某辦公樓抽柱改造方案研究

張開瑩

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著人們對建筑使用需求的不斷提升，對既有建筑的改造工程也越來越多。相比于新建建筑，對既有建筑的加固改造設計要考慮很多獨特因素，比如施工環境受限，業主往往要求不影響未改造區域的正常使用，因此選擇加固改造方案要真正做到因地制宜。另外，加固施工的專業性強，技術含量高，若操作不當可能會危害到整棟建筑的安全，設計時就需要對施工流程做好詳細說明。

抽柱形成大空間是對業主使用體驗提升最明顯的一種改造，本文結合一辦公樓的改造工程，對抽柱后形成的大跨屋蓋設計了三種加固方案，分析結構的受力狀態，從構件加固范圍、施工便利性等方面進行對比分析。

1 工程概況

項目位于福州市倉山區，地下一層，地上十層，建筑高度49.5 m，地上建筑功能均為辦公。原設計完成于2017年，建筑抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度7度(0.10 g)，設計地震分組第三組，建筑場地類別為Ⅲ類，50年一遇的基本風壓為0.7 kN/m2。結構體系采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，剪力墻的抗震等級為二級，框架的抗震等級為三級，基礎采用預應力管樁。

主體結構現已封頂，建筑砌體完成，進入設備安裝及內裝飾施工階段。項目業主提出，需要將辦公樓第十層的東側改造為無柱的大開間，用于企業展示和會議時使用，即抽除7軸的3個框架柱，在6～8軸間形成大跨屋蓋，如圖1所示。

圖1 十層建筑平面圖

此次改造位于建筑的頂層，層高5 m，經電算對比復核，抽柱后對整體結構影響較小，原結構基礎也能滿足要求，主要改造重點在于如何加固屋蓋結構。改造區域上方屋面功能有新風機房、覆土厚度400 mm的屋面花園和部分建筑立面造型需要的構架，設計荷載較大，而為了保證十層大跨空間視覺效果，業主和建筑師要求在不改變屋面板面標高前提下，盡量減小屋面結構梁高度，以達到較理想的建筑凈高。

2 初始方案：加大截面的混凝土梁

抽柱后，屋面混凝土梁的跨度由6.4 m～10.7 m加大到17.1 m～19.1 m，原梁截面(450 mm×650 mm )的抗彎、抗剪承載力顯然已經不滿足了。混凝土梁加固一般采用加大截面、粘貼鋼板、粘貼碳纖維布等方法，經計算，屋面梁的設計彎矩是抽柱前的4～5倍，僅僅粘貼鋼板或碳纖維布已經遠遠不夠了，需要加大梁截面。

該項目屋面允許局部凸出的反梁，因此，首先想到的加固方案就是加高梁截面到450 mm×1400 mm(圖2)，高跨比1/14，并大部分上反至屋面。加大截面后的屋面梁最大撓度為21 mm，約為跨度的1/900，滿足規范要求。

圖2 屋面層局部構件布置圖

但全面對比計算結果(圖3)可以看到，不僅這三道大跨度梁需要加固，梁支座處的框架柱、剪力墻端柱、相鄰跨梁等構件的受彎承載力也大大不足，需要加固構件很多，幾乎占用十層大半空間。特別是邊柱，軸力小而柱頂彎矩大，原配筋相差很多。

(紫色標注處配筋相差30%以上，[]內為原配筋)圖3 屋面層局部梁柱配筋對比圖

3 改進方案一：跨層混凝土空腹桁架

第一個改進目標是盡量減少需要加固的結構構件，特別是剪力墻和柱，原豎向構件的尺寸足夠滿足受壓和受剪要求，若再加大截面，對設備房面積、疏散走道寬度、外立面玻璃幕墻等都有影響，而且下層墻柱截面和十層一樣，加大截面需要延伸到下層，則施工影響范圍更大了。于是，改進方案就調整結構形式盡量減小豎向構件的彎矩。

該項目屋面以上有4.6 m高的機房小屋面和構架，若連通構架層的梁再加上立柱和屋面梁就組成了一個空腹桁架形式，可以共同受力。改進方案在B、C、D軸搭建了三榀空腹桁架(圖4)。以C軸的計算結果(圖5)為例進行對比，右側邊柱的柱頂彎矩設計值減小了約40%。

圖4 屋面層及構架層混凝土空腹桁架模型

(混凝土梁方案)

