既有大跨度结构托柱改造的关键问题研究

马镇炎， 王锦文， 张梅松， 马月平， 王洪欣

(筑博设计股份有限公司， 深圳 518035)

0 引言

随着经济的高速发展，建筑的使用功能越来越为人们所重视，加固改造工程数量日趋增多。其中，托柱(托墙)转换加固是现有工程中一种比较常见的改造形式[1]。

常见的托柱转换多数局限在结构顶部，上部荷载较小，一般通过增大原有框架梁截面、施加预应力或设置斜撑等措施予以解决[2-3]。对于大跨度结构的托柱转换及对上部沉降严格控制的托柱转换，改造过程中大跨转换梁会产生一定的挠度，从而牵动上部结构，影响其受力和正常使用，如何控制上部结构变形和裂缝成为关键问题。本文通过具体工程对此类问题进行阐述和分析。

1 工程概况

深圳岗厦天元花园项目位于岗厦河园片区的西北角，拟改造位置如图1所示。项目地下3层，地下3层～地下1层层高分别为4.20，4.00，5.60m；地上为4层裙房及7栋超高层塔楼，其中裙房1～4层层高分别为6.55，6.00，3.70，3.75m。裙房目前已经施工完毕，因裙房原有结构柱占用规划道路，需将地上裙房底层的两排框架柱拆除，以满足车辆通行要求，拟拆除柱柱距为13.5m，在其两侧新加转换柱(柱距19.5m)托住拟拆除柱，如图2，3所示。由于工程原结构已完工，且裙房屋顶有1.2m厚覆土，屋顶局部位置有游泳池，加固改造过程中不得影响上部结构的正常使用，对改造工作提出了挑战。且在恒载+活载作用下，拟拆除柱的轴力最大达7 452kN，地下室顶板无法保证施工措施能临时托起如此大的荷载。

图1 拟改造项目位置

图2 结构加固改造示意图

图3 拟拆除柱范围示意图

2 托柱改造的关键问题

2.1 大跨托柱转换对上部结构沉降及受力的控制

由于转换梁跨度较大、上部使用荷载较重、整体刚度偏弱，拆除柱后，转换梁在上部荷载作用下易产生较大挠曲变形，从而会对上部结构安全性和正常使用造成较大影响。

为减小拟拆除柱的受荷面积，进而减小拟拆除柱在正常使用情况下的轴力，将新加的两排转换柱在转换梁之上减小截面后向上通至屋顶，并支撑在3层和屋顶的既有梁下，如图4所示。在恒载+活载作用下，考虑施工顺序的影响，拟拆除柱在3层底的轴力变化如表1所示。由表1可知，通过上述改造措施，拟拆除柱的轴力相对于原结构减小约15%～40%，有效降低了改造过程中作用在转换梁上的荷载。

图4 托柱转换剖面示意图

表1 拟拆除柱在恒载+活载作用下的轴力变化

由于转换梁跨度较大，若采用实心混凝土结构，则自重产生的挠度不可忽略，而转换梁的挠度又会引起上部结构的变形。根据计算，所需转换梁尺寸为1 300mm×2 800mm。为减轻转换梁自重，转换梁两端到拟拆除柱位置处采用实心矩形截面，跨中采用箱形截面，如图5所示，中间段采用空心截面后，转换梁的自重约降低19.0%。

图5 预应力转换梁截面

施加预应力可在不改变构件截面的前提下显著提高构件刚度，减小构件变形，广泛应用于大跨结构中。预应力箱形转换梁与新加混凝土转换柱组成转换体系共同承担上部结构荷载，由预应力来抵消转换梁在柱A(图4)处的竖向变形Δ1中恒载产生的部分。

在预应力张拉过程中，上部结构的荷载从由拟拆除柱承担逐渐转换为由预应力箱形转换梁承担，拟拆除柱所受轴力逐渐减小。当预应力施加到一定程度时，拟拆除柱的轴力为0，甚至变为受拉，此时便可切割拟拆除柱，完成结构传力体系的转变。因此预应力构件的设计和施工工艺是决定此类改造安全性和有效性的关键环节。

对新增预应力箱形转换梁进行了承载力验算。首先计算预应力作用下转换梁的轴力、次弯矩、次剪力，并将预应力筋的等效荷载作用在结构上。计算转换梁的内力，与预应力等效荷载求和，进行构件的承载力极限状态验算和正常使用极限状态验算，根据此结果配置普通钢筋。预应力箱形转换梁控制截面裂缝及承载力计算结果如表2所示。由表2可知，在预应力的作用下，裂缝得到了有效控制。

