昌河飞机集团吕蒙厂区办公楼托梁抽柱设计与施工

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摘要：抽柱改造相对而言，无论是设计还是施工都有一定的难度，文章对昌河飞机集团吕蒙厂区办公楼抽柱改造工程的设计与施工进行了总结，并就设计中的抽柱方案比较与选择、节点处理、抗震及施工等必须注意的事项进行了阐述，以供同类项目参考。

关键词：昌河飞机集团；托粱抽柱设计；抽柱改造工程；托粱加固设计

中图分类号：TU746　文献标识码：A　文章编号：009-2374(2011)01-0128-03

1　工程概况

昌河飞机集团吕蒙厂区办公楼为二层现浇砼框架结构形式的建筑物。柱网尺寸：开问6.0米，跨度(8.0十3.0十8.0)米，层高4.2米，平面尺寸与梁柱截面见二层结构平面图。基础为柱下独基，地基承载力特征值为180kN／m2住宅。砼强度设计等级C25，地震烈度6度(O.05g)，场地土类别II类，框架抗震等级四级。2007年8月该工程主体结束进入装饰阶段，建设单位要求将二层①至③轴间功能由办公室改为大空间会议室，拟将②轴上中间过道处两根框架柱抽除。

2　托梁抽柱方案的比较与选择

2.1　平面结构布置的比较与选择

原结构为纵横向框架结构体系。抽柱后，由原柱承担的屋面荷载可以转移至②轴横向框架，亦可转移至OC轴、OD轴纵向框架。

横向托梁抽柱方案，只要处理②轴的三根框架梁与两根框架柱。纵向托梁抽柱方寨，则要处理OC轴、OD轴两品框架，其中四根框架梁、四根框架柱，工作量较横向托梁抽柱增加很多。然而，从结构受力的合理性、安全可靠、使用功能等方面考虑，纵向托梁抽柱方案明显优于横向托梁抽柱方案，理由有：

2.1.1　从结构受力合理性分析抽柱后，横向框架跨度变为19.0米，纵向框架跨度变为12.0米，显然应将短跨度方向OC轴、OD轴的纵向梁加固改造成主梁，承担原柱的集中荷载。

2.1.2从　使用功能方面考虑抽柱后，横向框架跨度为19.0米，纵向框架跨度为12.0米。加固改造后的粱截面高度尺寸相差很大。纵向托粱抽柱后梁底净空高度尺寸更大，会议室使用功能效果更好。

2.1.3　从安全可靠角度分析横向托梁抽柱后，由原来两根柱承担的荷载将由②轴一根梁与两根柱承担，纵向托梁抽柱后，则原来的荷载将由0 c轴、0 D轴的两根梁、四根柱分担。被加固改造梁荷载增加量小，承载能力补强提高幅度小，无论是梁柱还是基础，易于加固处理，安全可靠度高。

2.2　托粱加固改造方案的比较与选择

本工程改造的关键是托梁加固处理。托梁加固改造可以有下面六种方法：(1)在原梁底增加一定高度的迭合梁加固原梁；(2)在原梁顶增加一定高度的迭合梁加固原梁：(3)在屋面上加一新做的钢筋砼梁，采用悬吊的方式将由原柱承担的荷载转移至新加的钢筋砼梁；(4)在屋面上加一新做钢梁，原理硷③；(5)利用原梁采用三面砼围套的方式加固原梁：(6)三面围套加大截面，内配预应力筋加固。

结合试算结果分析，方法1、2需将原梁b×h=250x600mm的基础上再迭合550mm，梁的高宽比h/b=1150／250=4.6>4，已不满足《砼结构设计规范》(GB50010-2002)第11.3.5的要求。向下迭加550mm，梁下净高减少很多，于使用不利。梁上迭加550mm，影响屋面排水处理。方法3、4采用屋面反梁悬挂，一方面影响屋面排水，另一方面结构受力于抗震不利，无法满足抗震要求。同时，无论是悬挂节点还是梁柱节点的处理很复杂、且效果差。方法5采用三面围套加大截面。试算结果b×h=550 x 950mm尺寸能满足规范要求，梁下高度增加不是太多，对净空高度影响不大，梁柱接头抗震效果好，加固梁与原框架梁(改造后的次梁)的主次梁接头都易于处理，安全可靠。在板面间隔开凿洞口作为梁砼-注入口，砼浇注操作方便，施工质量易于得到保证。方法6是在方法5的基础上，用高强钢绞线取代―部分普通钢筋，并进行张拉。该种方法可以进一步降低梁截面高度，张拉反拱可适当抵消一部分粱体变形，提高托梁抗裂能力，减少普通钢筋根数，便于施工，有利于梁柱接头钢筋锚固。然而，由于该工程地处山区预应力施工不便，外墙幕墙装饰也不允许端头锚固块凸出，因而只得放弃此方案。

