某商場抽柱加固技術(shù)對(duì)比分析研究

王金澤，付素娟，2，李尚飛，崔少華

（1.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050227；2.河北省綠色建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 石家莊 050000；3.河北建研建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050022）

0 引言

為了滿足新的建筑使用要求，大量既有建筑需要抽柱擴(kuò)跨改造實(shí)現(xiàn)空間的拓展，來延長其使用壽命，減少建筑垃圾的污染，節(jié)約資源［1］。對(duì)于 20 世紀(jì)初建造的許多商場由于規(guī)劃比較陳舊，使用功能落后，空間不足，需要對(duì)其進(jìn)行抽柱擴(kuò)跨。由于抽柱擴(kuò)跨改造只需要將擴(kuò)跨部位的柱進(jìn)行拆除，所以建筑在改造期間可以正常使用，而且具有施工簡單、造價(jià)低，在拆除和加固過程中通常不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生污染等優(yōu)點(diǎn)［2］。

論文通過廊坊某商場抽柱擴(kuò)跨的實(shí)例，通過理論分析與模擬的方法對(duì)比新增吊梁法與桁架轉(zhuǎn)換法兩種抽柱加固方式，比較加固效果，得出其設(shè)計(jì)建議與適用情況，為以后的工程提供借鑒。

1 工程概況

本工程位于河北省廊坊市，商場為地下一層，地上二層，結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類型為筏板基礎(chǔ)。本工程基本風(fēng)壓為 0.45 kN/m2，設(shè)防烈度為 8 度 0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為三類。一層層高為3.9 m，二層層高為 3.3 m。由于使用功能的要求，需要拆除首層 2-6×2-H 軸線處的柱子，該商場首層局部平面布置圖如圖1 所示。

圖1 首層平面布置圖（單位：mm）

2 設(shè)計(jì)思路

在進(jìn)行抽柱改造之前，首先要根據(jù)實(shí)際工程情況考慮抽柱后怎樣構(gòu)建傳力體系，這是抽柱擴(kuò)跨設(shè)計(jì)的核心。

1）確定擬抽柱子的位置，收集原結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)資料，包括結(jié)構(gòu)圖、建筑圖以及檢測報(bào)告。

2）分析擬抽柱的原荷載如何分配，如何有效地傳遞橫向和縱向水平荷載。

3）結(jié)合分析情況，制定了新增吊梁法與桁架轉(zhuǎn)換法兩種抽柱方案。

新增吊梁法的加固思路為先在屋面上新增吊梁，然后用鋼吊桿吊裝擬抽柱位置處的框架梁，從而將擬抽柱承擔(dān)的荷載傳遞到新增吊梁，再由吊梁傳遞到周邊接長柱子上，最后傳到基礎(chǔ)［3］。該方法傳力方式明確，不影響結(jié)構(gòu)室內(nèi)空間。

桁架轉(zhuǎn)換法是在抽柱層的上一層或上幾層，利用樓層梁和新增設(shè)的腹桿形成組合桁架來承擔(dān)擬抽柱的荷載［4］。

4）對(duì)抽柱加固前后進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比原結(jié)構(gòu)，結(jié)合加固計(jì)算結(jié)果以及使用空間、施工難易情況，繪制加固施工圖。

3 抽柱前后對(duì)比分析

結(jié)構(gòu)在拆除柱子后，結(jié)構(gòu)整體性受到削弱，柱子作為豎向承重構(gòu)件，在柱子去除后，框架梁失去豎向支撐，跨度從 4.5 m 變成了 9 m，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力重分布，出現(xiàn)原梁配筋不足與撓度超限的情況。下面根據(jù)該樓的具體信息用 YJK 建立模型，對(duì)抽柱前后模擬，從而得出內(nèi)力變化規(guī)律。

使用有限元軟件 YJK 建立好結(jié)構(gòu)模型，對(duì)抽柱前后進(jìn)行對(duì)比，標(biāo)記抽柱跨的梁與梁端，如圖2 所示。梁端彎矩由負(fù)彎矩變?yōu)榱苏龔澗?，彎矩發(fā)生了變號(hào)，在未變號(hào)梁端彎矩增大，彎矩最大增大率為 99 %，可見抽柱對(duì)內(nèi)力分布帶來了很大變化，導(dǎo)致原梁的底部受拉鋼筋不足，梁端支座配筋不足，結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)，需要在抽柱前對(duì)其進(jìn)行加固。表2 為抽柱前后梁撓度變化情況，表3 為抽柱點(diǎn)位移變化情況。

表1 為抽柱前后內(nèi)力變化情況。對(duì)比表1 數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)在拆除柱子后，結(jié)構(gòu)整體性受到削弱，抽柱處

表2 抽柱前后梁撓度變化情況 mm

表3 抽柱點(diǎn)位移變化情況 mm

圖2 抽柱跨梁標(biāo)記圖（單位：mm）

對(duì)比表2、表3 數(shù)據(jù)可知，抽柱點(diǎn)失去豎向支撐后，原本柱承受的荷載，現(xiàn)在由一層梁承擔(dān)，導(dǎo)致抽柱后梁的撓度大幅度增加，抽柱點(diǎn)的豎向位移急劇增大。

