某既有建筑拔柱改造加固设计

汪 敏

(华东建筑设计研究院有限公司，上海 200083)

1 研究需求与意义

随着现代社会人们对生活水平要求的不断提高以及国家提出城市建设立体化发展的城市化进程要求，建筑各项功能需求也越来越高，有些既有建筑已经难以满足当前的使用需求，若要直接拆除，不仅浪费资源，且其拆迁的费用也非常昂贵；还有些在城市最为繁华的重要区域有历史保护的建筑，需要进行保护。对既有建筑进行加固改造重新利用，可以充分利用现有的城市设施，节省城市配套设施，节省拆迁、建筑垃圾运输和征地费用。同时将抗震加固和改造技术结合起来，不同程度上改善了既有结构的受力条件，增强了房屋抗震能力，提升了结构的使用功能，延长建筑物使用年限，经济效果显著。

涉及到地上结构拔柱转换及功能改造的加固方面的工程，国内已有一些工程实践可以作为参考。中国建筑一局四公司和北京市建筑设计研究院的周勇，鲁军及束伟农在《施工技术》(2002年10期)上发表的《北京五洲大酒店东楼混凝土结构加固改造技术》一文中介绍了混凝土结构柱整体扩大断面法加固设计和施工技术，主要采取了预应力加固方法进行拔柱加固。初明进等人在《建筑结构》(2007年3月)上《虹口大酒店裙楼抽柱改造方案比选》一文中针对虹口大酒店裙楼框架结构抽柱改造工程，提出转换梁、空腹桁架结构和桁架结构3种改造方案。对3种方案进行了结构内力对比分析,结果表明,桁架结构方案受力比较合理;同时后加结构与原结构连接构造容易满足,便于施工。可供类似大跨度、大荷载抽柱改造工程参考。

2 项目介绍

本工程既有保留建筑有3栋，分别为原某市中医院A楼、B楼及C楼。其中A楼为七层带地下室的框架结构房屋，房屋建造于1996年左右；B楼为六层带地下室的框架结构房屋，房屋建造于2005年左右；C楼为六层带地下室的框架结构房屋，房屋建造于2000年左右。业主拟对三栋保留建筑的使用功能进行改造，由原来的医疗用房改为商业及酒店客房；其中C楼在首层及F2层根据建筑需求需要拔柱。拔柱位置见图1。

3 拔柱方案

本拟拔除的4根框架柱中，原轴力最大恒载作用下为2 530 kN，活载作用下为438 kN，基本组合最大值约为3 750 kN；原最大剪力X向地震作用下为84 kN(占楼层剪力1.8%)，Y向地震作用下为40 kN(占楼层剪力 0.9%)。由此可知该4根框架柱拔除后，对楼层抗侧刚度及承载力影响不大，可通过加大相邻框架柱截面尺寸予以加强。拔柱后需解决的主要问题是静力荷载作用下原框架柱轴力的传递路径问题。根据拔柱情况，本工程采取了转换梁方案。

一、二层的柱子拆除后，原三层楼面梁变为转换梁，其承载力不能满足要求，可采用加大截面法或采用型钢托梁对其进行加固，以将被拔柱承担的荷载传递给周边承重构件，见图2。这种方法的优点是抽柱前后的结构体系变化比较小，相关加固范围也不大。转换梁的截面经计算需1 000 mm×1 500 mm。

4 计算分析

因目前常用的结构计算软件PKPM难以模拟既有建筑拔除柱的计算过程。采用中国建筑科学研究院PKPM-SATWE的加固模块对结构托梁拔柱的各个工况进行分模型整体建模和参数的输入，并采用有限元分析软件ETABS建立一个分多工况步骤的模型。采用PKPM及ETABS分析抽柱过程对整体刚度以及结构内力重分布的影响，并将ETABS结果与SATWE结果进行对比做包络设计。

利用ETABS的施工模拟分析功能，可以任意自由指定施工顺序，可以自定义施工步的总步数以及在每一施工步中的施工内容，从而可以实现建筑物任意的建造过程而不只是局限于完全按层施工。ETABS的施工模拟分析中，可以模拟建筑结构加固改造的过程，在施工步中进行拆除构件及改变截面的操作，也可以在施工模拟分析中考虑与时间相关的属性。因此可利用ETABS进行托梁拔柱的全过程非线性分析。

本工程ETABS施工模拟工况设置如图3所示。

拔柱前两种软件拔柱位置区域构件的弯矩、剪力及轴力计算结果基本一致。

拔柱后拔柱位置区域构件的弯矩见图4，图5以及表1，表2。

表1 PKPM与ETABS拔柱后弯矩对比表(一)

表2 PKPM与ETABS拔柱后弯矩对比表(二)

由上述图表可知，转换梁支座两种软件计算结果相差不大，跨中弯矩SATWE偏大。转换梁两侧梁及上部结构的梁的支座相差较大，分析原因为PKPM模型为新建过程，不能模拟既有结构抽柱过程。而ETABS为既有结构抽柱后再分析整体结构，上部结构整体刚度已形成，故抽柱位置的上部结构相比SATWE变形较小。加固设计时需对ETABS计算结果进行复核。

