柱臨時托換體系的設計與施工

尹 偉 顧夏英 顧天熊 沈榮榮

蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215152

對于大型框架結構混凝土建筑，因建筑功能調整需要而新增梁板時，需要實現梁板與原有框架柱的可靠連接。新增梁板的縱筋需要錨入原框架柱內，但由于梁縱筋較多，鋼筋直徑較大，化學植筋間距及深度均無法滿足規范要求，且化學植筋耐久性難以滿足50年使用要求，因此，需要將梁柱節點區域拆除，鋼筋綁扎后重新澆筑。此外，近年來多次發生混凝土柱、剪力墻等因施工問題造成混凝土強度達不到設計要求的事故，以及出現混凝土澆筑不密實等問題，也需要對框架柱進行置換混凝土等加固。

對梁柱節點區域進行拆除改造時，需要把節點以上柱荷載可靠地傳遞到節點以下或基礎。采用滿堂支撐將梁板荷載傳遞至基礎，施工簡單，但是在實際施工時，遇到支撐樓層較多的工況，成本較高，特別是對于樓層層高較高的建筑，常規支撐搭設工期長、費用大，并且由于沒有側向支撐，或支撐難度大，安全性受到影響。另一種方案是，在節點上下采用牛腿加千斤頂托換，這種方法無法有效傳遞柱的彎矩，且施工過程中千斤頂長時間受壓，一旦千斤頂失效，后果非常嚴重。

因此，如何提供一種無支撐托換方法，以較低成本有效解決梁柱節點區域拆除改造時的荷載傳遞問題，具有研究意義與價值。

1 工程概況

蘇州某大型商業綜合樓，總建筑面積122 000 m2，地面以上19層，地下2層，結構體系為框架剪力墻結構。大樓主體施工完成，建筑整體外貌如圖1所示。因建筑功能調整，在裙房區域原下沉式廣場一層處增加梁板，新增框架梁上設梁上抬柱，該區域裙房地面以上共4層。本次改造的局部平面布置情況如圖2所示。

圖1 建筑外貌

新增豎向框架梁截面為600 mm×1 200 mm，上部縱筋為4根φ28 mm，底部縱筋為11根φ32 mm，該梁所有縱筋需錨入原框架柱內，原框架柱截面600 mm×600 mm，由于 梁縱筋較多，鋼筋直徑較大，化學植筋間距及深度均無法滿足規范要求，且化學植筋耐久性難以滿足50年使用要求。基于上述原因，采用將梁柱節點區域拆除，鋼筋綁扎完成后重新澆筑的設計思路。

圖2 一層局部改造平面示意

2 托換設計方案比選

本工程需改造的柱共有4 根，柱截面6 0 0 m m× 600 mm，混凝土強度等級C40。該柱在一層為躍層柱，柱高度12 m，目前大樓尚未使用，柱僅考慮恒載和風荷載時的最大軸力為2 800 kN，彎矩為85 kN·m。

將梁柱節點拆除，關鍵的設計及施工難點是如何把節點以上柱荷載可靠地傳遞到節點以下或基礎。本工程比選了如下3個方案。方案一，各層采用滿堂支撐將梁板荷載傳遞至基礎，該方案設計施工簡便，但支撐樓層較多，成本較高，且從地下1層至2層樓面高度12 m，無側向支撐，支撐難度較大。方案二，節點上下采用牛腿加千斤頂托換，該方案無法有效傳遞柱的彎矩，且施工過程千斤頂長時間受壓，一旦千斤頂失效，后果非常嚴重。方案三，節點上下采用環形承臺加混凝土立柱的臨時托換體系，該方案傳力清晰，無安全隱患，成本較低。本工程通過比選上述方案，最終采用方案三。

3 托換方案理論計算

3.1 托換方案

在梁柱節點上下各設置一個高900 mm的混凝土環形托換平臺，該平臺邊長1.8 m，與原混凝土柱每邊采用2根14#工字鋼作為抗剪鍵連接（圖3）。承臺四角各設置一根350 mm×350 mm的混凝土托換柱（圖4）。環形托換平臺及轉換立柱混凝土強度等級C50。托換柱下設置1根斜向暗梁，暗梁平面及配筋分別如圖5和圖6所示。

