某预应力抽柱改造项目中的托梁拔柱施工技术
时间：2023-03-01 16:50:06 来源：千叶帆 本文已影响人
车英明 熊泉祥
西安建筑科大工程技术有限公司 陕西 西安 710000
随着城市的发展日趋成熟与饱和，如何在已有的限制条件下为旧建筑注入新的生命力，完成旧建筑的重生成为近几年关注的热点问题。因此，业主往往要求对其所使用的旧建筑进行适当的改造，如常常希望能抽除某些楼层的柱，以扩大使用空间。本文从某项目的工程实践的角度出发，介绍了采用预应力与增大截面相结合的方式解决旧建筑抽柱加固改造的方法[1]，力求为同类项目提供参考。
某商场原结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，始建于2010年，抗震设防烈度为8度(0.20g)，设防类别为丙类，柱距以8.2m为主。根据新业主需求，现有建筑格局及使用功能与原设计有所不同，需对原结构按现有建筑使用功能进行改造加固设计[2]。
结构改造主要涉及两种类型，如图所示：
局部抽柱[3]，原结构梁跨度由8.2m变成16.4m；
局部楼盖开扶梯洞口，原结构梁由跨度为8.2m的框架梁变成4～6m的悬挑梁。
图2 抽柱类型2
抽柱后与该柱柱顶相连的梁的跨度成倍增加，同时结构的外荷载作用效应也会随之发生较大的变化。如图3所示抽去柱Z0前，该柱两侧的梁截面承受较大的负弯矩ML和MR，抽柱后，却承受较大的正弯矩M0。抽柱前后，结构的外荷载传递路径发生改变，导致原来梁的配筋形式不再适用。
图3 抽柱之前
图4 抽柱之后
卸除框架梁的上部荷载，在待拆除框架柱上使用水钻定位排孔，切割洞口，洞口大小根据梁截面大小确定，对洞口上部及底部进行找平，保证支撑稳定性。具体步骤如下：
临时支撑措施：在开洞位置下部铺设10mm钢板，然后安装千斤顶及支撑型钢；
顶升千斤顶，监测受力情况，当受力情况满足支撑要求时，切割两侧剩余砼。
增大截面：千斤顶顶升卸荷完成，保持千斤顶恒压，切割两侧混凝土柱；
绑扎增大截面梁钢筋，布置预应力波纹管。然后进行支模灌注灌浆料。待灌浆料达到强度后张拉预应力筋。
加固完成后卸载：采用分级卸载，分级数不少于五级，通过变形监测控制每级卸载值，同时观察相关构件和节点的位移变化，为后续卸载提供判断依据。
抽柱切割：当灌浆料达到设计强度及预应力张拉完成后，撤掉支撑，完成本层混凝土柱的切割。
本工程在实施过程中存在诸多不确定性因素，可能造成具体实施过程无法正常进行，需对不确定因素进行合理分析并制定相应紧急预案，确保在结构安全的前提下完成抽柱拆除工作。
千斤顶顶升监测：支撑前缓慢加载，实时监测千斤顶处结构受力，当顶升力值达到预定值时停止顶升，保持恒压稳定，满足卸载要求再进行施工。应急预案：如有恒压不稳定时及时替换千斤顶，重新观测千斤顶受力情况，直到千斤顶达到卸载要求。
拆柱监测：支撑完毕后，拆除柱两侧混凝土，根据水钻开孔顺序实时监测结构梁变形及位移情况，发现位移变化异常（偏离计算值）时立即停止开孔或切割。应急预案：如开孔时位移偏离计算值，停止开孔或切割，顶升千斤顶或增加临时支撑。
加固完成后卸载过程中出现应力、应变等突变情况：本工程加固完成后，通过分级卸载的方式控制卸载过程中结构的形态和变形，且混凝土构件在卸载作用过程中出现内力重分布。应急预案：缓慢分级卸载，第一级卸载值较小，出现突发情况时立即停止卸载，及时通报监理和设计，以确定下一步卸载方案。
竖向位移监测点，应在相应位置改造施工开始前一天进行初始数据测量，此后应每12小时进行一次竖向位移监测，持续至相应位置施工结束后14天为止，施工过程中根据施工工法可适当加密监测频率，监测点位置可根据施工情况进行轻微调整。
应变监测点，应在相应位置改造施工开始前一天进行初始数据测量，在预应力张拉过程中应持续进行监测，监测频率不小于5分钟每次，张拉结束后应每1h进行一次应力监测，持续至相应位置施工结束后5天为止，应变监测点布置在该梁端支座截面处。
支撑方案受力模拟采用有限元计算软件YJK 进行分析模拟。模拟分析抽柱支撑中二种受力情况：混凝土柱剩余部分支撑时的受力情况；
支撑千斤顶的型钢梁受力分析。
6.1 剩余部分短墙受力分析
恒荷载：按实际梁、板尺寸计算，考虑面层；
活荷载：按1kN/m2施工荷载考虑；
组合系数：恒、活系数均为1.0。
原混凝土柱中剔除矩形洞，竖向荷载由混凝土柱剩余部分承担，荷载按不利情况考虑，取2跨×2跨模拟，中柱抽洞后采用两段250×800mm2墙单元模拟，其余构件截面同原设计，杆件配筋计算结果见图5，抽柱位置处竖向变形见图6。
图5 梁柱计算配筋简图
图6 抽柱位置竖向变形放大图
可见在施工荷载组合下，计算配筋远小于现有梁柱配筋，抽柱位置竖向位移0.08mm，变形在控制内。
施工荷载组合下，抽柱位置两段250×800mm2短墙X弯矩为0kN·m，Y向弯矩为4.2kN·m，见图7、图8。
图7 短墙X向弯矩图
图8 短墙Y向弯矩图
X方向弯矩为0，无需考虑；
Y向弯矩计算时，不考虑钢筋的有利作用，按素混凝土计算。按《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）中，式（D.3.1-2）:
抗弯承载力为14.33kN，远大于所承受荷载4.2kN。
综上所述，可以认为柱中开孔方案，不存在结构安全问题。
6.2 支撑千斤顶的型钢梁受力分析
千斤顶按200×200mm2方柱考虑，钢梁悬挑长度按450mm（从柱中心算起），型钢截面为H500×270×16×25（Q345B），型钢梁末端施加点荷载250kN。型钢最大应力比0.16（受弯），0.14（稳定），0.27（受剪），均小于0.3（图9），型钢梁末端最大位移为0.78mm，对应悬挑长度450mm的挠度值为1/577，变形较小（图10），因此抽柱施工过程可控。
图1 抽柱类型1
图9 型钢梁应力比
图10 型钢梁端部竖向变形
详细施工过程不再赘述，监测结果显示，柱拆除后，梁跨中位置竖向位移小于1mm，与理论计算吻合较好。施工过程照片见图11～图12。
图11 增大截面及预应力张拉完成
图12 上层柱拔除
加固改造工程有别于新建工程， 应兼顾结构安全可靠性、施工便利性，充分考虑施工可行性和施工过程中的主体结构安全。确定适合该工程的加固改造方案，并基于选定的加固改造方案给出合理而详尽的施工步骤。
该工程从设计、施工到投入使用已近三年，实际建筑使用效果良好。该工程设计、施工中取得的经验可供其他类似工程参考。
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