既有框架结构抽柱加固改造实践.pdf

江西建材规划设计与建筑1292023年6 月既有框架结构抽柱加固改造实践赵 勇，苏 野中广电广播电影电视设计研究院有限公司,北京 100045摘 要：目前，新建项目逐渐减少，对既有建筑的改造工程逐渐增多。改造过程中，依据功能需求，局部抽柱后跨度增加变为大空间的情况时常出现。根据使用功能需求和施工可行性选择有针对性的加固设计方案，以做到技术可行、经济适用。关键词：局部抽柱；结构加固设计；组合梁等效刚度中图分类号：TU746.3文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）06-0129-03The Reinforcement and Reconstruction Practice of the Existing Frame Structure by Pulling Out ColumnsZhao Yong,Su Ye Radio Film&Television Design&Research Institute,Beijing 100045Abstract:At present,the number of new construction projects is gradually decreasing,and the number of renovation projects for existing buildings is gradually increasing.During the renovation process,it is common for the span to increase and become a large space after partial column extraction based on functional requirements.Based on the functional requirements and construction feasibility,a targeted reinforcement design scheme is selected in the article to achieve technical feasibility and economic applicability.Key words:Local suction;Structural reinforcement;design;Equivalent stiffness of composite beams作者简介：赵勇（1978-），男，北京人，本科，高级工程师，主要研究方向结构设计。1 项目概况改造项目地面以上建筑原为高层下裙房两层商业，地下为两层车库的大底盘。局部改造范围一层为商店，二层为就餐区。甲方希望将此区域改造为一个两层通高的报告厅（见图1）。根据功能需求。重新调整布置方案后，如图1 所示。图1 中填充部分二层（建筑标高）梁板需拆除，云线圈出位置两根结构柱正负零以上部分需拆除，抽柱后屋面位置 V-X间梁结构计算跨度由原8.5m增大为17m，需要对失去结构柱支撑部分梁做加固处理，以满足后续使用要求。图1 改造平面图/mm依据 GB 550212021 既有建筑鉴定与加固通用规范、GB 502922015 民用建筑可靠性鉴定标准等技术标准，既有建筑改建、扩建、移位以及建筑用途或使用环境改变前，需要进行鉴定，且同时进行安全性鉴定和抗震鉴定6。检测鉴定作为设计依据，是改造前必须完成的工作，这既是对原有建筑基本材料、截面性能的定量描述，又是对整体抗震性能的定性表达。本项目根据检测单位提供的检测鉴定结论得出：结构抗震构造措施及承载力基本满足结构设计图纸依据的规范要求，综合该工程结构原设计图纸、施工资料检查结果、相关项目检测结果、鉴定结果，该项目可按原设计图纸条件正常使用。结合本项目原有设计图纸可知，商业部分与主体设有抗震缝，商业部分可作为独立的计算单元。因为抽掉结构柱和拆除部分梁板，结构竖向构件减少和水平力传递路径的改变，必然影响整体结构内力的调整和重分布。结合改造后的结构布置和荷载，建模计算地震作用下的内力和变形，验算层间侧移刚度、剪切承载力、结构扭转角等总体性能参数5。根据计算结果，本项目整体计算指标基本满足规范要求，仅个别结构柱局部楼层抗弯承载力配筋不足，可采用加固处理，因此，抽柱对结构整体抗震承载力影响不大，改造方案可行。2 改造过程2.1 改造设计方案可将抽柱受力范围内屋面梁板一起做静力拆除，在柱顶重新设置结构钢梁，采用钢与混凝土组合梁，替代原有屋面结构形式。此方案操作便捷，结构受力明确，节点连接构造简单，经济性好且改造实施周期短。