某既有建筑拔柱改造加固設計

汪 敏

(華東建筑設計研究院有限公司，上海 200083)

1 研究需求與意義

隨著現代社會人們對生活水平要求的不斷提高以及國家提出城市建設立體化發展的城市化進程要求，建筑各項功能需求也越來越高，有些既有建筑已經難以滿足當前的使用需求，若要直接拆除，不僅浪費資源，且其拆遷的費用也非常昂貴；還有些在城市最為繁華的重要區域有歷史保護的建筑，需要進行保護。對既有建筑進行加固改造重新利用，可以充分利用現有的城市設施，節省城市配套設施，節省拆遷、建筑垃圾運輸和征地費用。同時將抗震加固和改造技術結合起來，不同程度上改善了既有結構的受力條件，增強了房屋抗震能力，提升了結構的使用功能，延長建筑物使用年限，經濟效果顯著。

涉及到地上結構拔柱轉換及功能改造的加固方面的工程，國內已有一些工程實踐可以作為參考。中國建筑一局四公司和北京市建筑設計研究院的周勇，魯軍及束偉農在《施工技術》(2002年10期)上發表的《北京五洲大酒店東樓混凝土結構加固改造技術》一文中介紹了混凝土結構柱整體擴大斷面法加固設計和施工技術，主要采取了預應力加固方法進行拔柱加固。初明進等人在《建筑結構》(2007年3月)上《虹口大酒店裙樓抽柱改造方案比選》一文中針對虹口大酒店裙樓框架結構抽柱改造工程，提出轉換梁、空腹桁架結構和桁架結構3種改造方案。對3種方案進行了結構內力對比分析,結果表明,桁架結構方案受力比較合理;同時后加結構與原結構連接構造容易滿足,便于施工。可供類似大跨度、大荷載抽柱改造工程參考。

2 項目介紹

本工程既有保留建筑有3棟，分別為原某市中醫院A樓、B樓及C樓。其中A樓為七層帶地下室的框架結構房屋，房屋建造于1996年左右；B樓為六層帶地下室的框架結構房屋，房屋建造于2005年左右；C樓為六層帶地下室的框架結構房屋，房屋建造于2000年左右。業主擬對三棟保留建筑的使用功能進行改造，由原來的醫療用房改為商業及酒店客房；其中C樓在首層及F2層根據建筑需求需要拔柱。拔柱位置見圖1。

3 拔柱方案

本擬拔除的4根框架柱中，原軸力最大恒載作用下為2 530 kN，活載作用下為438 kN，基本組合最大值約為3 750 kN；原最大剪力X向地震作用下為84 kN(占樓層剪力1.8%)，Y向地震作用下為40 kN(占樓層剪力 0.9%)。由此可知該4根框架柱拔除后，對樓層抗側剛度及承載力影響不大，可通過加大相鄰框架柱截面尺寸予以加強。拔柱后需解決的主要問題是靜力荷載作用下原框架柱軸力的傳遞路徑問題。根據拔柱情況，本工程采取了轉換梁方案。

一、二層的柱子拆除后，原三層樓面梁變為轉換梁，其承載力不能滿足要求，可采用加大截面法或采用型鋼托梁對其進行加固，以將被拔柱承擔的荷載傳遞給周邊承重構件，見圖2。這種方法的優點是抽柱前后的結構體系變化比較小，相關加固范圍也不大。轉換梁的截面經計算需1 000 mm×1 500 mm。

4 計算分析

因目前常用的結構計算軟件PKPM難以模擬既有建筑拔除柱的計算過程。采用中國建筑科學研究院PKPM-SATWE的加固模塊對結構托梁拔柱的各個工況進行分模型整體建模和參數的輸入，并采用有限元分析軟件ETABS建立一個分多工況步驟的模型。采用PKPM及ETABS分析抽柱過程對整體剛度以及結構內力重分布的影響，并將ETABS結果與SATWE結果進行對比做包絡設計。

利用ETABS的施工模擬分析功能，可以任意自由指定施工順序，可以自定義施工步的總步數以及在每一施工步中的施工內容，從而可以實現建筑物任意的建造過程而不只是局限于完全按層施工。ETABS的施工模擬分析中，可以模擬建筑結構加固改造的過程，在施工步中進行拆除構件及改變截面的操作，也可以在施工模擬分析中考慮與時間相關的屬性。因此可利用ETABS進行托梁拔柱的全過程非線性分析。

本工程ETABS施工模擬工況設置如圖3所示。

拔柱前兩種軟件拔柱位置區域構件的彎矩、剪力及軸力計算結果基本一致。

拔柱后拔柱位置區域構件的彎矩見圖4，圖5以及表1，表2。

表1 PKPM與ETABS拔柱后彎矩對比表(一)

表2 PKPM與ETABS拔柱后彎矩對比表(二)

由上述圖表可知，轉換梁支座兩種軟件計算結果相差不大，跨中彎矩SATWE偏大。轉換梁兩側梁及上部結構的梁的支座相差較大，分析原因為PKPM模型為新建過程，不能模擬既有結構抽柱過程。而ETABS為既有結構抽柱后再分析整體結構，上部結構整體剛度已形成，故抽柱位置的上部結構相比SATWE變形較小。加固設計時需對ETABS計算結果進行復核。

