多种抽柱托换方式的模拟与对比

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摘要： 简要介绍了框架结构抽柱工程中常用的几种托换方法，并通过规则的框架结构模型对托换后被抽柱区域框架梁的受力情况进行了模拟和对比。

关键词： 抽柱；托换；预应力托梁；腹板柱

Simulation and comparison on different underpinnings

HOU Sen,LI An-qi

（Shandong Jianzhu University, Jinan 250101,China）

Abstract: This paper proposes several methods of underpinnings after removing the column of frame structure, then imitates and contrasts the bending moment of the beams in the area of the removed column.

Key words: removing the column, underpinning, prestressed concrete joist, bending bars

中图分类号： TU323.5文献标识码： A 文章编号：

1 前言

近二十几年来，世界各国都逐渐把建设的重点转移到旧建筑物的维修、改造和加固方面。另外，维修改造与新建相比具有突出的经济和社会效益。利用托换结构对既有建筑进行扩跨改造，不需拆除或只对少量根据功能要求必须拆除的部位进行拆除，拆除工作量小，工期短；减少建筑垃圾，节约了堆放建筑垃圾的土地；同时又可以减少拆除过程中产生的粉尘、噪声污染。目前，框架结构的抽柱托换常采用的形式比较多样，而且每种托换方法都有各自的优缺点。有必要对这些常用的抽柱托换方法进行分析与对比，研究各个方法适用的情况，为以后的工程应用提供借鉴与指导。

2 抽柱托换的几种形式

2.1 混凝土梁加大截面法

顾名思义，即增大混凝土结构或构筑物的截面面积和配筋，提高构件的承载力和刚度，对原构件进行加固。这种技术可以增加托梁的刚度和抗裂性，提高了托梁的抗弯、抗压和抗剪能力；且传力途径明确。但是此种方法通常需要加大梁截面，影响室内的净高；新增钢筋需要植入原梁和柱，对施工技术要求较高，

而且新植筋可能对原柱的受力产生不利的影响；后浇混凝土时需要截断柱，此时则需要设置可靠的临时支撑，施工较为复杂；新旧混凝土能否可靠、有效地共同工作也是重要指标之一。

2.2 预应力托梁法

由于混凝土加大截面法使得托梁截面过大，变形大，且抗裂能力较差，因此在工程实际应用当中受到了一定的限制，此时可以采用预应力托梁进行抽柱托换。预应力加固法分为有粘结预应力法和体外预应力托梁法，这个方法可以降低托梁的高度，使得建筑物的净高受到的影响小；提高了托梁的刚度，减小了变形；减小了托梁中的拉应力，提高了抗裂能力；另外，充分发挥了混凝土抗压强度高、钢材抗拉强度高的特点，消除了应力应变滞后的缺点。但是此方法施工复杂，使用期间需要经常维护，会影响到建筑物的正常使用；增加了托梁的刚度，可能有悖于抗震中“强柱弱梁”的原则而对结构的抗震性能产生影响。

2.3 腹板柱转换结构托换法

托梁法中托梁承担全部荷载，托梁跨中弯矩、支座弯矩绝对值较大，要求托梁截面尺寸较大，不利于有效利用结构净空。在新建建筑中，山东建筑大学赵玉星教授提出了一种在框架梁之间通过设置腹板柱来调整框架梁内弯矩峰值的方法[1]（如图2.1所示）。以前该方法主要用于新建建筑中，现将该结构形式应用于既有建筑的抽柱改造。利用后加腹板柱将框架梁联在一起，形成腹板柱转换结构，共同承担被抽除柱转移来的荷载，从而使每根梁分担的荷载相应减小，更为重要的是，腹板柱的存在，极大地调节了框架梁的弯矩。山东建筑大学李安起副教授曾将此方法应用于工程实践中，并取得了良好的托换效果[2]。

图2.1 腹板柱转换结构示意图 图2.2 钢支撑布置示意图

2.4 增设双角钢支撑法

钢筋混凝土框架结构抽柱之后，其受力体系及构件的受力性能都会发生变化。可以考虑通过在其上层设置钢支撑（如图2.2所示），在既有的结构上进行局部结构优化，有效地改善框架结构的受力，降低了托换后框架梁跨中弯矩的峰值。