经对比拔柱相关位置构件的剪力两种软件计算的结果与弯矩基本趋势一致。拔柱转换周边柱轴力差值相差不大。

综上所述，抽柱前后两种软件的各项计算结果大部分相差较小，因此在加固设计中可以SATWE的结果为主，同时根据ETABS结果进行包络设计。

5 托梁拔柱施工顺序

托梁拔柱方案的设计与新建结构不同，不仅是对于拔柱改造后结构的承载力验算，更包括了整个施工过程中结构整体性验算、支撑系统验算等。在托梁拔柱的工程实施中，合理的安排施工顺序是其中的重点和难点。

拔柱之前，该处上部结构的荷载仍通过待拔柱向下传递，因此首先需要对待拔柱进行卸载；拔柱进行之中，力的传递路径开始发生变化，相关构件受力状态也随之改变，因此需要进行变形监测；拔柱之后，上部结构荷载通过转换梁传递至两侧框架柱，再通过地下室结构传递给基础，因此转换梁柱的加固及地下室结构的逆作施工应该提前完成，以避免结构因荷载多次转换及动态扰动而造成安全隐患。

具体施工顺序:

1)设置抽柱用的顶柱支托，并放置千斤顶；布置转换梁挠度观测点、接通转换梁内预埋的钢筋应变—应力计(如图6所示)。

2)切断柱根部，观测转换梁及周边构件变形是否异常。在可控挠度变形速率的前提下卸载千斤顶荷载。当完全卸载千斤顶后，托换梁的挠度必须在设计控制值以内。抽柱从施工割除段开始至千斤顶卸载结束，必须全过程动态监测整体结构变形、转换梁跨中竖向挠度、转换梁内钢筋的应力—应变。千斤顶卸载过程中转换梁内钢筋的应力—应变换算成梁的弯矩和挠度合规范的要求。

上述施工顺序遵循先加固后拆除的原则，可保证上部结构的荷载能够得到有效传递，同时在抽柱施工过程中要做好实时监测工作以保证结构及施工安全。

6 托梁拔柱的相关加固

按照上述方案拔柱之后，结构柱距由7.6 m变为15.2 m，原三层楼面梁即两侧框架柱的受力情况发生较大变化，构件内力显著增加，原承载力不能满足要求。本工程转换梁、柱均采用加大截面法进行加固。

1)转换柱加固设计。

拔柱两侧的原框架柱成为转换柱，采取增大截面的加固方式。根据柱的轴压比限制以及柱和梁截面加大的构造要求，原柱需加大至1 000 mm×1 000 mm，能满足结构安全性和适用性要求。

采用四面围套加固转换柱，新增纵筋尽量避开原有结构梁，向下锚入新作地下室结构，三层楼面设置钢板，纵筋与钢板焊接锚固。周边新增箍筋在柱内闭合以提高其约束能力(见图7)。

2)转换梁加固设计。

既有建筑结构拔柱后,最大原跨度7.6 m×6.8 m柱网增大到15.2 m×6.8 m，使整个框架结构产生内力重分布，原跨度7.6 m的框架梁延伸为15.2 m的框架梁，该框架梁上还托三层楼盖结构的负荷，由材料力学可知：矩形截面受弯构件平面内的计算长度增大一倍，其刚度变形的挠度会增大原挠度的8倍，况且受弯构件的裂缝和挠度存在线性关系，为此梁的截面需要加大，按常规梁的高度取跨度的1/8～1/12，梁的高度约1.3 m～1.9 m，根据梁截面加大的构造要求，原梁两侧需加宽250 mm，因该托梁上负荷三层楼盖结构的荷载，经计算托梁的截面高度需要1.5 m才能满足结构安全性和适用性要求。

因原有框架柱的存在，新增转换梁纵筋较难贯通，因此尽量将纵筋布置在两侧，少量纵筋在已有柱内植穿。为提高转换梁在集中力作用下的抗裂能力，弥补转换梁在已有框架柱的位置无法设置加密箍筋的不足，设计中在拔柱处的梁内增设水平箍筋和构造纵筋形成暗柱，暗柱以外设置梁加密箍筋，同时设置弯起钢筋，共同抵抗该处剪力，提高转换梁的局部承载力(见图8)。

7 结语

本工程主要介绍了既有建筑在改造中遇到的托梁拔柱关键技术问题。采用了两种软件PKPM和ETABS进行分析抽柱过程对整体刚度以及结构内力重分布的影响，并将ETABS结果与SATWE结果进行对比做包络设计。并阐述了整个托梁拔柱的施工过程合理安排施工顺序的重要性。

目前改造建筑中因其他各种需求对既有建筑拔柱的需求越来越多，这里介绍的加大截面法及相关节点设计可供同类工程借鉴。