(混凝土空腹桁架方案)圖5 C軸屋面層及構架層框架立面彎矩圖

此改進方案的屋面梁最大撓度也減小為15 mm，更有利于控制屋面結構的變形和裂縫。

4 改進方案二：跨層鋼桁架

4.1 整體結構方案

跨層空腹桁架的改進效果明顯，但整體剛度仍偏弱，經與業主協商同意，在屋面以上進一步增加斜腹桿，并將新增構件都改為鋼結構，就有了這個跨層鋼桁架的方案(圖6)。此方案拆除了構架層部分混凝土梁柱，改為H型鋼，但沿外立面的混凝土梁、柱保留，未影響建筑立面，而且屋面以下所有混凝土構件的布置和尺寸不變。

圖6 屋面層及構架層鋼桁架模型

加上斜腹桿的桁架整體抗彎剛度加大，再次對比C軸的彎矩圖(圖7)可見，8軸邊柱柱頂彎矩又減小了約30%。經電算比對，構架層保留的梁柱、屋面層的框架梁、屋面以下框架柱、剪力墻的原配筋均滿足計算要求，無需另外加固，僅局部次梁配筋略少，采用粘鋼法加固即可。

(鋼桁架方案)圖7 C軸屋面層及構架層框架立面彎矩圖

4.2 腹桿形式對比

桁架上弦桿和腹桿均采用H型鋼，現場拼接形式以高強螺栓為主，質量可靠。但鋼構件和原混凝土結構的連接就難以避免植筋、錨栓、混凝土界面處理等工藝，對施工人員的技術經驗、選用材料的耐久性等都有很高要求，若質量控制不到位，對節點的受拉和受剪承載力都有影響。

為提高連接節點的安全度，以下對比了三種腹桿布置形式，優化目標是能盡量減小鋼構件和混凝土構件連接處的拉力。圖8為三種腹桿形式下的軸力計算結果。

(形式A)

(形式B)

(形式C)(紅色示意受拉腹桿，藍色示意受壓腹桿)圖8 B軸D+L工況軸力圖

形式A的腹桿最大拉力1199 kN，下弦混凝土梁最大拉力為477 kN。

形式B增加了腹桿數量，腹桿最大拉力減小為1037 kN ，下弦混凝土梁最大拉力也減小為360 kN，對屋面梁板抗裂更有利。

形式C變換了腹桿的方向，腹桿最大拉力基本不變，但位置從桁架兩端支座向跨中移動，兩端第一根腹桿為受壓桿，即鋼腹桿與混凝土柱或剪力墻的節點以受壓為主，節點受力更加安全合理。

根據對比結果，最終選擇形式C的腹桿布置方案，腹桿與下弦混凝土梁采用鋼套箍的形式連接，由外包鋼板傳遞腹桿拉力。

4.3 施工順序分析

鋼桁架方案更大的優勢是，可以實現先加固改造后抽柱，即施工順序為：①拆除構件層部分梁柱；②拼裝鋼桁架，與混凝土構件連接；③屋面梁底附加鋼筋穿柱；④拆除十層三個框架柱。

前兩個工序均在屋面以上施工，空間開闊，障礙物少，也方便材料吊裝。在抽柱前，原屋面的設計荷載即可滿足施工工況。

屋面梁底筋在原框架柱處是不連續的，需要通過附加鋼筋連通。在本方案中，作為桁架下弦的屋面梁拉力增大而彎矩較小，在屋面花園未覆土的條件下，抽柱處的梁底配置3根直徑28的受拉鋼筋即可滿足，這3根鋼筋可在10層柱拆除前就采用鉆孔穿筋的方法貫通。

而在前兩個方案中，屋面框架梁仍以受彎為主，梁底受拉鋼筋數量很多，要在不破壞框架柱的條件下穿過柱，幾乎是無法實現的，只能采用先抽柱后加固的施工流程，以臨時支撐來承擔全部施工階段的荷載，支撐高度約5 m，下方的樓層板承載力也有限，若沒有經過精確設計及論證，危險性較大。

5 結語

該項目為實現抽柱后的大跨屋蓋，采用了跨層鋼桁架的結構方案，充分利用建筑構架層的高度，各結構構件的受力清晰明確，可實現原結構的豎向構件和大部分梁板不另加固，且新增構件都在屋面以上，對建筑室內空間影響最小。施工過程先加固改造后拆除柱，免去了大量臨時支撐，更加安全。盡管鋼構件的材料成本較高，但省去了支模費用，現場施工方便，其綜合造價是業主可以接受的。希望此例能對類似項目具有借鑒價值。