但在后续现场勘查中发现，屋面设有暖通设备及冷却塔，现有系统正在使用且变更位置成本较高；改造范围相邻其他位置均已出租，顶板切除噪音影响时间长且有粉尘污染，屋面拆除重置期间，施工影响相邻范围使用单位办公，故此方案不予考虑。江西建材规划设计与建筑1302023年6 月抽柱后，对整跨混凝土梁做增大截面整体加固。此方式梁高度增加较大，通过试算，梁高需增加到1 800 mm。由于跨度较大，下部配筋也达到了6 700 mm，结合现有结构柱，梁柱连接植筋构造间距不能满足要求3，且这种加固方式梁自重大，后浇筑混凝土因现有梁的存在而浇筑困难，施工质量要求高，两者共同受力也不容易保证。后参考 建筑结构杂志中方案用通长型钢，将原两跨混凝土梁连成一体，按组合梁方式将屋面梁加固，承担抽柱后整个跨度的屋面荷载4。此方案拆除工作量小，且能最大限度保证加固后室内空间的要求，现场可操作性强，视为首选方案。但考虑到框架结构需保证梁柱节点刚接，组合梁中与框架柱后连接锚固配置的钢梁，实际节点连接方式和受力情况只能是铰接，不能达到刚接节点的要求。只有组合梁能保证节点位置上部受拉钢筋配置满足要求，而下部钢梁连接部分仅受压应力，则组合梁设计才能满足节点刚接受力要求，此方案方能可行。2.2 改造设计方案验证为保证方案能够顺利实施，首先复核验证组合梁、柱节点改造后的受力状况是否满足要求。采用盈建科结构软件，分别按鱼腹梁和整体实腹梁建模计算框架梁支座受力状况。通过计算，两种模型计算显示结果相同。其都在+Y风荷载工况下出现节点下部受拉的情况，但弯矩非常小，为30 kN m,加固前的原混凝土梁下部锚入支座钢筋已经完全满足，在实际施工完成情况下，此工况可以不计；另一种情况出现在基本组合下1.0 恒+0.5活的工况下，此工况下弯矩相对同样很小，为70 kN m，相当于跨中弯矩的0.03%，再考虑到节点连接中钢梁与柱连接锚板做成环箍形式，节点受力是完全可以保障的，故组合梁加固方案可满足节点刚性连接的要求。接着按照刚度等效原则，用Q355B方钢替代模型中实际增加梁高部分混凝土选用600 mm400 mm16 mm24 mm的方钢代替。图2 混凝土梁计算截面图依据 GB 500102010 混凝土结构设计规范第7.2.3条，混凝土梁刚度如下：BS=EsAsh02/(1.15+0.2+6E/(1+3.5f)=1.1-0.65ftk/texs ftk=2.39N/mmte=6700/0.54001800=0.0186s=Mq/0.87h0As=2835106/0.8717706700=275s=1.1-0.652.39/0.0186275=0.796E=Es/Ec=2105/3.25104=6.15 f=1440140/4001770=0.285 =6700/4001770=0.00946BS=2105670017702/1.150.796+0.2+（66.150.00946/1+3.50.8285）=4.21015/（0.9154+0.2+0.349/1.9975）=4.21015/1.29=3.261015组合梁刚度BS=EsAsh02/（1.15+0.2+6E/（1+3.5f）=1.1-0.65ftk/tes ftk=2.39N/mm2te=9600/0.54001550=0.031s=Mq/0.87h0As=2835106/0.8715389600=221=1.1-0.65ftk/tes=1.1-0.652.39/0.031221=0.873E=Es/Ec=2.06105/3.25104=6.34f=1440140/4001538=0.328=9600/4001538=0.0156BS=2105960017705382/1.150.873+0.2+（66.340.0156/1+3.50.328）=4.681015/（1.004+0.2+0.5934/2.148）=4.681015/1.48=3.161015图3 钢-混凝土组合连接管刚度计算截面图由计算结果可知，组合梁刚度与模型中混凝土梁刚度相当，能够满足加固后整体受力的要求，且减小了实际梁高增加了室内空间高度，相对混凝土梁自重，其减轻了1 倍有余，相比其他方案，其结构受力更加合理1-2。2.3 静力拆除后保留构件的节点处理抽柱改造是将承受荷载的竖向构件去掉，是整个改造的核心，重点都是围绕在失去承重构件下后续支撑体系的加固，很容易将构件静力拆除后的节点处理忽略，这些细节构造一定要引起足够重视，才不会造成新的安全漏洞。其主要存在的位置是柱头和梁头部位，这些地方都是节点核心区，必须保证结构整体受力下强节点的构造要求。在部分构件拆除的情况下，要保证这些部位构件的连接可靠，在设计过程中就要考虑构件拆除后节点处理，以保证结构安全。图4 为节点区钢筋锚固：图4 节点锚固详图（1）注明拆除过程中，梁柱中的主要受力钢筋不能直接切断，需要预留锚固长度。