托换梁技术在砖混结构加固改造中的应用

(1．淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001；2．淮安市建设工程质量监督站，江苏 淮安 223001；3.河海大学 土木与交通工程学院，南京 210024)

托换梁技术在砖混结构加固改造中的应用

相 军1*，王 忠2，宋康哲3

(1．淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001；2．淮安市建设工程质量监督站，江苏 淮安 223001；3.河海大学 土木与交通工程学院，南京 210024)

砖混结构由于使用功能的改变，常需要进行墙体拆除，代之以托换梁承担上部荷载。改造过程中常需要解决托换梁的选择，托换梁的设计，上部墙体和圈梁承载力的验算，竖向承重构件和基础的加固设计等问题。结合工程实例介绍托换梁的形式及各自优缺点，分析了钢梁-混凝土柱托换结构的设计方法和思路，包括托换梁的设计，竖向承重构件和基础的加固设计，总结墙体托换施工中的若干技术问题。

砖混结构；加固改造；托换

0 引言

砖混结构房屋具有造价低、施工速度快等优点，在房屋结构中被广泛应用。随着经济与社会的发展和人民生活水平的提高，人们对生活质量的要求越来越高，特别是对建筑空间、功能等方面的要求与过去相比有了很大的提高，砖混结构房屋开间、进深普遍较小，经常遇到因需求变化进行的结构改造[1-3]，这已经成为一个特殊的研究方向。传统的加固方法较多，如砖墙的钢筋网夹板墙加固法和梁、柱加大截面法、外包钢加固法[4-6]等，研究也较为成熟。常见的墙体改造为墙体拆除、非承重墙的拆除，在设计院出具设计变更后即可实施；承重墙的拆除，一般的做法是拆墙托梁，即在待拆除墙体的上方设置托换梁，通过托换梁将上部荷载传递给两侧墙体或柱，然后拆除墙体。

托换改造工程复杂、繁琐，托换改造的方案不仅影响资金的投入，更重要的是影响托换改造后的质量。曹大富等[7]、张新中[8]等分别对混凝土-砖组合托梁和型钢-砖组合梁进行了研究，型钢托梁研究较少。托换梁有多种形式，也各有其优缺点和适用条件，本文结合工程实例总结了托换梁的常用形式，分析了钢梁-混凝土柱托换结构的设计方法和思路，分析了该托换结构的关键施工技术。

1 工程背景及改造方案

淮安市某民居为二层砖混结构，建造于上世纪90年代，已经使用了20多年。经现场抽查核实，砌体结构的材质、砌筑质量、砂浆饱满度等均符合现行施工及验收规范要求，未见墙体出现受力裂缝和明显变形。该民居东西长9.2m，南北长9.5m。层高均为3.2m，左右两侧房间进深均为

3.9m，底层客厅开间4.2m，北侧卧室开间2.4m。原结构采用横墙承重体系(预制空心板南北向布置)，设有圈梁(截面240mm×240mm，上下配筋均为2Φ12，箍筋配置Φ6@250)和构造柱(截面240mm×240mm，纵筋为4Φ14，箍筋配置Φ6@200)，采用钢筋混凝土条形基础。原建筑底层平面图如图1所示。现使用方提出将③-④轴线之间的轴线处横墙拆除，将原来的小卧室和客厅连在一起，改造成大客厅使用。

图1 改造前底层平面图

使用方提出：加固改造应安全可靠；新的使用功能要求改造后房间净高不宜过低；因场地狭小加固改造方案应方便施工；为及时使用，工期不宜过长；造价应经济合理。基于上述要求，加固改造采用型钢托梁拆墙，增大截面法加固原有构造柱和基础方案，用改造后的框架柱支承托换梁及上部墙体荷载，并将荷载传给基础，形成内框架体系。

2 托换梁设计

2.1 托换梁的形式

托换梁按材料不同可以分为：钢筋混凝土托换梁、钢托换梁、型钢-混凝土托换梁和钢板-砖砌体托换梁等[9-10]；根据托换梁与圈梁(或取代墙)的位置关系，钢筋混凝土托换梁可以分为墙侧夹芯托换梁、圈梁上(或下)方单托换梁。

墙侧夹芯梁[11]是指在待取代圈梁及其下部部分墙体两侧施作托换梁，沿梁长方向每隔一定间距(1m左右)设横穿墙体的混凝土连接键或者在圈梁上打孔，穿入钢筋，将两侧托换梁相连，并且托住圈梁。