经过上述分析比较，本工程梁加固改造方案最终选择三面围套加大截面的方法(方法5)进行。

3　托梁抽柱改造设计

根据上述确定的结构改造方案，结构计算简图及运用PKPM软件分别进行计算得到内力图，如图2、3所示。通过计算发现，原结构0 C轴、0 D轴屋面梁、①×oc、③×oc、①×oD、③×oD轴柱及其基础等构件均不能满足改造后的结构安全要求，需要进行结构补强加固。

因此，本改造工程设计将从基础加固、框架柱加固、托梁加、梁柱节点等四个方面展开。

3.1　基础加固设计

原框架柱基础为柱下独立基础，置于天然地基上。抽柱后原柱承担的荷载转移至两边柱及其下基础。计算结果是两边柱基础需要增加底面积1.2m2，原基础底板厚度与配筋均满足新基础的要求。沿框架梁方向，将原基础两面对称加大基础宽度，确保净增基础底面积不少于1.2m2。新增基础底板钢筋采用植筋方式自原基础底板植出。基础底板钢筋的植入深度必须满足《砼结构加固设计规范)(GB50367-2006)的规定，经计算确定为30d。

抽柱后，柱下基础反力会重新调整，为了减小抽柱后可能出现的基础不均匀沉降现象，又在①至③轴间的oc、oD轴上各增设了一根刚度较大的基础梁，力图通过这一构造措施将原来的三个独立基础连接在一起，加强三者之间的联系。

3.2　柱加固设计

柱加固采用增大截面法。加大截面法，一方面能大幅度提高柱承载能力，另一方面，在柱内侧加大截面还可以增加托粱纵向钢筋的锚固长度，增强梁柱端节点的抗震变形能力。原柱截面尺寸为450x600，砼为C25。根据现场实际情况，加固柱只能在柱内侧加大截面宽度。运用PKPM电算，计算时砼设计等级取与原设计相同的C25(实际施工时选用C30，提高一个等级1。通过计算，只要柱内侧宽度增加200mm时即可满足承载力要求。

为了进一步加强加固柱新旧砼之问的结合能力，提高加固柱的斜截面承载能力和延性，保证抗震性能。在原柱的新旧砼接触面上加植φ16剪力栓，砼强度等级较原设计提高一级。新加砼达到设计强度后再沿柱高间隔粘贴一层碳纤维布横向箍条

3.3　托梁加固设计

托梁是本工程的最重要的部位，托梁设计不仅要充分考虑结构的承载能力要求，也要结合现场实际情况充分考虑施工的可行性和施工质量的保证。

托梁采用三面围套加大的截面进行加固。运用PKPM电算时，砼设计强度等级按原设计C25考虑(实 际施工时按C30选用)。设计计算时在充分满足其正截面和斜截面承载能力要求的同时，重点控制其裂缝宽度及挠度变形值，并尽可能在满足规范要求的基础上提高控制标准。本工程确定最大裂缝控制在0.20mm以内，最大挠度控制在26mm(1／400)以内。梁截面及配筋如图3所示：

梁内纵向钢筋较多，为了更好地解决这个问题，最终确定将梁的宽度在满足设计计算的同时继续加宽，与柱同宽(b=600，在原梁截面每边加大175mm)。这样，既方便了梁纵向钢筋的布筋与植筋，也方便了梁砼的浇筑，保证硷的施工质量，同时还增强了梁的刚度。

梁支座负筋如果在原板面植筋，由于原梁板上部钢筋已很多，植筋相当困难。为了解决这个难题，利用屋面保温层厚度将托梁截面高度向板面上加高150mm，梁上部钢筋弯折后植入加固柱中。由于粱加高部分在屋面上，这样既不影响结构的使用功能，又方便了施工，同时也增强了托梁的承载能力。托梁斜截面设计时，箍筋采用四面围套式封闭箍筋。在原梁形成独立的封闭的四肢箍，同时在原梁下加植U型箍筋，在原梁的两侧及底面、顶面加植剪力栓加强托梁新旧砼的结合能力。

3.4　托梁换柱节点设计

3.4.1　托粱两端粱柱接头处理为了使托梁新增砼与原框架柱既有砼很好地结合，在原框架柱上托梁范围内加植φ20的剪力栓。原砼在新旧砼接触范围内表面进行凿毛处理，凹凸度不少于5mm。

