既有大跨度結(jié)構(gòu)托柱改造的關(guān)鍵問題研究

馬鎮(zhèn)炎， 王錦文， 張梅松， 馬月平， 王洪欣

(筑博設(shè)計股份有限公司， 深圳 518035)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，建筑的使用功能越來越為人們所重視，加固改造工程數(shù)量日趨增多。其中，托柱(托墻)轉(zhuǎn)換加固是現(xiàn)有工程中一種比較常見的改造形式[1]。

常見的托柱轉(zhuǎn)換多數(shù)局限在結(jié)構(gòu)頂部，上部荷載較小，一般通過增大原有框架梁截面、施加預(yù)應(yīng)力或設(shè)置斜撐等措施予以解決[2-3]。對于大跨度結(jié)構(gòu)的托柱轉(zhuǎn)換及對上部沉降嚴(yán)格控制的托柱轉(zhuǎn)換，改造過程中大跨轉(zhuǎn)換梁會產(chǎn)生一定的撓度，從而牽動上部結(jié)構(gòu)，影響其受力和正常使用，如何控制上部結(jié)構(gòu)變形和裂縫成為關(guān)鍵問題。本文通過具體工程對此類問題進(jìn)行闡述和分析。

1 工程概況

深圳崗廈天元花園項目位于崗廈河園片區(qū)的西北角，擬改造位置如圖1所示。項目地下3層，地下3層～地下1層層高分別為4.20，4.00，5.60m；地上為4層裙房及7棟超高層塔樓，其中裙房1～4層層高分別為6.55，6.00，3.70，3.75m。裙房目前已經(jīng)施工完畢，因裙房原有結(jié)構(gòu)柱占用規(guī)劃道路，需將地上裙房底層的兩排框架柱拆除，以滿足車輛通行要求，擬拆除柱柱距為13.5m，在其兩側(cè)新加轉(zhuǎn)換柱(柱距19.5m)托住擬拆除柱，如圖2，3所示。由于工程原結(jié)構(gòu)已完工，且裙房屋頂有1.2m厚覆土，屋頂局部位置有游泳池，加固改造過程中不得影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用，對改造工作提出了挑戰(zhàn)。且在恒載+活載作用下，擬拆除柱的軸力最大達(dá)7 452kN，地下室頂板無法保證施工措施能臨時托起如此大的荷載。

圖1 擬改造項目位置

圖2 結(jié)構(gòu)加固改造示意圖

圖3 擬拆除柱范圍示意圖

2 托柱改造的關(guān)鍵問題

2.1 大跨托柱轉(zhuǎn)換對上部結(jié)構(gòu)沉降及受力的控制

由于轉(zhuǎn)換梁跨度較大、上部使用荷載較重、整體剛度偏弱，拆除柱后，轉(zhuǎn)換梁在上部荷載作用下易產(chǎn)生較大撓曲變形，從而會對上部結(jié)構(gòu)安全性和正常使用造成較大影響。

為減小擬拆除柱的受荷面積，進(jìn)而減小擬拆除柱在正常使用情況下的軸力，將新加的兩排轉(zhuǎn)換柱在轉(zhuǎn)換梁之上減小截面后向上通至屋頂，并支撐在3層和屋頂?shù)募扔辛合拢鐖D4所示。在恒載+活載作用下，考慮施工順序的影響，擬拆除柱在3層底的軸力變化如表1所示。由表1可知，通過上述改造措施，擬拆除柱的軸力相對于原結(jié)構(gòu)減小約15%～40%，有效降低了改造過程中作用在轉(zhuǎn)換梁上的荷載。

圖4 托柱轉(zhuǎn)換剖面示意圖

表1 擬拆除柱在恒載+活載作用下的軸力變化

由于轉(zhuǎn)換梁跨度較大，若采用實心混凝土結(jié)構(gòu)，則自重產(chǎn)生的撓度不可忽略，而轉(zhuǎn)換梁的撓度又會引起上部結(jié)構(gòu)的變形。根據(jù)計算，所需轉(zhuǎn)換梁尺寸為1 300mm×2 800mm。為減輕轉(zhuǎn)換梁自重，轉(zhuǎn)換梁兩端到擬拆除柱位置處采用實心矩形截面，跨中采用箱形截面，如圖5所示，中間段采用空心截面后，轉(zhuǎn)換梁的自重約降低19.0%。