墙侧夹芯托换梁。在不损伤原承重墙体的情况下，先施作托换梁，待混凝土强度达到设计值后拆除墙体，最大程度上避免上部结构的变形，缺点是施工难度大，浇筑混凝土困难，且很难捣实。该方法需要对相应的基础、柱子作较大调整，工作量大。

圈梁上(或下)方单托换梁。在圈梁上方或下方直接施作托换梁都需要先拆除圈梁下承重墙，对圈梁进行临时支撑，用以承担圈梁上部墙体传来的荷载，因此需要对临时支撑进行强度、稳定性验算。支撑下部应铺设垫板，以使荷载均匀传递至下层楼板。圈梁下方单梁托换具有外观美观，形式简单，传力体系简洁合理，相应的竖向承重体系和基础处理较为方便等优点。不足之处：需要先拆墙后浇筑混凝土，势必对原结构体系造成一定的损坏。为保证托换梁满足一定的刚度要求，通常取梁的高度为跨度的1/10左右。当梁的跨度较大时，托换梁将占用较大的净空，影响室内美观和使用。

型钢-混凝土托换梁[12]改造方法同圈梁下方单托换梁相似，一般在圈梁下方沿梁长方向每隔一定间距(一般500～600mm)剔除孔洞(洞高同托换梁高)，在孔洞内楔入钢立柱，用以支撑墙体拆除后新梁未形成前上部荷载，然后拆除立柱间墙体，沿立柱的上下端分别焊接水平角钢，形成钢梁骨架，角钢外焊接钢丝网片，然后支模板，浇筑混凝土。待混凝土强度达到设计值后即可拆除下部剩余墙体。

钢托换梁有轻型钢桁架托换梁、型钢托换梁等。轻型钢桁架托换梁一般是在墙体两侧设置2片平面桁架，2片平面桁架通过穿过墙体的扁钢(或角钢)连接，与墙体形成受力体系，墙体及其上部荷载通过连接扁钢(或角钢)传给两个平面桁架。轻型钢桁架托换梁具有施工工期短、干作业、施工方便等特点。

2.2 本工程改造方案

图2 墙体托换立面图

图3 托换梁剖面图

2.3 结构计算分析

2.3.1 上部墙体抗弯强度验算

本工程上部墙体荷载通过5个垫块传递至托换梁，由于垫块间距较密，墙体应力传递的夹角一般在刚性角范围内，一般免于验算。

2.3.2 圈梁验算

由于垫块的支撑作用，圈梁被分隔为4跨连续梁，最大弯矩、剪力均大为减小，经计算，圈梁的正截面承载力、斜截面承载力、挠度、抗裂性能均满足要求。

2.3.3 垫梁(垫块)强度验算

由于垫梁跨度很小，数量较多，所受弯矩、剪力均较小，选用2槽钢12.6通过缀板焊接而成格构梁，经验算，强度满足要求。

2.3.4 托换梁的强度计算

计算简图[13-14]如图4所示。考虑托换梁与框架柱端预埋钢板采用焊接方式连接，圈梁与托换梁之间采用5个垫块相连，托换梁可以简化为简支梁。

图4 计算简图

强度计算。设计采用Q235钢材：

(1)

(2)

选用2槽钢25a，(W=540cm3)

(3)

(4)

经计算，托换梁的强度、刚度满足设计要求。

3 竖向承重构件设计

原有结构纵横墙交接处为构造柱，现将横墙拆除，代之以托换梁，为有效承担托换梁传递的荷载，需对构造柱进行加固处理，使之变换为框架柱。为减小对原结构的损伤，实际工程中宜尽量利用原有砖墙、砖柱、构造柱等进行增大截面的加固处理。结合本工程特点，采用三侧增大构造柱截面的方法进行加固改造。改造后的组合柱截面如图5。

为加强新旧混凝土的结合，以便于更好的共同工作，在柱内沿纵横两个方向各设置两道Φ12钻孔锚筋，锚筋沿柱长方向每隔500mm设置一道，纵横向锚筋间隔设置，锚筋插孔后要求用高强水泥浆灌注密实。新旧混凝土结合面处要求凿毛、清理干净，刷一道水泥浆后再进行混凝土浇筑。为加强框架柱与托换钢梁的连接，在新柱顶面预埋钢板，旧柱顶部侧面、托换梁端位置处焊接钢垫板，以便托换梁就位后焊接连接。