钢支撑可以选择双角钢支撑、钢绞线或是预应力钢绞线。经查阅相关资料，理论上钢绞线的弹性模量为Q235钢材弹性模量的92.8％，并且预应力钢绞线的施工较为复杂，因此优先考虑选用双角钢作为支撑体系。

3 框架结构抽柱托换的模拟分析

3.1 工程概况

本工程为四层钢筋混凝土框架结构，底层层高3900mm，其余层层高为3300mm，轴网间距为6000mm。梁柱均采用C30混凝土，结构重要性系数为1，梁截面尺寸为600mm×300mm，柱截面尺寸为500mm×500mm，采用柱下独立基础，地基承载力特征值为180KN/m2。竖向荷载包括恒荷载与活荷载，楼面均布恒荷载标准值为5.0KN/m2，屋面为3.0kN/m2；楼面均布活荷载标准值为2.0kN/m2，上人屋面活荷载标准值为2.0kN/m2。本工程按7度抗震设防，场地类别为IV类，设计基本加速度值为0.10g，设计地震分组为第二组，基本风压为0.55kN/m2，地面粗糙度为C类。因使用要求，需要在二层将如下图2.3所示的轴相交处的柱子KZ5抽除。

图2.3 结构平面布置图（1）图2.3 结构平面布置图（2）

3.2 抽柱后不同托换方式概述

用MIDAS Building软件分别对框架抽柱后采用混凝土梁增大截面法（工况1）、预应力托梁法（工况2）、附加腹板柱法（工况3）和增设双角钢支撑法（工况4）托换后的受力进行模拟计算。

采用混凝土梁加大截面法时，抽柱后四根框架梁成为纵横交错的两根托梁，梁跨由6m变成了8m，梁的抗裂性和挠度均不满足规范的要求，因此，在建筑使用功能允许的条件下，通过PKPM软件和MIDAS Building软件进行验算，并根据《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）的构造要求，最终确定加固后梁截面尺寸为800mm×420mm。

采用有粘结预应力混凝土托梁加固时，通过增加与被抽柱相连的四根框架梁截面（两侧和梁底），在新增混凝土部位设置预应力钢绞线。原梁截面尺寸为600mm×300mm，增大后截面尺寸为800mm×500mm，并在被加固梁两侧的增加部分布置6束每束7根直径15.24mm、强度标准值为1860MPa的低松弛预应力钢绞线。

采用附加腹板柱时，因该框架结构无主次梁之分，考虑到抽柱后部分梁梁端负弯矩的变化，因此抽柱之前，在与待抽柱相交的四根框架梁的三分点处分别设置腹板柱，因梁截面为600mm×300mm，则腹板柱的截面尺寸取800mm×300mm。

采用双角钢支撑时，在轴框架第三层设置双角钢拉杆，双角钢型号为L125*12，背间距为8mm。

3.3 软件计算结果

表2.1 不同工况下二层框架梁恒载弯矩值（kN・m）

通过MIDAS Building软件对原结构和采用不同托换形式后的二层框架梁的弯矩进行了计算，结果如上表2.1所示。

从表格中的数据可以看出，相对于其他三种方法而言，混凝土梁加大截面法并不能有效改善抽柱后框架结构的内力重分布情况，但是其施工相对简单，故对于跨度不大或荷载较小的结构来说，可以优先考虑此种方法。其他三种方法可以有效改善结构抽柱后的受力体系，尤以增设双角钢支撑法效果最好。

4 结语

本文讨论了钢筋混凝土框架结构抽柱后采用不同托换形式后，抽柱层框架梁的受力情况。混凝土梁加大截面法不能有效改善结构的受力体系，预应力托梁法、附加腹板柱法和增设双角钢支撑法可以显著优化被抽柱区域框架梁的受力状态。

本文仅对抽柱层的部分框架梁进行了分析和对比，没有考虑其他梁和框架柱的受力变化，将来有必要对整体结构的受力情况进行研究。

参考文献

[1]赵玉星，李安起.用附加剪弯杆改善框架的承载性能[J].工业建筑，2001，31（6）：81-82.

[2]李安起，张鑫，王继国.某框架结构抽柱托换工程实践[J].四川建筑科学研究，2004，30（3）：56-58.