3.4.2　被托换柱处节点处理被抽柱在托梁高度范围内将成为梁的一部分，其上部的荷载将形成很大的集中力传至托梁上，托梁在此处的内力将很大。处理此处的方法是：(1)增加鸭筋2中22，柱每侧附加箍筋3中8@50，(2)待托梁达到设计强度，被抽柱截断后，在被截断柱两侧2米范围内的托梁底面粘贴钢板条，托梁侧面粘贴u型钢板条箍。因为被抽柱在断柱后有较大的应力释放，引起节点较大的应变能释放，所以断柱后在该节点处必须加强托梁的刚度，加强托梁的正截面、斜截面承载能力及抵抗变形的能力。

4　托梁抽柱施工

托梁换柱施工前必须制定科学合理、详细可行的施工方案。

本工程施工时严格按照下列施工顺序组织施工：基础加固柱加大截面临时支撑加固范围内原梁板砼凿除托梁施工养护柱表面碳纤维布的粘贴截柱托梁钢板粘贴加固临时支撑拆除。

施工注意事项：

(1)施工过程中，必须加设临时支撑对结构进行临时加固和卸载。避免出现因砼凿除、截柱、内力转换等引起的结构可能发生的短暂的不安全因素，确保施工质量。支撑系统应进行必要的计算与设计。本工程临时支撑布置如图5所示。

(2)重视新旧砼接触面的施工。保证新旧砼能可靠、有效地共同工作。一方面严格按设计要求，做好剪力栓的种植，不能认为可有可无，随意施工。另一方面要对接触部位原砼表面进行凿毛和清理。凿毛后砼表面凹凸度不少于5mm，表面松动的石子、石屑必须清理干净。此外，浇筑前应提前浇水湿润，涂刷能够增强新旧砼结合力的界面剂。砼强度等级按照规范与设计要求较原砼强度等级提高一级。二层柱与托梁砼最好是梁柱砼一起浇捣完成，这样粱柱接头整体性最好。

(3)筋绑扎过程中应认真处理好：原梁柱内钢筋的切割与保留，加固梁柱新增钢筋的搭接与锚固，遇及原有砼梁时的钢筋穿越、钢筋排放既满足受力需要又便于砼浇注振捣等方面的问题，必要时与设计人员进行现场设计与调整。托梁钢筋植筋及绑扎是托梁施工中的重点及难点一是梁内钢筋较多，二是节点处理复杂。首先，在钢筋断料长度上必须结合梁的受力特点，将其搭接部位控制在受力合理部位。其次，在被托换柱节点处，由于被托换柱截面较大且钢筋较多，新加托梁钢筋要全部穿过被托换柱难度很大。这个难题可以这样解决，通过验算被托换柱芯截面(250×450)在支撑系统卸除部分屋面荷载后能够承受剩余的荷载，这样就可以将被托换柱芯以外在托梁范围的砼凿除，柱钢筋保留。这样做，使得大部分钢筋可以直接穿过被托换柱，施工方便多了，同时节点处被置换掉的砼也较多。

(4)加强施工过程中梁柱变形监测监控。监控数据结果一方面是对设计效果的检验，另一方面也是指导施工必不可少的数字依据。本工程在实际施工过程中重点对截柱前后的变形进行了监控。

本工程自2007年9月抽柱施工结束至今，已投入使用大半年，结构稳定、使用正常。

5　结语

随着经济的发展，既有建筑改造项目越来越多。抽柱改造相对而言，无论是设计还是施工都有一定的难度，如不慎则有可能给原有建筑带来安全隐患，甚至在施工过程中就出现重大安全质量问题。因此，必须给以高度重视，通过本工程的改造，笔者有下面几点体会：

(1)　抽柱改造必须对整体结构进行验算，必须确保改造后所有构件(基础、梁、板、柱等)与整体结构均处于安全使用状态。

(2)　抽柱方案的选择、设计必须结合工程的具体情况，综合安全、经济、施工便利可行、质量易于保证等各方面因素择优而定。

(3)　加固改造不能削弱原有结构的抗震性能。

(4)　抽柱改造必须重视节点设计及其构造处理。任何微小失误或细部处理不当都有可能导致质量问题，甚至带来不可估量的损失。

(5)　施工顺序、操作程序、施工质量对抽柱后结构安全影口自极大，甚至影响整个项目能否顺利实施。施工过程中必须加设必要的临时支撑，必须进行必要的监测、监控指导施工。

参考文献

[1]砼结构加固设计规范(GB50367-2006)[S]

[2]建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S].