组合柱的承载力计算可以按照轴压、压弯构件的设计原理进行计算，通常情况下可以将新旧部分柱看作整体对待，参照现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)进行计算，但考虑到应变滞后、共同工作等因素的影响，需对新增混凝土和钢筋进行强度折减，折减系数按《混凝土结构加固技术规范》(CECS25:90)取值。

图5 改造后柱剖面图

4 基础加固设计

建筑物底层采用框架托换后，上部结构的传力路径发生了变化，传力形式也由墙下条形基础改为柱下条形基础，柱基础和地基都将产生应力集中，因此必须对基础和地基承载力进行校核，并采取必要的加固措施进行补强。

如果直接在柱下施作独立基础，势必会破坏原有基础的完整性，给施工期间建筑物的安全带来隐患。一般情况下可以在原有墙下条基基础上进行加固改造，即增大基础地板宽度的同时增加基础梁的宽度，视增大柱截面形式在原基础梁的一侧或两侧设置夹墙基础梁。基础梁宜沿纵横向通长设置，有助于柱传来的荷载在较大范围内分布，减小基底土压力和变形，同时能够弥补因横墙拆除引起的墙体侧向刚度的损失，有助于改善结构的整体性和稳定性。

为了使新旧基础梁能够有效的共同工作、提高整体性，两者之间除了每隔一定间距用箍筋对穿拉结以外，还应设置间距不大于1m的横向拉结短梁。本工程原基础为墙下条形基础，考虑新柱系在原构造柱两侧补强而得，墙下条基采用在增加基础底板宽度的同时在基础梁两侧增设夹墙基础梁，截面尺寸采用250mm×600mm，配筋情况如图6。

5 施工关键技术

5.1 施工顺序

拆除改造工程的施工顺序非常重要，正确的施工方法和施工顺序是建筑物和施工安全的重要保证。本工程的施工顺序为：开挖基础、绑扎钢筋、浇筑基础混凝土——绑扎新柱钢筋、预埋件定位、浇筑新柱混凝土——剔出圈梁下洞口、穿临时垫梁、立支柱支撑——拆除圈梁下墙体——架设托换梁、焊接梁端垫板——拆除临时立柱、切割垫梁多余部分——焊接垫块与托换梁。

图6 改造后基础配筋图

5.2 施工监测

加固、改造施工过程中，有许多难以预料的因素，特别是在拆除墙体、布设临时支架过程中，对各个施工阶段都要对建筑物进行严密监测，主要测量倾斜、沉降、裂缝等数据，发现异常及时采取措施解决。

5.3 支架布设与拆除

立柱下部地面需平整、坚实，立柱下需设置垫块，垫块的大小需满足分散荷载的要求；立柱应竖直，垂直度要满足要求；立柱底部应用木楔顶紧，上部与垫梁临时焊接；为增加立柱的整体性和稳定性，立柱间应布置双向水平支撑，端部立柱间设剪刀撑。托换梁施工完毕后应拆除支架，拆除的顺序为先中间后两端，保证上部荷载逐步、缓慢传递至托换梁。

5.4 浇筑混凝土

因新构件尺寸较小，为保证混凝土的浇筑质量，宜采用坍落度较大的细石混凝土；水泥宜采用普通硅酸盐水泥，有利于提高早期强度。加强混凝土振捣，提高混凝土密实度；加强混凝土养护，保证混凝土强度的顺利形成。混凝土强度达到设计强度值的100%后方可进行托换梁的架设。

5.5 墙体拆除

墙体的拆除必须在临时支撑体系全部施工完毕并楔紧后才能进行，拆墙前，应沿墙长方向每隔1m左右竖向开设一道槽，将原墙体分为若干小墙肢，减小对建筑物的震动；拆墙时应从中间向两端进行；为避免垫梁瞬间受力，应控制拆墙速度，分批次完成拆墙工作。

5.6 托换梁的架设

托换梁架设位置应准确，高程、水平度、垂直度要满足要求。安装完毕后及时与柱顶、柱侧垫板焊接，要保证梁的稳定、安全。支架拆除后及时切割垫梁多余部分，并将余下部分(垫块)与托换梁焊接，保证垫块的安全、稳固。