圖5 預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁截面

施加預(yù)應(yīng)力可在不改變構(gòu)件截面的前提下顯著提高構(gòu)件剛度，減小構(gòu)件變形，廣泛應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)中。預(yù)應(yīng)力箱形轉(zhuǎn)換梁與新加混凝土轉(zhuǎn)換柱組成轉(zhuǎn)換體系共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，由預(yù)應(yīng)力來抵消轉(zhuǎn)換梁在柱A(圖4)處的豎向變形Δ1中恒載產(chǎn)生的部分。

在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，上部結(jié)構(gòu)的荷載從由擬拆除柱承擔(dān)逐漸轉(zhuǎn)換為由預(yù)應(yīng)力箱形轉(zhuǎn)換梁承擔(dān)，擬拆除柱所受軸力逐漸減小。當(dāng)預(yù)應(yīng)力施加到一定程度時，擬拆除柱的軸力為0，甚至變?yōu)槭芾?，此時便可切割擬拆除柱，完成結(jié)構(gòu)傳力體系的轉(zhuǎn)變。因此預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的設(shè)計和施工工藝是決定此類改造安全性和有效性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對新增預(yù)應(yīng)力箱形轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行了承載力驗算。首先計算預(yù)應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)換梁的軸力、次彎矩、次剪力，并將預(yù)應(yīng)力筋的等效荷載作用在結(jié)構(gòu)上。計算轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力，與預(yù)應(yīng)力等效荷載求和，進(jìn)行構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)驗算和正常使用極限狀態(tài)驗算，根據(jù)此結(jié)果配置普通鋼筋。預(yù)應(yīng)力箱形轉(zhuǎn)換梁控制截面裂縫及承載力計算結(jié)果如表2所示。由表2可知，在預(yù)應(yīng)力的作用下，裂縫得到了有效控制。

表2 預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁控制截面裂縫及承載力計算結(jié)果

為驗算切割擬拆除柱所引起的屋面沉降，對該沉降的組成進(jìn)行了分析。如圖4所示，擬拆除柱A在改造后的柱頂沉降由三部分組成[4]：1)轉(zhuǎn)換梁在擬拆除柱A處的豎向變形Δ1；2)新加柱從底板到轉(zhuǎn)換梁梁端范圍內(nèi)的壓縮變形Δ2；3)新加柱樁基礎(chǔ)的壓縮變形及樁底的地基沉降Δ3。擬拆除柱B在改造后的柱頂沉降由三部分組成：1)轉(zhuǎn)換梁在擬拆除柱B處的豎向變形Δ1；2)地下室原框架柱改造引起的壓縮變形增量與新加柱到轉(zhuǎn)換梁梁端范圍內(nèi)的壓縮變形之和Δ2；3)原樁基礎(chǔ)的壓縮變形增量及樁底的地基沉降增量Δ3。

為使屋頂游泳池的使用功能不受影響，分別計算了恒載、活載作用下考慮豎向構(gòu)件壓縮變形及基礎(chǔ)沉降引起的擬拆除柱的柱頂沉降。設(shè)計轉(zhuǎn)換梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋時，考慮恒載作用下的柱頂沉降由預(yù)應(yīng)力抵消，由此可得擬拆除柱柱頂及新加柱柱頂?shù)某两抵?，如?所示。

由表3可知，由于預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁對恒載引起變形的抵消作用，大大減小了柱頂?shù)某两?，改造完成前后柱頂最大豎向變形分別為21.57，11.87mm，改造完成后柱頂最大豎向變形僅為轉(zhuǎn)換梁跨度的1/2 016，變形較小，滿足安全性要求。且擬拆除柱柱頂與新加柱柱頂?shù)牟町惓两底畲鬄?.2mm，僅為跨度的1/1 363，沉降很小。在沉降作用下對屋面樓板內(nèi)力分別進(jìn)行改造前、改造時未施加預(yù)應(yīng)力、改造時施加預(yù)應(yīng)力三種工況的分析[5]，樓板內(nèi)力計算結(jié)果如圖6所示，其中○位置表示分析所得樓板應(yīng)力大于原設(shè)計配筋結(jié)果的位置。

表3 擬拆除柱及新加柱柱頂沉降統(tǒng)計

圖6 改造前后屋面樓板X向彎矩/(kN·m)

從圖6可以看出，改造前屋面樓板X向彎矩均處于較低水平，最大值出現(xiàn)在柱頂附近且分布較均勻。若轉(zhuǎn)換梁不施加預(yù)應(yīng)力而拆除框架柱，樓板多處會出現(xiàn)應(yīng)力集中，樓板彎矩較大，分布不均勻，且局部位置配筋偏小，存在安全隱患。施加預(yù)應(yīng)力后，樓板彎矩恢復(fù)到改造前水平。因此，改造中須控制好施工流程，在拆除原有框架柱前施加預(yù)應(yīng)力，能夠避免樓板出現(xiàn)應(yīng)力集中，保證工程的正常安全使用。