表2 预应力转换梁控制截面裂缝及承载力计算结果

为验算切割拟拆除柱所引起的屋面沉降，对该沉降的组成进行了分析。如图4所示，拟拆除柱A在改造后的柱顶沉降由三部分组成[4]：1)转换梁在拟拆除柱A处的竖向变形Δ1；2)新加柱从底板到转换梁梁端范围内的压缩变形Δ2；3)新加柱桩基础的压缩变形及桩底的地基沉降Δ3。拟拆除柱B在改造后的柱顶沉降由三部分组成：1)转换梁在拟拆除柱B处的竖向变形Δ1；2)地下室原框架柱改造引起的压缩变形增量与新加柱到转换梁梁端范围内的压缩变形之和Δ2；3)原桩基础的压缩变形增量及桩底的地基沉降增量Δ3。

为使屋顶游泳池的使用功能不受影响，分别计算了恒载、活载作用下考虑竖向构件压缩变形及基础沉降引起的拟拆除柱的柱顶沉降。设计转换梁的预应力钢筋时，考虑恒载作用下的柱顶沉降由预应力抵消，由此可得拟拆除柱柱顶及新加柱柱顶的沉降值，如表3所示。

由表3可知，由于预应力转换梁对恒载引起变形的抵消作用，大大减小了柱顶的沉降，改造完成前后柱顶最大竖向变形分别为21.57，11.87mm，改造完成后柱顶最大竖向变形仅为转换梁跨度的1/2 016，变形较小，满足安全性要求。且拟拆除柱柱顶与新加柱柱顶的差异沉降最大为2.2mm，仅为跨度的1/1 363，沉降很小。在沉降作用下对屋面楼板内力分别进行改造前、改造时未施加预应力、改造时施加预应力三种工况的分析[5]，楼板内力计算结果如图6所示，其中○位置表示分析所得楼板应力大于原设计配筋结果的位置。

表3 拟拆除柱及新加柱柱顶沉降统计

图6 改造前后屋面楼板X向弯矩/(kN·m)

从图6可以看出，改造前屋面楼板X向弯矩均处于较低水平，最大值出现在柱顶附近且分布较均匀。若转换梁不施加预应力而拆除框架柱，楼板多处会出现应力集中，楼板弯矩较大，分布不均匀，且局部位置配筋偏小，存在安全隐患。施加预应力后，楼板弯矩恢复到改造前水平。因此，改造中须控制好施工流程，在拆除原有框架柱前施加预应力，能够避免楼板出现应力集中，保证工程的正常安全使用。

2.2 柱轴力较大时卸载抽柱问题的解决

常规的抽柱改造工程，往往通过施工临时措施将拟拆除柱顶起，即采用施工措施临时承担柱的内力，然后施工转换梁，待转换梁达到一定强度后拆除柱，继而拆除施工临时措施。该施工临时措施无法承担较大的柱内力，且施工过程中由于施工临时措施引发的变形，上部结构往往会产生较大的沉降和裂缝。

屋顶覆土及泳池荷载较大，拟拆除柱在恒载+活载作用下轴力最大达到了7 452kN。地下室顶板无法给常规的施工临时支撑措施提供如此大的支持力。本项目拟采取如下施工方案：

(1)将新加的两排转换柱在转换梁之上减小截面后向上延伸至屋顶，使3,4层部分荷载转移到新加转换柱上。在加固范围内从地下室顶板至裙房屋顶采用满堂脚手架顶紧楼板，该满堂脚手架仅作为安全防护措施，不作为受力措施。

(2)在拟施工转换梁的高度范围内，将拟拆除柱一侧凿除250mm深、2 800mm高的范围，并保留柱内钢筋不切断，如图7所示。此时原框架柱剩余截面仍能承受上部结构恒载+活载产生的力，保证了施工的安全性。

在上述拟拆除柱的被凿除侧施工转换梁，待该侧转换梁混凝土强度达到C40后，在拟拆除柱的另一侧凿除250mm深、2 800mm高的范围(图7(b))，并在该范围内施工转换梁。此时拟拆除柱的剩余截面仍能承受上部结构恒载+活载产生的力。

图7 预应力转换梁截面图

(3)支模板施工预应力转换梁。绑扎转换梁钢筋并按要求放置波纹管，施加预应力。当上部结构梁板有向上反拱时停止张拉施工。张拉完成后严格做好封端工作并进行预应力孔道灌浆。

