某綜合建筑物托梁拔柱設計方案比選

韓永森

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽合肥 230601）

0 引言

隨著社會的發展， 越來越多的建筑物不能滿足現代使用需求，因此往往需要對既有建筑進行一定的加固改造[1]。 混凝土結構的改造加固技術已日漸成熟，采用托梁拔柱技術進行結構加固也比較常見，往往只需要拆除影響新功能使用的局部梁板柱，不影響除改造范圍外的其他建筑部分的正常使用。

本文對某綜合建筑物在實際改造中提出的兩種設計方案進行比選，通過PKPM 中的SATWE 程序對兩種方案進行模擬計算，以比選出最佳加固方案，對同類工程有一定參考作用。

1 工程概況

某綜合建筑總建筑面積約15.3 萬m2， 其主體涵蓋兩層地下室、五層裙房及六個接近100m 的高層塔樓。該建筑裙房結構為多層鋼筋混凝土框架結構，主體高度23.70m，裙房抗震設防類別劃為乙類。 地震作用設防烈度為7 度， 基本地震加速度值為0.10g（第一組），場地類別Ⅱ類，地面粗糙度B 類。

2 改造內容

2.1 改造范圍

對裙房框架結構部分進行改建， 較大改動部分如下：（1） 拆除 1—3 層 12 軸、13 軸交 D 軸、E 軸的 4 根框架柱及相應范圍內的梁、板，形成約25m×25m 的大空間，具體的抽柱位置如圖1 所示；（2） 設計方案應保證大廳有足夠的凈高， 最好大于 10m；（3）考慮到大廳要懸掛燈光、音響等設備，設計荷載按150kg/m2計算；（4） 由于四層不在租賃范圍內，不能影響四層客房正常經營。

2.2 改造重點、難點

從圖1 可知，將相應的柱、梁、板拆除后，有幾個問題需要探討，也是改造的重點、難點：（1） 拔除框架柱后，原結構的主方向框架梁 12 軸、13 軸與次方向框架梁 D 軸、E 軸，由 8.5m 三跨變為25.5m 單跨，框架梁跨度增大三倍；（2） 拔柱后，由被拔柱承擔的豎向荷載需轉移至相鄰支撐柱上，相鄰柱及其柱下基礎能否滿足要求[2]；（3） 拔柱后，在不影響建筑使用功能的情況下，框架梁是否具有加固條件，梁的加固設計應滿足強度和變形的要求。

圖1 抽柱位置示意圖

3 結構方案對比

在改造重難點的基礎上，根據工程實際情況，先后考慮了混凝土桁架方案、組合梁斜撐方案進行加固設計。

3.1 改造方案

（1） 混凝土桁架方案

利用原三層結構，做一整層混凝土桁架。 原三層底梁作為桁架下弦，三層柱作為桁架豎腹桿，增加混凝土斜撐，形成混凝土桁架， 桁架位于 D 軸和E 軸。 桁架中的斜腹桿截面為 700mm×500mm， 豎腹桿截面為 700mm×700mm， 支座豎桿為 700mm×700mm，桁架部分以下的柱截面為900mm×900mm，桁架三維模型如圖2 所示。

（2） 組合梁斜撐方案

直接在轉換柱下設置鋼斜撐，將荷載傳至邊柱。 同時，為增強轉換結構的整體性，提高安全余量，在斜撐間設置拉桿及系桿。 支撐部分采用 Q345B 鋼材， 鋼斜撐箱型截面為 400mm×700mm×30mm×30mm， 系桿箱型截面為 400mm×700mm×20mm×20mm，系桿截面為300mm×300mm×20mm×20mm， 支撐體系三維模型如圖3 所示。 同時，采用加大截面法加固轉換梁，在原混凝土下方增設400mm×700mm×20mm×20mm 的鋼箱梁，形成共同工作的組合梁。

圖2 桁架三維模型示意圖

圖3 支撐體系三維模型示意圖

3.2 整體性能對比

利用PKPM 建立兩種方案的整體模型， 分析結構的整體性能，并與未拔柱前的原始模型進行比較。 主要荷載取值情況：基本風壓W0=0.35kN/m2； 地面粗糙度均為B 類； 基本雪壓S=0.60kN/m2；樓地面活荷載標準值為商業 3.5kN/m2，衛生間2.5kN/m2，樓梯3.5kN/m2，電梯機房 7.0 kN/m2，上人屋面 2.0 kN/m2，不上人屋面0.5 kN/m2；新加中庭吊掛荷載為1.5 kN/m2；阻尼比為0.05。

