某综合建筑物托梁拔柱设计方案比选

韩永森

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽合肥 230601）

0 引言

随着社会的发展， 越来越多的建筑物不能满足现代使用需求，因此往往需要对既有建筑进行一定的加固改造[1]。 混凝土结构的改造加固技术已日渐成熟，采用托梁拔柱技术进行结构加固也比较常见，往往只需要拆除影响新功能使用的局部梁板柱，不影响除改造范围外的其他建筑部分的正常使用。

本文对某综合建筑物在实际改造中提出的两种设计方案进行比选，通过PKPM 中的SATWE 程序对两种方案进行模拟计算，以比选出最佳加固方案，对同类工程有一定参考作用。

1 工程概况

某综合建筑总建筑面积约15.3 万m2， 其主体涵盖两层地下室、五层裙房及六个接近100m 的高层塔楼。该建筑裙房结构为多层钢筋混凝土框架结构，主体高度23.70m，裙房抗震设防类别划为乙类。 地震作用设防烈度为7 度， 基本地震加速度值为0.10g（第一组），场地类别Ⅱ类，地面粗糙度B 类。

2 改造内容

2.1 改造范围

对裙房框架结构部分进行改建， 较大改动部分如下：（1） 拆除 1—3 层 12 轴、13 轴交 D 轴、E 轴的 4 根框架柱及相应范围内的梁、板，形成约25m×25m 的大空间，具体的抽柱位置如图1 所示；（2） 设计方案应保证大厅有足够的净高， 最好大于 10m；（3）考虑到大厅要悬挂灯光、音响等设备，设计荷载按150kg/m2计算；（4） 由于四层不在租赁范围内，不能影响四层客房正常经营。

2.2 改造重点、难点

从图1 可知，将相应的柱、梁、板拆除后，有几个问题需要探讨，也是改造的重点、难点：（1） 拔除框架柱后，原结构的主方向框架梁 12 轴、13 轴与次方向框架梁 D 轴、E 轴，由 8.5m 三跨变为25.5m 单跨，框架梁跨度增大三倍；（2） 拔柱后，由被拔柱承担的竖向荷载需转移至相邻支撑柱上，相邻柱及其柱下基础能否满足要求[2]；（3） 拔柱后，在不影响建筑使用功能的情况下，框架梁是否具有加固条件，梁的加固设计应满足强度和变形的要求。

图1 抽柱位置示意图

3 结构方案对比

在改造重难点的基础上，根据工程实际情况，先后考虑了混凝土桁架方案、组合梁斜撑方案进行加固设计。

3.1 改造方案

（1） 混凝土桁架方案

利用原三层结构，做一整层混凝土桁架。 原三层底梁作为桁架下弦，三层柱作为桁架竖腹杆，增加混凝土斜撑，形成混凝土桁架， 桁架位于 D 轴和E 轴。 桁架中的斜腹杆截面为 700mm×500mm， 竖腹杆截面为 700mm×700mm， 支座竖杆为 700mm×700mm，桁架部分以下的柱截面为900mm×900mm，桁架三维模型如图2 所示。

（2） 组合梁斜撑方案

直接在转换柱下设置钢斜撑，将荷载传至边柱。 同时，为增强转换结构的整体性，提高安全余量，在斜撑间设置拉杆及系杆。 支撑部分采用 Q345B 钢材， 钢斜撑箱型截面为 400mm×700mm×30mm×30mm， 系杆箱型截面为 400mm×700mm×20mm×20mm，系杆截面为300mm×300mm×20mm×20mm， 支撑体系三维模型如图3 所示。 同时，采用加大截面法加固转换梁，在原混凝土下方增设400mm×700mm×20mm×20mm 的钢箱梁，形成共同工作的组合梁。

图2 桁架三维模型示意图

图3 支撑体系三维模型示意图

3.2 整体性能对比

利用PKPM 建立两种方案的整体模型， 分析结构的整体性能，并与未拔柱前的原始模型进行比较。 主要荷载取值情况：基本风压W0=0.35kN/m2； 地面粗糙度均为B 类； 基本雪压S=0.60kN/m2；楼地面活荷载标准值为商业 3.5kN/m2，卫生间2.5kN/m2，楼梯3.5kN/m2，电梯机房 7.0 kN/m2，上人屋面 2.0 kN/m2，不上人屋面0.5 kN/m2；新加中庭吊挂荷载为1.5 kN/m2；阻尼比为0.05。