2.2 柱軸力較大時卸載抽柱問題的解決

常規(guī)的抽柱改造工程，往往通過施工臨時措施將擬拆除柱頂起，即采用施工措施臨時承擔(dān)柱的內(nèi)力，然后施工轉(zhuǎn)換梁，待轉(zhuǎn)換梁達(dá)到一定強(qiáng)度后拆除柱，繼而拆除施工臨時措施。該施工臨時措施無法承擔(dān)較大的柱內(nèi)力，且施工過程中由于施工臨時措施引發(fā)的變形，上部結(jié)構(gòu)往往會產(chǎn)生較大的沉降和裂縫。

屋頂覆土及泳池荷載較大，擬拆除柱在恒載+活載作用下軸力最大達(dá)到了7 452kN。地下室頂板無法給常規(guī)的施工臨時支撐措施提供如此大的支持力。本項目擬采取如下施工方案：

(1)將新加的兩排轉(zhuǎn)換柱在轉(zhuǎn)換梁之上減小截面后向上延伸至屋頂，使3,4層部分荷載轉(zhuǎn)移到新加轉(zhuǎn)換柱上。在加固范圍內(nèi)從地下室頂板至裙房屋頂采用滿堂腳手架頂緊樓板，該滿堂腳手架僅作為安全防護(hù)措施，不作為受力措施。

(2)在擬施工轉(zhuǎn)換梁的高度范圍內(nèi)，將擬拆除柱一側(cè)鑿除250mm深、2 800mm高的范圍，并保留柱內(nèi)鋼筋不切斷，如圖7所示。此時原框架柱剩余截面仍能承受上部結(jié)構(gòu)恒載+活載產(chǎn)生的力，保證了施工的安全性。

在上述擬拆除柱的被鑿除側(cè)施工轉(zhuǎn)換梁，待該側(cè)轉(zhuǎn)換梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到C40后，在擬拆除柱的另一側(cè)鑿除250mm深、2 800mm高的范圍(圖7(b))，并在該范圍內(nèi)施工轉(zhuǎn)換梁。此時擬拆除柱的剩余截面仍能承受上部結(jié)構(gòu)恒載+活載產(chǎn)生的力。

圖7 預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁截面圖

(3)支模板施工預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁。綁扎轉(zhuǎn)換梁鋼筋并按要求放置波紋管，施加預(yù)應(yīng)力。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)梁板有向上反拱時停止張拉施工。張拉完成后嚴(yán)格做好封端工作并進(jìn)行預(yù)應(yīng)力孔道灌漿。

(4)當(dāng)張拉控制應(yīng)力在合理范圍內(nèi)，且上部相關(guān)范圍內(nèi)樓板無向下沉降或變形時，采用靜力切割方式切除擬拆除柱。

通過逐側(cè)削弱擬拆除柱，用箱形轉(zhuǎn)換梁夾緊柱端，而后施加預(yù)應(yīng)力使得擬拆除柱卸載的方法，保證了施工轉(zhuǎn)換梁的過程中，擬拆除柱不需要通過施工臨時措施來卸載，避免了常規(guī)托換工程中大量的臨時支撐措施。通過施工監(jiān)測的輔助措施，做到托換過程中荷載轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)確識別，提高了托換過程中的安全性和可靠性。

2.3 坡道位置處斜撐的應(yīng)用

受地下室坡道使用功能的影響，⑩軸新加轉(zhuǎn)換柱無法向下延伸至地下室底板，故采用型鋼混凝土人字形斜撐[6]來承擔(dān)上部新加柱內(nèi)力的方式進(jìn)行改造，如圖8所示。

斜撐底部設(shè)箱形鋼拉桿抵抗斜撐的水平力，斜撐下框架柱加寬450～500mm，將斜撐的軸力傳至框架柱。在恒載+活載作用下，人字形斜撐(圖8)軸力(分別為4 828kN和10 601kN)均較大，會對與之相連的水平構(gòu)件產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超混凝土抗拉強(qiáng)度時會造成開裂，進(jìn)而影響構(gòu)件的正常使用和耐久性，因此有必要對相關(guān)范圍內(nèi)構(gòu)件的應(yīng)力進(jìn)行分析[7-10]。