3.2 轉換體系整體受力分析

采用有限元分析軟件對該轉換結構進行計算分析，混凝土采用C3D8R八節點六面體線性減縮積分的三維實體單元（圖7）。鋼筋采用bar線性單元（圖8）。網格劃分以0.12 m為基本尺寸單元，新老結構之間采用Interaction中tie建立綁定約束。柱頂部施加偏心壓力模擬結構實際軸力和彎矩。

圖3 托換體系立面

圖4 托換立柱配筋平面

圖5 環形托換平臺配筋平面

圖6 托換立柱下暗梁配筋

圖7 實體模型

圖8 鋼筋模型

有限元分析結果顯示，混凝土實體單元主拉應力最大為1.78 MPa，混凝土實體單元主壓應力最大為10.50 MPa，鋼筋最大主應力為33.60 MPa，均能滿足要求。

3.3 環形托換平臺與原結構連接計算

環形托換平臺與原混凝土柱的抗剪連接是該臨時托換體系的關鍵，采用每個面2根14#工字鋼作為抗剪鍵，根據《鋼結構設計規范》，單根14#工字鋼抗剪承載力375 kN，8根抗剪鍵總抗剪承載力為3 000 kN，柱軸力為2 800 kN，滿足要求。混凝土摩擦力、鋼筋抗剪、中間保留芯柱均作為安全儲備。環形托換平臺配筋計算將轉換立柱下暗梁簡化為寬500 mm、高900 mm的牛腿，按照牛腿公式，單個牛腿的計算配筋為850 mm2，實際配置了5根φ20mm的鋼筋。

4 施工技術

4.1 施工順序

柱臨時托換體系鋼筋制作→托換平臺接觸處原柱保護層剔除，鑿毛清理，涂刷界面劑→柱臨時托換體系抗剪件安裝→柱臨時托換體系鋼筋安裝（環形托換平臺鋼筋、植筋綁扎制作及托換柱鋼筋綁扎）→柱臨時托換體系模板支設→柱臨時托換體系灌漿料澆筑→分段對稱剔除連接區混凝土（節點區灌漿料強度達到100%）→連接界面處理→鋼筋整理、修復→連接區鋼筋安裝→支設模板→連接區無收縮混凝土澆筑→拆除臨時托換體系→檢查驗收

4.2 施工安全控制

施工安全措施：施工前對關鍵部位粘貼應變片，施工過程中不間斷地監測結構變形情況；做好應急預案，一旦變形超出設定值立即停工并采取相應措施；臨時支撐化學植筋較多，需注意保證植筋間距，多個方向鋼筋重疊時上下錯位；施工過程中2次澆筑混凝土均要確保混凝土強度達到100%后，方可進行下一步施工；臨時支撐拆除時需采用靜力切割，不能擾動已有結構；自密實微膨脹加固型混凝土應滿足產品使用要求，特別對于上口冷縫部位，模板應高出5～10 cm，并實時觀察進行補灌，保證接縫密實，消除隱患。

通過對建筑物上設置的沉降觀測點（圖9）進行周期性監測，以獲取建筑物在施工后一定階段內，荷載逐漸達到設計荷載過程中的沉降程度及趨勢，監控建筑物沉降過程直至相對穩定，具體監測數據見表1。結果顯示，本次施工過程整體變形平穩，保證了施工進程中的安全性[1-3]。

圖9 監測點位

表1 沉降觀測點觀測結果

4.3 其他工程案例

某教學樓，該建筑地上5層，局部6層，該建筑為框架結構。經過檢測，該建筑物有局部柱節點區混凝土強度達不到設計要求，因此，需要對該建筑物的局部柱節點進行混凝土置換來加固節點，以達到強度設計要求。本實施例中，需要加固的混凝土柱為截面直徑為500 mm的圓柱，該工程也選用本文提出的方案，較好地完成了對該圓柱的加固（圖10～圖12）。

圖10 環形托換平臺配筋平面

圖11 托換立柱配筋平面

圖12 托換體系立面

5 結語

1）本文提出的臨時托換體系具有較好的經濟效益，施工安全可控，能確保施工后質量。該體系適用于混凝土柱及剪力墻因施工問題造成混凝土強度達不到設計要求、混凝土澆筑不密實等需要局部置換混凝土的工程情況，對各類需要臨時托換豎向結構構件的工程均有借鑒價值。

2）對于樓層層高較高的建筑，常規支撐成本高、安全性差、搭設支撐的工期長。使用本文提出的臨時托換體系可借助結構自身承重能力，不用設置支撐，成本低、安全性高，對各類需要臨時托換豎向結構構件的工程均有借鑒價值。