經對比拔柱相關位置構件的剪力兩種軟件計算的結果與彎矩基本趨勢一致。拔柱轉換周邊柱軸力差值相差不大。

綜上所述，抽柱前后兩種軟件的各項計算結果大部分相差較小，因此在加固設計中可以SATWE的結果為主，同時根據ETABS結果進行包絡設計。

5 托梁拔柱施工順序

托梁拔柱方案的設計與新建結構不同，不僅是對于拔柱改造后結構的承載力驗算，更包括了整個施工過程中結構整體性驗算、支撐系統驗算等。在托梁拔柱的工程實施中，合理的安排施工順序是其中的重點和難點。

拔柱之前，該處上部結構的荷載仍通過待拔柱向下傳遞，因此首先需要對待拔柱進行卸載；拔柱進行之中，力的傳遞路徑開始發生變化，相關構件受力狀態也隨之改變，因此需要進行變形監測；拔柱之后，上部結構荷載通過轉換梁傳遞至兩側框架柱，再通過地下室結構傳遞給基礎，因此轉換梁柱的加固及地下室結構的逆作施工應該提前完成，以避免結構因荷載多次轉換及動態擾動而造成安全隱患。

具體施工順序:

1)設置抽柱用的頂柱支托，并放置千斤頂；布置轉換梁撓度觀測點、接通轉換梁內預埋的鋼筋應變—應力計(如圖6所示)。

2)切斷柱根部，觀測轉換梁及周邊構件變形是否異常。在可控撓度變形速率的前提下卸載千斤頂荷載。當完全卸載千斤頂后，托換梁的撓度必須在設計控制值以內。抽柱從施工割除段開始至千斤頂卸載結束，必須全過程動態監測整體結構變形、轉換梁跨中豎向撓度、轉換梁內鋼筋的應力—應變。千斤頂卸載過程中轉換梁內鋼筋的應力—應變換算成梁的彎矩和撓度合規范的要求。

上述施工順序遵循先加固后拆除的原則，可保證上部結構的荷載能夠得到有效傳遞，同時在抽柱施工過程中要做好實時監測工作以保證結構及施工安全。

6 托梁拔柱的相關加固

按照上述方案拔柱之后，結構柱距由7.6 m變為15.2 m，原三層樓面梁即兩側框架柱的受力情況發生較大變化，構件內力顯著增加，原承載力不能滿足要求。本工程轉換梁、柱均采用加大截面法進行加固。

1)轉換柱加固設計。

拔柱兩側的原框架柱成為轉換柱，采取增大截面的加固方式。根據柱的軸壓比限制以及柱和梁截面加大的構造要求，原柱需加大至1 000 mm×1 000 mm，能滿足結構安全性和適用性要求。

采用四面圍套加固轉換柱，新增縱筋盡量避開原有結構梁，向下錨入新作地下室結構，三層樓面設置鋼板，縱筋與鋼板焊接錨固。周邊新增箍筋在柱內閉合以提高其約束能力(見圖7)。

2)轉換梁加固設計。

既有建筑結構拔柱后,最大原跨度7.6 m×6.8 m柱網增大到15.2 m×6.8 m，使整個框架結構產生內力重分布，原跨度7.6 m的框架梁延伸為15.2 m的框架梁，該框架梁上還托三層樓蓋結構的負荷，由材料力學可知：矩形截面受彎構件平面內的計算長度增大一倍，其剛度變形的撓度會增大原撓度的8倍，況且受彎構件的裂縫和撓度存在線性關系，為此梁的截面需要加大，按常規梁的高度取跨度的1/8～1/12，梁的高度約1.3 m～1.9 m，根據梁截面加大的構造要求，原梁兩側需加寬250 mm，因該托梁上負荷三層樓蓋結構的荷載，經計算托梁的截面高度需要1.5 m才能滿足結構安全性和適用性要求。

因原有框架柱的存在，新增轉換梁縱筋較難貫通，因此盡量將縱筋布置在兩側，少量縱筋在已有柱內植穿。為提高轉換梁在集中力作用下的抗裂能力，彌補轉換梁在已有框架柱的位置無法設置加密箍筋的不足，設計中在拔柱處的梁內增設水平箍筋和構造縱筋形成暗柱，暗柱以外設置梁加密箍筋，同時設置彎起鋼筋，共同抵抗該處剪力，提高轉換梁的局部承載力(見圖8)。

7 結語

本工程主要介紹了既有建筑在改造中遇到的托梁拔柱關鍵技術問題。采用了兩種軟件PKPM和ETABS進行分析抽柱過程對整體剛度以及結構內力重分布的影響，并將ETABS結果與SATWE結果進行對比做包絡設計。并闡述了整個托梁拔柱的施工過程合理安排施工順序的重要性。

目前改造建筑中因其他各種需求對既有建筑拔柱的需求越來越多，這里介紹的加大截面法及相關節點設計可供同類工程借鑒。