圖8 ⑩軸剖面圖

采用MIDAS Gen對人字形斜撐進(jìn)行應(yīng)力分析，恒載+活載作用下分析結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，恒載+活載作用下人字形斜撐引起地下1層樓面梁內(nèi)拉應(yīng)力約3.5MPa，大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，人字形斜撐引起的拉應(yīng)力通過設(shè)置水平鋼拉桿來平衡，鋼拉桿與斜撐中的型鋼鉸接。

圖9 人字形斜撐應(yīng)力分析結(jié)果/(N/mm2)

3 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

為保證施工過程的安全，獲取擬拆除柱在切割過程中構(gòu)件內(nèi)力的變化趨勢，在新增預(yù)應(yīng)力箱形轉(zhuǎn)換梁、新加轉(zhuǎn)換柱、擬拆除柱、人字形斜撐及拉桿上安裝應(yīng)變片，監(jiān)測柱拆除過程中構(gòu)件的受力狀態(tài)。

張拉過程中，在預(yù)應(yīng)力的張拉控制應(yīng)力逐漸增大的情況下，新加轉(zhuǎn)換柱及擬拆除柱的應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。由圖10可知，隨著張拉控制應(yīng)力的增大，擬拆除柱的拉應(yīng)變逐漸增大，新加轉(zhuǎn)換柱的壓應(yīng)變逐漸增大，說明隨著預(yù)應(yīng)力的施加，擬拆除柱的軸壓力逐漸減小，新加轉(zhuǎn)換柱的軸壓力逐漸增大，即擬拆除柱逐漸卸載，而荷載轉(zhuǎn)移到了新加轉(zhuǎn)換柱上。當(dāng)張拉控制應(yīng)力達(dá)到90%時，擬拆除柱的軸力約減小2 678.4kN，而新加轉(zhuǎn)換柱的軸力約增大3 248.4kN。

圖10 張拉過程中新舊柱應(yīng)變變化趨勢

預(yù)應(yīng)力張拉完成后，對擬拆除柱進(jìn)行切割時，新加轉(zhuǎn)換柱及擬拆除柱的應(yīng)變變化如圖11所示。由圖11可知，當(dāng)南側(cè)柱開始切割時，擬拆除柱拉應(yīng)變增大，在切割完成后基本趨于穩(wěn)定；南側(cè)新加轉(zhuǎn)換柱壓應(yīng)變增大，擬拆除柱的內(nèi)力進(jìn)一步傳遞到轉(zhuǎn)換柱上；而南側(cè)柱切割時，對北側(cè)柱的應(yīng)變影響較小。

圖11 切割過程中柱的應(yīng)變變化趨勢

預(yù)應(yīng)力張拉完成后，對擬拆除柱進(jìn)行切割時，圖8所示人字形斜撐及鋼拉桿的應(yīng)變變化趨勢如圖12所示。由圖12可知，柱切割時，人字形斜撐壓應(yīng)變逐漸增大，拉桿的拉應(yīng)變逐漸增大，這與圖9模擬的計算結(jié)果的內(nèi)力分布趨勢基本一致。且鋼拉桿應(yīng)變較大，其下部的混凝土梁拉應(yīng)變增加很小，說明斜撐產(chǎn)生的水平力基本由鋼拉桿所平衡，對周圍其他構(gòu)件的影響較小。

圖12 切割過程中斜撐周邊構(gòu)件應(yīng)力變化趨勢

4 結(jié)論

(1)通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)消除改造過程中恒載產(chǎn)生的沉降，可大大減小改造過程中上部結(jié)構(gòu)的變形，從而將對上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力及使用功能的影響降到更低。

(2)利用施加預(yù)應(yīng)力反拱的原理，預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁便可將擬拆除柱的內(nèi)力逐漸轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)換柱上，采用此方法對擬拆除柱進(jìn)行卸載，可做到改造過程力的傳遞的可控，提高加固改造的安全性。

(3)通過逐漸削弱被改造柱截面與預(yù)應(yīng)力相結(jié)合的改造方法，在施工轉(zhuǎn)換梁的過程中及力的轉(zhuǎn)移過程中，擬拆除柱不需要施工臨時措施卸載，從而解決了大荷載下施工臨時措施無法提供足夠支撐反力的改造難題。

(4)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，本工程改造過程中擬拆除柱內(nèi)力的轉(zhuǎn)移過程與分析計算結(jié)果基本一致，觀測的結(jié)構(gòu)變形很小，對于該工程，本文方法可靠，有效保證了結(jié)構(gòu)改造的實現(xiàn)、施工的質(zhì)量和安全。