由表1 的分析結果可知， 混凝土桁架方案對原結構影響較大：（1） 混凝土桁架方案的結構扭轉和平動周期比最大，說明該方案的扭轉效應大于方案二和原方案；（2） 由于三、四層之間形成了混凝土桁架，改變了X 方向的空間剛度，造成結構X 向二層最小剛度比不滿足規范要求（《抗規》3.4.3 條，比值≥1）[3]，豎向剛度突變，易形成薄弱層；（3） 最小樓層受剪承載力比值不滿足規范要求（《高規》3.5.3 條，比值≥0.8）[4]，且差值較大。 說明結構出現薄弱層，需對結構進行加強。

鋼斜撐方案加固后各指標滿足規范要求， 斜撐方案較為合理，與原結構相比，整體計算指標變化較小。 相較于原模型和方案一，最大層間位移角和最大層間位移比均有下降，說明方案二增加了足夠的剛度，能避免結構產生較大的位移和扭轉。

表1 整體性能分析結果比較

3.3 豎向位移對比

為保證施工期間位于四層的賓館能夠正常營運，四層底框架梁和托柱位置（四層12、13 軸交D、E 軸處）的豎向變形不應過大，同時為保證結構安全、降低施工難度，應盡量減小豎向變形。 通過SATWE 分析得出托柱位置的豎向變形數據，如表2 所示。

表2 拖柱處位移

由表2 數據可知， 方案一拖柱位置恒載+活載下最大豎向變形為6.42mm， 方案二拖柱位置恒載+活載下最大豎向變形為15.21mm。方案二中組合梁的撓度大，上部框支柱產生的豎向變形較大，易對四層賓館的正常營運產生影響。 方案一對撓度和豎向位移的控制較好，上部框支柱不產生較大豎向變形。

3.4 抗震性能對比

為了進一步研究兩種方案在大震作用下的抗震性能，對兩種方案模型進行大震彈塑性時程分析。 在計算模型中，對梁、柱、斜撐等桿件均采用纖維束模型進行模擬，混凝土本構模型采用三線性模擬，鋼筋本構模型采用雙線性應力應變關系進行模擬[5]。 根據《建筑抗震設計規范》（GB 5011—2010）5.1.2 條所列選波條件，經過驗算，最終選取 RH1TG035（人工波）、TH006TG035(天然波）、TH010TG035（天然波）三條地震波進行分析，各地震波波型如圖4所示。 分析時，輸入地震主分量峰值加速度為100cm/s2，次方向為85cm/s2， 不考慮豎向地震作用， 地震持續時間為30s，地震波時間間距取0.02，阻尼比取0.05。 經過動力時程分析， 兩種方案在地震波作用下X、Y 向的層間位移角包絡曲線和樓層剪力包絡曲線如圖5、圖6 所示。

圖4 地震波波形圖

圖5 樓層位移角包絡圖

圖6 樓層剪力包絡圖

由圖5、圖6 可以看出，方案一X、Y 向最大層間位移角為1/128、1/139，方案二 X、Y 向最大層間位移角為 1/109、1/206。 雖然兩種方案都滿足規范規定，但方案二的Y 向層間位移角小于方案一，表明其相對于方案一有著更好的抗側移能力，同時由圖中信息可以看出，方案二由于在5 層增設了斜撐，導致位移角突變。 兩種方案的X、Y 向樓層剪力均有區別， 但方案二的X 向樓層剪力明顯大于方案一。

3.5 經濟性對比

由表3 可知，方案一主要使用混凝土和鋼筋。 方案二主要使用鋼材，總用鋼量超方案一較多。 根據方案模型所統計的材料用量，估算兩種方案的總造價（混凝土單價取450 元/m2，鋼筋單價取3500 元/t，鋼材取 5000 元/t），方案一總造價約為 13.5 萬元，方案二總造價約為52.5 萬元，方案一經濟性較高。

表3 兩種方案材料用量對比

3.6 加固方案對比

通過對兩種方案的整體性能、豎向位移、抗震性能、加固量及經濟成本進行對比分析，可知：方案一對結構整體剛度影響較大，新舊結構連接困難，施工時對上部影響較大，加固周期較長且不滿足凈高要求，但方案一豎向剛度大且造價較低；方案二各項計算指標均在規范規定范圍內，且抗震性能較好，中間跨滿足凈高要求，施工期間對上部結構影響較小，加固周期較短，但方案二與原結構連接問題較多，且斜撐底部產生水平力，須加固相關范圍梁板柱。

綜合上述優缺點，經過比選，最終選定方案二，即組合梁斜撐方案作為該項目的加固方案。

4 結論

（1） 采用增設鋼斜撐與組合梁結合的設計思路，對某工程抽柱后形成的25.5m 大跨度進行加固，該方法施工方便、加固周期較短、對結構整體剛度影響較小。

（2） 該設計方案在實施時應注意新增構件與原構件的節點連接，設計時應考慮各種不利因素帶來的連接困難問題，需采取有效措施保證節點連接的安全性和可靠性。