大跨度连续托梁换柱施工技术

沈荣飞 郑 伟

1. 苏州工业园区金鸡湖城市发展有限公司 江苏 苏州 215000；2. 苏州中固建筑科技股份有限公司 江苏 苏州 215001

1 工程概况

苏州中心广场项目位于苏州工业园区湖西CBD核心区域（图1），项目总占地面积约15.4 hm2，规划地上总面积约1 300 000 m2，地下总建筑面积约500 000 m2，共分为外圈H、D、E街区和内圈A、B、C街区。

图1 苏州中心现场

本次苏州中心广场苹果公司店铺（下称“苹果店”）改造工作涉及到的区域位于已建结构的B区，本项目的基本改造内容是：梁、柱加固，抽柱，楼面开洞形成中庭等改造。在苹果店范围内拔除Z5、Z8两根柱（S03轴线位置/SE1、SD1），抽柱剖面见图2，柱位如图3所示。柱位图在L2楼层相关区域开洞形成中庭，同时考虑后期L2层此处中庭楼板的恢复设计。

图2 拔除柱剖面示意

图3 托换梁平面示意

2 大跨度多层整体抽柱改造加固方案的选择

本次托梁抽柱施工共提出了3种技术，方案1为预应力托换技术，方案2为梁柱增大截面及梁柱节点加固技术，方案3为原结构增加钢桁架形成组合受力结构。

预应力托换技术是目前一种新兴的施工技术[1-4]，考虑到苏州中心苹果店作为综合商业体，其加固设计年限要求高，预应力技术考虑后期的预应力损失和失效问题可能会缩短使用年限，因此该方案仅可用作比较方案；原结构增加钢桁架形成组合受力方案存在二次受力问题，其加固传力体系目前计算理论尚无明确的标准规范，因此，该方案也只能作为备选方案；增大截面技术主要为：在梁4个方向增设钢结构围套，2个方向主梁均采用增大截面加固法加固。原主梁四周再布置抗剪焊钉剪力键，增加新老混凝土结构的连接，保证新老混凝土的共同受力，该方案技术成熟可靠，加固效果明显。

综合上述分析，以增大截面施工技术作为多层整体抽柱改造的最终推荐方案。

3 大跨度连续托梁换柱施工实施方案

3.1 大跨度连续托梁换柱抽柱前结构加固

在加固结构的强度和力学性能不满足设计指标要求时，不得强行抽柱。对于设计要求先加固后拆除的，必须按照设计要求进行加固；先拆除板，再拆除次梁，最后拆除主梁；对于拆除后保留结构需要临时支撑的，必须采取临时支撑措施。

本工程加固的重点和难点是梁柱节点位置，现场实施方案：在梁4个方向增设钢结构围套，并采用连接钢板将围套焊接成整体，以保证原梁在节点位置4个方向上力的传递，增加传力路线，增大梁端的截面刚度。梁柱节点位置采取围套施工加强（图4）。

图4 围套施工

3.2 大跨度连续托梁换柱抽柱结构托换支撑系统

苏州中心改造施工期间，室内无大型吊装设备，格构柱的拆除层间运输困难，为此，创新性地提出了工具式格式柱的设计思想。可拆卸式格构柱标准节自重在2 000～3 000 N范围，长度0.6～1.0 m，在大型塔吊和吊装设备不具备施工作业条件的情况下，可以采用施工电梯、卷扬机吊装即可，能适应复杂的施工边界条件。可拆卸式格构柱材料采用M20高强螺栓连接，可以按照建筑标高做成标准节和调高节段，方便组装和拆除。格构柱顶部和底部均采用厚度2 cm、高度20 cm的Q235钢板做成加劲肋，防止在托换荷载的作用下局部应力集中而出现变形。设计时兼顾考虑了下一层梁体的抗剪验算，对下一层梁体的附加荷载最小。底部采用化学锚栓和原梁连接为整体，可以防止平面内的失稳倾覆（图5）。

图5 可拆卸式托梁换柱支撑总体布置

3.3 大跨度连续托梁换柱抽柱结构切割

切割采用最新的无损切割中的链式切割技术。

室内大型施工设备受限制的吊装方法：考虑到结构内部大型吊装设备无法作业，吊装能力有限，故必须对置换下来的节段进行精细化分解，综合考虑吊装能力，最终确定切割节段的长度，分块质量应根据吊装能力以1.0～1.5 t较佳。选取在切割柱体总高两端1/3处采用钻孔机各钻出吊装孔，孔径25～30 mm为佳。被拆除的构件应避免因集中堆放造成楼板应力集中而影响结构安全。