4 加固有限元分析

4.1 模型的建立

建立兩種加固方法的模型，如圖3、4 所示。正常拆除的順序是先拆除梁板，然后再拆除柱，然而既有建筑的抽柱改造是在不拆除梁板的情況下，直接拆除柱。結(jié)構(gòu)在抽除柱后，結(jié)構(gòu)整體受到了削弱，柱作為豎向承重構(gòu)件，拆除后整體的剛度將受到影響，此外，該柱上的框架梁內(nèi)力也將出現(xiàn)重分布。所以應(yīng)先加固完成后再進(jìn)行抽柱。

圖3 新增吊梁法模型示意圖

圖4 桁架轉(zhuǎn)換法模型示意圖

在模型建立完畢后，在樓層屬性中修改構(gòu)件施工順序，因?yàn)檐浖J(rèn)的的施工應(yīng)該是先抽柱，后加固。如果采用默認(rèn)分析方法進(jìn)行計(jì)算分析，得出的計(jì)算結(jié)果肯定和實(shí)際結(jié)果不符合。階段施工就是通過模擬在施工順序中結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度等不斷變化的過程。為了模擬準(zhǔn)確，將施工順序修改為先進(jìn)行加固措施，后抽去柱子。

4.2 結(jié)果對(duì)比分析

由表4 可知，兩種加固方法加固后梁端彎矩都得到了有效控制，但在抽柱點(diǎn)還是彎矩變號(hào)的情況，此時(shí)應(yīng)該核對(duì)梁和周邊柱配筋是否滿足，當(dāng)不滿足時(shí)，此時(shí)可以配合常規(guī)加固方法，如增大截面加固法，粘貼鋼板加固法來進(jìn)行加固。

表4 抽柱加固后內(nèi)力變化情況

表5 為加固后梁撓度變化情況，表6 為抽柱點(diǎn)位移變化情況如表5、6 所示，梁的撓度得到了很好的控制，由于桁架的剛度大，對(duì)于抽柱后的梁撓度與抽柱點(diǎn)豎向位移控制較為理想。桁架轉(zhuǎn)換法加固效果優(yōu)于新增吊梁法，新增吊梁法加固效果主要取決于轉(zhuǎn)換梁的剛度，剛度越大，抽柱點(diǎn)豎向位移越小，加固效果越好。X向，Y向位移與原結(jié)構(gòu)相比基本無變化。

表5 加固后梁撓度變化情況 mm

表6 抽柱點(diǎn)位移變化情況 mm

表7 為整體參數(shù)對(duì)比。如表7 所示，對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體性而言，加固后的自振周期與原結(jié)構(gòu)基本一致，最大層間位移角符合規(guī)范要求，兩種加固方法對(duì)抽柱改造前后結(jié)構(gòu)的整體性基本沒有受到影響。

表7 整體參數(shù)對(duì)比

5 施工要點(diǎn)

新增吊梁法:轉(zhuǎn)換梁設(shè)置于屋面，可采用型鋼梁或者混凝土梁，鋼吊桿穿透原樓板吊住擬抽柱上的框架梁，鋼吊桿上方錨固在轉(zhuǎn)換梁上，為防止混凝土梁局部壓碎，鋼吊桿與混凝土梁連接點(diǎn)外包角鋼。在確認(rèn)轉(zhuǎn)換梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，錨固完成后，進(jìn)行斷柱（見圖5）。

圖5 混凝土轉(zhuǎn)換梁示意圖

桁架轉(zhuǎn)換法:關(guān)鍵施工部位是斜撐與柱的剛性連接節(jié)點(diǎn)。先將鋼斜撐與柱連接區(qū)域剔鑿。節(jié)點(diǎn)型鋼可采取工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝的方式，達(dá)到縮短工期的目的。綁扎完成柱新增鋼筋，節(jié)點(diǎn)型鋼吊裝到位，焊接型鋼與柱子的新增鋼筋，采用灌漿料澆筑節(jié)點(diǎn)區(qū)域，達(dá)到強(qiáng)度后，進(jìn)行斷柱。

6 方案選擇建議

經(jīng)過軟件模擬，對(duì)比出兩種加固方法的加固效果，結(jié)合施工得出兩種加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)與適用情況，如表8 所示。

表8 兩種抽柱方案對(duì)比

7 結(jié)語

1）抽柱項(xiàng)目應(yīng)遵循先加固后抽柱的原則，并在施工前盡可能地卸載，防止二次受力的不利影響。在保證轉(zhuǎn)換構(gòu)件與加固構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度安全可靠后才可進(jìn)行抽柱。

2）通過新增吊梁法與桁架轉(zhuǎn)換法的模擬對(duì)比，經(jīng)過比較加固后各項(xiàng)參數(shù)，桁架轉(zhuǎn)換法加固效果優(yōu)于新增吊梁法。加固效果主要取決于桁架與轉(zhuǎn)換梁的剛度，剛度越大，加固效果越好。

3）論文介紹了兩種方法的施工順序、要點(diǎn)，得出兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用情況，為以后實(shí)際工程提供參考。