由表1 的分析结果可知， 混凝土桁架方案对原结构影响较大：（1） 混凝土桁架方案的结构扭转和平动周期比最大，说明该方案的扭转效应大于方案二和原方案；（2） 由于三、四层之间形成了混凝土桁架，改变了X 方向的空间刚度，造成结构X 向二层最小刚度比不满足规范要求（《抗规》3.4.3 条，比值≥1）[3]，竖向刚度突变，易形成薄弱层；（3） 最小楼层受剪承载力比值不满足规范要求（《高规》3.5.3 条，比值≥0.8）[4]，且差值较大。 说明结构出现薄弱层，需对结构进行加强。

钢斜撑方案加固后各指标满足规范要求， 斜撑方案较为合理，与原结构相比，整体计算指标变化较小。 相较于原模型和方案一，最大层间位移角和最大层间位移比均有下降，说明方案二增加了足够的刚度，能避免结构产生较大的位移和扭转。

表1 整体性能分析结果比较

3.3 竖向位移对比

为保证施工期间位于四层的宾馆能够正常营运，四层底框架梁和托柱位置（四层12、13 轴交D、E 轴处）的竖向变形不应过大，同时为保证结构安全、降低施工难度，应尽量减小竖向变形。 通过SATWE 分析得出托柱位置的竖向变形数据，如表2 所示。

表2 拖柱处位移

由表2 数据可知， 方案一拖柱位置恒载+活载下最大竖向变形为6.42mm， 方案二拖柱位置恒载+活载下最大竖向变形为15.21mm。方案二中组合梁的挠度大，上部框支柱产生的竖向变形较大，易对四层宾馆的正常营运产生影响。 方案一对挠度和竖向位移的控制较好，上部框支柱不产生较大竖向变形。

3.4 抗震性能对比

为了进一步研究两种方案在大震作用下的抗震性能，对两种方案模型进行大震弹塑性时程分析。 在计算模型中，对梁、柱、斜撑等杆件均采用纤维束模型进行模拟，混凝土本构模型采用三线性模拟，钢筋本构模型采用双线性应力应变关系进行模拟[5]。 根据《建筑抗震设计规范》（GB 5011—2010）5.1.2 条所列选波条件，经过验算，最终选取 RH1TG035（人工波）、TH006TG035(天然波）、TH010TG035（天然波）三条地震波进行分析，各地震波波型如图4所示。 分析时，输入地震主分量峰值加速度为100cm/s2，次方向为85cm/s2， 不考虑竖向地震作用， 地震持续时间为30s，地震波时间间距取0.02，阻尼比取0.05。 经过动力时程分析， 两种方案在地震波作用下X、Y 向的层间位移角包络曲线和楼层剪力包络曲线如图5、图6 所示。

图4 地震波波形图

图5 楼层位移角包络图

图6 楼层剪力包络图

由图5、图6 可以看出，方案一X、Y 向最大层间位移角为1/128、1/139，方案二 X、Y 向最大层间位移角为 1/109、1/206。 虽然两种方案都满足规范规定，但方案二的Y 向层间位移角小于方案一，表明其相对于方案一有着更好的抗侧移能力，同时由图中信息可以看出，方案二由于在5 层增设了斜撑，导致位移角突变。 两种方案的X、Y 向楼层剪力均有区别， 但方案二的X 向楼层剪力明显大于方案一。

3.5 经济性对比

由表3 可知，方案一主要使用混凝土和钢筋。 方案二主要使用钢材，总用钢量超方案一较多。 根据方案模型所统计的材料用量，估算两种方案的总造价（混凝土单价取450 元/m2，钢筋单价取3500 元/t，钢材取 5000 元/t），方案一总造价约为 13.5 万元，方案二总造价约为52.5 万元，方案一经济性较高。

表3 两种方案材料用量对比

3.6 加固方案对比

通过对两种方案的整体性能、竖向位移、抗震性能、加固量及经济成本进行对比分析，可知：方案一对结构整体刚度影响较大，新旧结构连接困难，施工时对上部影响较大，加固周期较长且不满足净高要求，但方案一竖向刚度大且造价较低；方案二各项计算指标均在规范规定范围内，且抗震性能较好，中间跨满足净高要求，施工期间对上部结构影响较小，加固周期较短，但方案二与原结构连接问题较多，且斜撑底部产生水平力，须加固相关范围梁板柱。

综合上述优缺点，经过比选，最终选定方案二，即组合梁斜撑方案作为该项目的加固方案。

4 结论

（1） 采用增设钢斜撑与组合梁结合的设计思路，对某工程抽柱后形成的25.5m 大跨度进行加固，该方法施工方便、加固周期较短、对结构整体刚度影响较小。

（2） 该设计方案在实施时应注意新增构件与原构件的节点连接，设计时应考虑各种不利因素带来的连接困难问题，需采取有效措施保证节点连接的安全性和可靠性。