这点极为重要，一旦未提前标明处理方江西建材规划设计与建筑1312023年6 月法，施工按照布置直接切除，后续处理起来十分麻烦，且造成安全隐患。（2）钢筋锚固措施施工完成后，用提高一个强度等级细石混凝土作为保护层将钢筋密封保护，形成一个完整有效端节点受力端。（3）板切割部位相对于梁柱的受力虽然简单，但要保证承载力可靠，同样需根据支撑受力边的情况，做好锚固或是搭接的端头处理。2.4 抗弯承载力不足部分结构柱加固柱构件采用理正加固计算软件，取整体模型中结构柱包络弯矩和轴力，依据现有材料强度等级和计算参数，对结构柱复核计算。图5 尺寸内力配筋简图表1 框架加固计算参数（一）计算类型承载力验算轴力设计值 N/kN1074.00考虑 p-效应不考虑弯矩设计值 M/（kN m）971.00抗震等级二级抗震组合水平地震力是后续使用年限40 年（B类建筑）纵筋至边缘距离/mm40.00型钢至边缘距离/mm14.00表2 框架加固计算参数（二）截面形式矩形宽 b/mm650高 h/mm650柱长/m5.50原构件混凝土等级C30原构件纵筋级别HRB400受拉侧纵筋面积/mm22450受压侧纵筋面积/mm22450型钢强度/kPa215.00单侧型钢面积/mm21800型钢强度利用系数 a1.00正截面承载力验算轴压比Ac0=bh=650650=422500mm2=N/fcoAco=1074103/14.3422500=0.178 偏压验算根据平截面假定，得：受压区高度 X=102.31mm受压区形心处混凝土应力 c0=13.44N/mm2原受拉侧纵筋应力 s0=360.00N/mm2原受压侧纵筋应力 s0=345.93N/mm2新增受拉侧型钢应力 a=215.00N/mm2新增受压侧型钢应力 a=215.00N/mm2Ne=1cobx(h0-x/2)+s0As0(h0-as0)-s0As0(aso-aa)+aAa(h0-aa)ei=e-h/2+ae0=ei-eaNe0/rRa=986.55/0.800=1233.19kN mM=971.00kN m采用型钢加固后，经计算，正截面偏心受压承载力满足。但实际配置措施中，需注意混凝土结构柱竖向加固范围。根据钢筋受力锚固要求，为保证力的可靠传递，外粘型钢必须通常、连续设置，中间不得断开。角钢下端应锚固于基础，中间应穿过各层楼板，上端应伸至加固层的上一层楼板底或屋面板底。原因是改造工程本项目已投入使用，下端如果锚固于基础，不可避免需要将地面破坏，施工完成后再修复。考虑到计算单体有两层地下室，正负零处结构板可作为上部结构的崁固端，按照实际受力情况和锚固要求，对应规范和图集处理的方法，最终确定角钢下端延伸至地下二层地面位置，这样既方便施工，也节省了造价，结构受力也合理。3 后续施工配合设计应当在图纸文件中注明涉及危大工程的重点部位和环节，提出保障工程周边环境安全和工程施工安全的意见，必要时进行专项设计。本项目具体施工操作中，抽柱后两层通高加固梁的施工方案，属于超过一定规模的危大工程，施工单位应当组织召开专家论证会对专项施工方案进行论证。抽柱加固有别于新建工程的受力状况，因此，有必要参加论证并将设计重点和注意事项作补充说明，并提出相应建议：（1）柱是支撑屋面系统荷载的竖向构件，改造过程中，需保证原有屋面的安全和正常功能的实现，支撑系统不仅要实现现有改造支撑的需要，在施工过程中，和组合梁整体受力前，还要保证原有屋面受力不能改变。（2）建议增加后续沉降观测的内容。这样不仅可以检验施工质量又可以对加载后组合梁的挠度观测记取，还可对加固效果有一个定量数据的直观验证。项目结构加固完成一个月后，对卸载后屋面荷载重新加载完成，后续两次间隔一月测量梁的最大变形挠度为9 mm，远小于梁跨度17000/400=42.5 mm的限值要求，也小于按照纯混凝土梁的挠度计算值17 mm，符合刚等效荷载减小的实际受力情况，整体加固成效明显。4 结语抽柱后原有混凝土梁加型钢梁形式的组合梁加固，能够有效提升结构梁刚度，降低自重，现场操作性强且影响较小，可以作为结构抽柱后一种有效的结构加固手段，具有明显的可靠性和经济效益，值得借鉴和参考。参考文献 1 张佳利.砌体结构框架托换拆墙结构设计J.建筑结构，2022，52（S1）：2067-2070.2 曾繁文.某框架结构增层改造可行性研究分析J.工程质量，2022，40（6）：11-15.3 董明，卢文生，张亮，等.某既有钢筋混凝土框架结构改造设计与分析J.结构工程师，2021，37（6）：221-229.4 庞拓，闵旭，付正权，等.房屋建筑工程结构加固改造技术的应用分析J.建筑技术开发，2021，48（20）：5-6.5 杨晓凤.混凝土框架旧厂房升级改造施工技术J.建筑施工，2021，43（8）：1558-1560.6 戴荣.房屋建筑工程建设中的结构加固改造技术J.四川建材，2023，49（4）：57-58，64.