3.4 大跨度连续托梁换柱抽柱结构监测

由于是在既有结构上进行局部改造加固，致结构体系发生了一定改变，使得整个总体结构体系发生内力重分布，对邻近原有结构产生一定影响。所以在整个改造加固过程中，需要对改造加固区域和原有建筑区域进行应力应变和变形监测。

监测内容：

1）加固改造施工前的加固区域内及相邻周边梁、柱应力应变测点的布置，构件初始值读取。

2）加固改造施工过程中，加固区域内及相邻周边梁、柱的应力应变值定期采集和构件的外观和裂缝检查，梁挠度的定期监测。

3）截柱前后，加固区域内及相邻周边梁、柱的应力应变值实时采集和构件的外观变形和裂缝检查检测，梁挠度的实时监测。

4）加固施工完成后，加固区域内及相邻周边梁、柱的应力应变值定期采集和构件的外观和裂缝检查，梁挠度的定期监测。

挠度释放采用PLC控制液压同步系统由液压系统实施。所述PLC控制液压同步系统由液压系统（油泵、油缸等）、检测传感器、计算机控制系统等几个部分组成，可以全自动完成同步移位，实现力和位移控制、操作闭锁、过程显示、故障报警等多种功能。

挠度分为N级释放，每级释放挠度的20%为佳。

现场监测数据表明：抽柱瞬间结构的挠度变化远小于设计预警值，挠度发生时，内力重分布在瞬间发生，表明梁柱及梁柱节点区域加固设计施工具备足够的安全系数。体系在瞬间转化，梁的挠度释放后荷载安全传递到两侧的梁柱节点。

4 大跨径整体多层连续抽柱数值分析

在施工前，我们即对格构柱的支撑传力模式进行了建模分析，同时考虑了加固梁失效和不失效两种状态，其中加固梁失效为更不利的受力状态，建模时将2层悬臂梁和格构柱断开，格构柱和梁的抗剪验算均满足要求（图6～图8）。

图6 支撑轴力计算

图7 位移计算

图8 柱轴力分布和变形

计算表明，抽柱Z5后S02-S04/SE1梁的弯矩发生了重分布，且峰值较大，主要是该梁承受了了x、y双向荷载的影响，这与实际加固是一致的，其中，梁的支撑系统的设计和安全控制是抽柱的关键。

采用通用有限元软件对B梁进行局部应力分析，结构梁局部应力偏大，因此在拆除2层柱时，支撑设置在2、1、B1、B2层。其间，着重对B1顶板梁新浇筑叠合梁进行截面抗剪复核：主节点富余剪力400 kN，截面700 mm×400 mm；次节点富余剪力340 kN，截面700 mm×350 mm，最大轴力传递到B1梁的剪力为284.5 kN，实际荷载存在不均匀分布。按偏保守考虑，认为一个格构柱传递569 kN剪力，则梁的富余剪力已经不满足，因此需要支撑到B2层（下部有剪力墙结构，可以满足传力要求）。

5 结语

1）提出了狭小空间支撑系统的设计和安装技术，提出了一种可拆卸式化整为零的工具式格构柱支撑。

2）托梁换柱体系转换复杂，我们针对梁柱节点加固提出了围套加固方案：梁4个方向增设钢结构围套，并采用连接钢板将围套焊接成整体，保证原梁在节点位置4个方向上力的传递，增加传力路线，增大了梁端的截面刚度。

3）复杂空间结构施工阶段的体系转换模拟分析：采用有限元软件模拟了支撑结构底部抗剪梁的力学效应，分析了小剪跨比梁的挠度应力，保证了支撑的承载力要求，同时对格构柱的支撑传力模式进行了建模分析，同时考虑了加固梁失效和不失效两种状态，其中加固梁失效为更不利的受力状态，保证了结构在最不利情况下的失效概率和结构的承载力最优化。我们认为：为了节省工期和节省材料，可以间隔布置支撑，即根据有限元数值模拟计算，支撑不必一次性设置到地下室底板。考虑到材料的循环利用和周转，本次工程提出了用连续3层的3道梁来承担1层柱切断瞬间释放的荷载。抽柱施工期间支撑结构和支撑梁的应力挠度均满足规范要求；挠度释放采用PLC同步顶升系统控制、分级释放技术，偏于安全。

4）从支撑体系创新、监测体系创新、加固体系创新和结构传力体系创新等多方面提出了可靠的、通用性强的、经济环保的施工技术。

本工程的成功应用可为同类工程提供参考借鉴。