6 结语

墙体托换的方式有多种，各有其优缺点，应结合工程实际进行选择。对于墙体拆除数量较少、墙体的刚度损失较小、墙体质量较好的建筑物，建议采用墙下单梁托换方式；对于墙体拆除数量较多、刚度损失较大或墙体质量较差的建筑物，建议采用墙侧夹芯梁。对工期、施工环境、施工条件以及造价等有特殊要求的，应综合各种因素选择钢托换梁或钢筋混凝土托换梁。

加固改造设计中应尽量利用原有结构构件，如加固改造砖墙、砖柱、构造柱、基础等，形成组合结构，减少对原结构的损伤，节约工程成本，方便施工。

应特别重视工程设计和施工安全，上部墙体和托换结构的强度、刚度、稳定性要满足设计要求；对施工过程中使用的支架、支撑进行强度、刚度、稳定性验算，保证其满足要求；施工方案应合理、科学，细化施工方法、施工顺序，加强施工管理，保证施工质量。施工改造过程中加强对结构构件和施工设施的应力和变形监测，发现异常及时采取措施解决。

新增构件与原有墙体、构件能否形成整体共同工作，很大程度上决定加固改造方案的成败，因此，应该加强构造措施，保证新旧构件之间的连接，如：新旧混凝土结合面进行凿毛，设置连接钢筋、连接键、采用预埋件等。

[1] 周光荣.新型预应力托换技术设计[J].工业建筑, 2005(4): 24-25.

[2] 刘训良,周乾,刘跃华.多层砖混结构房屋底层大空间改造结构设计方案分析[J].工业建筑,2003(7): 71-73.

[3] 刘永健,朱阿军,郑朝方.在建筑物功能改造中几种常见的问题及解决措施[J].房材与应用,2006(2): 56-57.

[4] 苏三庆,丰定国.用夹板墙加固砖房的抗震性能[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版,1998(3): 31-33.

[5] 余琼,李思明.柱加大截面法加固框架节点试验分析[J].工业建筑,2005(4): 43-47.

[6] 范平平.外包钢加固钢筋混凝土构件的动力性能研究[D].西安:西安科技大学, 2008.

[7] 曹大富,谭启洲,葛文杰,等.混凝土-砌体组合托换梁受弯性能试验研究[J].建筑结构学报, 2014(7):145-152.

[8] 张新中,王桂英,杨宏杰.钢结构在托换技术中的应用[J].建筑结构,2007(S1):147-149.

[9] 程远兵,王三会.两种简易可行的砖墙托换梁[J].四川建筑科学研究,2005(4):44-47.

[10] 蔡一鸣.砖混结构的二次加固改造设计与施工技术[J].建筑结构,2010(S2):320-322.

[11] 杜健民.承重砖墙托换体系承载力模型研究[J].中国矿业大学学报,2010, 39(5): 642-647.

[12] 贺大勇.砖混结构改造中墙梁托换技术的新方法[J].中外建筑,2004(2): 189-190.

[13] 唐岱新.砌体结构[M].北京：高等教育出版社, 2003.

[14] 孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学[M].北京：人民教育出版社, 1979.

(责任编辑：蒋 华)

Underpinning Beam Technology Application on Reconstruction Engineering of Brick-and-Concrete Composite Structure

XIANG Jun1*, WANG Zhong2, SONG Kang-zhe3

(1 Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223001, China；2 Huai'an Construction Engineering Quality Supervision Station, Huai'an Jiangsu 223001, China;3.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210024,China)

It is usually needed to dismantle walls which is substituted by underpinning beam bearing the upside loads because of the function change of the brick-and-concrete structure building. It always needs to solve problems of underpinning beam selection and design, bearing capacities checking of the upside walls and the ring beam, and reinforcement design for the vertical load-bearing components and foundations. Based on engineering cases, some types of the underpinning beams and their advantages and disadvantages were introduced, the underpinning design idea and method for the steel beam-concrete column composite structure were analyzed, including the underpinning beam design, the reconstruction for the vertical load-bearing structure and the foundation reconstruction. Some technical issues that should be paid attention to in the construction were concluded.

brick-concrete composite structure; reinforcing reconstruction; underpinning

2015-03-25

相军(1971-)，男，江苏涟水人，讲师，硕士，主要从事结构加固改造研究;*为通讯作者。

文献标识码：A

1009-7961(2015)03-0049-05