0%荷載。

（7）循環（5）、（6）步驟，直至千斤頂完全放松。若位移達到預警值，而千斤頂仍未松開，則需要進行排查，等處理完后方可在繼續。

（8）拆除柱子及周圍支撐結構，清理現場，完成拆除工作。

4.6 關鍵節點設計注意事項

圖1 0 三種方案區別

圖1 1 方案一錨栓受力情況

圖1 4 方案一鋼結構受力情況

圖1 2 方案二錨栓受力情況

圖1 5 方案二鋼結構受力情況

圖1 6 方案三鋼結構受力情況

（1）本項目黏鋼板厚度≥5 mm時，采用壓力注膠；黏鋼板厚度＜5 mm時，手工涂膠?，F場焊接部位應先焊接，然后局部壓力灌膠。

（2）采用錨栓時，先用鋼筋探測儀準確標定出原鋼筋的位置，然后再鉆孔，以免損傷原受力鋼筋。鋼板上對應的錨栓留孔應根據現場實際情況確定。局部關鍵節點見圖1 8、1 9。

（3）考慮項目為新建，故改造后結構設計使用年限為5 0年，膠體材料應符合《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》（G B 5 0 0 1 0—2 0 1 0）第4.2.2條，應通過耐濕熱老化能力和耐長期應力作用能力的檢驗的規定。

5 現場監測分析

考慮到本次改造加固相對復雜，且內力重分配影響構件較多，在本項目關鍵部位采取監測。監測時間為拆柱子前一天至卸載結束后一周。監測點位布置如下圖2 0。

圖1 7 施工步序圖

圖1 8 吊柱梁底封板

5.1 監測數據

5.1.1 鋼斜支撐

圖2 1中，橫坐標為監測時的時間點，縱坐標為應力值（之后的應力分析圖均與此相同）。開始拆除柱子時，H型鋼的應力有明顯的變化，隨著柱子的拆除向著負向擴展，柱子拆除后的應力最大值為2 5 MP a，表現為壓應力。柱子拆除1 d后，H型鋼的應力測試用各傳感器的數值均區域平穩。直到拆除支撐時，應力又出現波動，但與拆除柱子相比，變動不大；拆除后，應力再次穩定到一個數值，直到拆除支撐后的1個星期。最終的應力最大值為3 0 MP a。

5.1.2 四層頂加固梁

圖1 9 斜撐下節點

在整個測試過程中，測試數據共有兩次明顯變動，分別出現在拆除柱子和卸除支撐的過程中，而其他時刻加固梁的應力基本保持不變。其中，2號點下最大應力為3 0 MP a（圖2 2）。

5.1.3 中間吊柱

本工程在中間立柱的東側和西側各布設了1組應變花，分別包括3個傳感器。在整個測試的過程中，兩組傳感器表現為基本相同的變化規律，即在柱子拆除和卸除支撐時應力有所突變，但是整個過程中變化不大，最大應力值約1 5 MP a，軸力4 8 0 k N，小于材料強度（圖2 3、2 4）。

5.1.4 變形監測

隨著柱子拆除和支撐卸載，6個位移測點（圖2 0）中測點2和測點5的數值有所增大，其他位置的位移變動不大。測點2為被拆除柱子下端，相應的測點5在被拆除柱子的上端位置，其變動數值很小，分別為-0.2 5 mm和1.8 5 mm；且測點5為下沉，測點2為上升。拆除支撐后3天，位移均變成平穩，數值變動在0.1 mm以內，結構處于安全態（圖2 5）。

5.2 理論分析

監測數據為拔柱整個改造過程和之后1周內相關構件應力和位移的測試，對比監測和理論分析如下。

5.2.1 H型鋼斜撐應力分析

在拆除柱子及卸載當日，兩側鋼斜撐有明顯的受壓應力發生，剝離彎矩等因素影響，取中段腹板上應力平均值。北側斜撐應力最大值為1 7.5 MP a，支撐軸力8 7 5 k N，理論計算值為1 2 8 3 k N；南側斜撐應力最大值為2 0 MP a，支撐軸力1 0 0 0 k N，理論計算值為1 6 6 4 k N?，F場實測南、北方向鋼支撐測軸相差1.4倍，說明上述Y J K通過樓層組裝方式來模擬拆柱子的方法是可行的?，F場實測軸力小于理論計算值的原因，是設計的預留荷載大于現場實際建筑做法的真實荷載。

圖2 0 監測點位布置

圖2 1 鋼支撐應力監測

圖2 2 四層頂加固梁應力監測

圖2 3 吊柱東側應力監測

圖2 4 吊柱西側應力監測

圖2 5 變形監測

5.2.2 四層頂加固梁應力分析

在拆除柱子及卸載當日，局部應變計發生應力應變的小幅突變，其中，2號點位下側應變計變化應力較大，卸載之后出現2 0 MP a的拉應力。

5.2.3 變形分析

發生變形的最大位置位于5層中間柱子，拆柱子及卸載結束后，豎向變形為1.8 5 mm，理論計算變形值為3.7 mm，L 2層轉換梁上2號點上抬0.2 5 mm。分析其原因，考慮結構的整體空間作用變形值小于理論計算值，L 2層轉換梁應抽柱子原作用點荷載消失，預應力轉換梁次內力作用產生輕微反拱。

6 結語

本文通過對泰康健康管理研究中心二期工程S W單體拔柱結構設計過程的總結，結合結構改造工程的設計特點，總結了一些設計經驗和體會。

（1）通過多方案的比選，分別從影響范圍、施工難度、設計難度對比，最終確認設置鋼支撐轉換方案。

（2）對于Y J K軟件如何實現抽柱子的模擬給出了施工步序加載的解決方法，并通過不同軟件進行校核該方法的可行性。

（3）為確保結構施工期間安全，分別進行了防連續倒塌、節點分析等措施。

（4）通過監測數據的整理分析，驗證了設計方法的可行性。更直接的感受本項目抽柱加固改造引起的傳力路徑改變，內力重分配等結構特點。