(4)当张拉控制应力在合理范围内，且上部相关范围内楼板无向下沉降或变形时，采用静力切割方式切除拟拆除柱。

通过逐侧削弱拟拆除柱，用箱形转换梁夹紧柱端，而后施加预应力使得拟拆除柱卸载的方法，保证了施工转换梁的过程中，拟拆除柱不需要通过施工临时措施来卸载，避免了常规托换工程中大量的临时支撑措施。通过施工监测的辅助措施，做到托换过程中荷载转移的准确识别，提高了托换过程中的安全性和可靠性。

2.3 坡道位置处斜撑的应用

受地下室坡道使用功能的影响，⑩轴新加转换柱无法向下延伸至地下室底板，故采用型钢混凝土人字形斜撑[6]来承担上部新加柱内力的方式进行改造，如图8所示。

斜撑底部设箱形钢拉杆抵抗斜撑的水平力，斜撑下框架柱加宽450～500mm，将斜撑的轴力传至框架柱。在恒载+活载作用下，人字形斜撑(图8)轴力(分别为4 828kN和10 601kN)均较大，会对与之相连的水平构件产生拉应力，当拉应力超混凝土抗拉强度时会造成开裂，进而影响构件的正常使用和耐久性，因此有必要对相关范围内构件的应力进行分析[7-10]。

图8 ⑩轴剖面图

采用MIDAS Gen对人字形斜撑进行应力分析，恒载+活载作用下分析结果如图9所示。由图9可以看出，恒载+活载作用下人字形斜撑引起地下1层楼面梁内拉应力约3.5MPa，大于混凝土抗拉强度设计值，人字形斜撑引起的拉应力通过设置水平钢拉杆来平衡，钢拉杆与斜撑中的型钢铰接。

图9 人字形斜撑应力分析结果/(N/mm2)

3 施工监测数据及分析

为保证施工过程的安全，获取拟拆除柱在切割过程中构件内力的变化趋势，在新增预应力箱形转换梁、新加转换柱、拟拆除柱、人字形斜撑及拉杆上安装应变片，监测柱拆除过程中构件的受力状态。

张拉过程中，在预应力的张拉控制应力逐渐增大的情况下，新加转换柱及拟拆除柱的应变如图10所示。由图10可知，随着张拉控制应力的增大，拟拆除柱的拉应变逐渐增大，新加转换柱的压应变逐渐增大，说明随着预应力的施加，拟拆除柱的轴压力逐渐减小，新加转换柱的轴压力逐渐增大，即拟拆除柱逐渐卸载，而荷载转移到了新加转换柱上。当张拉控制应力达到90%时，拟拆除柱的轴力约减小2 678.4kN，而新加转换柱的轴力约增大3 248.4kN。

图10 张拉过程中新旧柱应变变化趋势

预应力张拉完成后，对拟拆除柱进行切割时，新加转换柱及拟拆除柱的应变变化如图11所示。由图11可知，当南侧柱开始切割时，拟拆除柱拉应变增大，在切割完成后基本趋于稳定；南侧新加转换柱压应变增大，拟拆除柱的内力进一步传递到转换柱上；而南侧柱切割时，对北侧柱的应变影响较小。

图11 切割过程中柱的应变变化趋势

预应力张拉完成后，对拟拆除柱进行切割时，图8所示人字形斜撑及钢拉杆的应变变化趋势如图12所示。由图12可知，柱切割时，人字形斜撑压应变逐渐增大，拉杆的拉应变逐渐增大，这与图9模拟的计算结果的内力分布趋势基本一致。且钢拉杆应变较大，其下部的混凝土梁拉应变增加很小，说明斜撑产生的水平力基本由钢拉杆所平衡，对周围其他构件的影响较小。

图12 切割过程中斜撑周边构件应力变化趋势

4 结论

(1)通过预应力技术消除改造过程中恒载产生的沉降，可大大减小改造过程中上部结构的变形，从而将对上部结构构件的受力及使用功能的影响降到更低。

(2)利用施加预应力反拱的原理，预应力转换梁便可将拟拆除柱的内力逐渐转移到转换柱上，采用此方法对拟拆除柱进行卸载，可做到改造过程力的传递的可控，提高加固改造的安全性。

(3)通过逐渐削弱被改造柱截面与预应力相结合的改造方法，在施工转换梁的过程中及力的转移过程中，拟拆除柱不需要施工临时措施卸载，从而解决了大荷载下施工临时措施无法提供足够支撑反力的改造难题。

(4)监测数据显示，本工程改造过程中拟拆除柱内力的转移过程与分析计算结果基本一致，观测的结构变形很小，对于该工程，本文方法可靠，有效保证了结构改造的实现、施工的质量和安全。