新型抽柱加固改造方法在工程的应用

陈宁

目前国内已有建筑物由于使用年限、业主要求和使用功能改变的需要进行加固和改造的工程在不断增多。对已有建筑物既可延长使用寿命，又能满足新的功能需求，但是结构的改造会改变原有结构的传力途径、受力特点以及应力状态，比如拆除结构墙、室内抽柱等，降低结构整体承载能力。现阶段可采用的结构加固方法较多，比如增大截面法、改变结构体系法、外包钢板法、粘贴纤维布法、预应力法等，如何进行加固设计、采用何种设计方法、怎样保证原有结构承载，已成为加固工程中亟需解决的新问题。

本文针对某大型办公室的抽柱改造工程，提出一种新型的屋顶组合劲性混凝土梁脱换的新型抽柱加固方法，保证了原有结构安全性、稳定性以及整体承载力，为同类工程改造和加固提供参考。

一、工程概况

改造项目位于湖南省郴州市，平面形状为长方形，主体结构为十五层的框架结构，紧靠主体结构为三层框架的裙房。应业主要求，现将裙房的第三层改造为会议室，为了满足空间功能使用要求，需要将该层中轴线上的2根柱子拆除，具体拆除位置如下图1所示。

图1 裙房第三层拆柱平面图

二、新型抽柱加固改造方法的加固方案

1.理论分析

从原建筑物结构的布置特点可以看出，原建筑物是纵、横向框架混合承重体系。室内的2根柱子呈对称布置形式共同分担了来自纵、横向框架梁传来的荷载，当拆除其中一根柱子后，将导致纵、横向框架梁的最大跨度分别从7.8m增加到15.6m，当2根柱子都拆除后，纵向间距不变，横向框架梁的最大跨度从15.6m增加到23.4m，此时纵向框架梁成为主要的承重结构。从结构受力的角度分析，在荷载不增加的情况下，跨度增加1倍，结构中的最大剪力会增大2倍，最大弯矩会增大4倍，最大挠度会增大16倍。

该加固改造方案采用劲性混凝土梁进行加固，将工字钢与混凝土进行组合，而工字钢将承受原梁上的全部荷载，工字钢通过现浇混凝土与原梁连接，进行力的传递。原梁、现浇混凝土和工字钢三者浇筑在一起形成了一个钢混劲性组合结构，相比单独依靠工字钢受力，或仅仅依靠混凝土来受力，其保险系数提高很多。对于大跨度的梁，梁的挠度是一个重点关注的问题，单纯依靠混凝土自身的抗挠能力是远远不够的，所以采用钢混组合可以很好地解决这个问题，此时混凝土梁的挠度可以通过工字钢的变形验算得到很好的控制，而且通过原梁与后浇筑的自密实混凝土之间剪力可把原梁上的荷载顺利地传递给工字钢，工字钢与混凝土的组合又增加了其承载力的保险系数。该加固改造方案具有受力可靠、计算简明、变形易控制、节省施工时间、施工过程易操作等优点。为了保证新旧梁和工字钢之间的连接及更可靠地传递剪力，需要做好原梁的毛面处理，在原梁上进行化学植筋，采用钢绞线将原梁与工字钢连接在一起。

2.屋顶组合劲性混凝土梁加固方案

本文需要设计两根屋顶组合劲性混凝土梁，由于两根立柱在空间布置处于对称的位置，受力性能是一致的，所以以主梁2/(A-C)为对象进行加固改造。组合劲性混凝土梁的加固方案如下图2所示。

图2 2/(A-C)梁加固立面图

屋顶组合劲性混凝土施工步骤如下：

（1）首先对需要加固梁范围内原有屋面保温、防水层进行凿除，露出原有结构层；（2）在屋面板上打直径16mm的孔以便穿U型吊杆，并在原梁上进行化学植筋；（3）安装钢梁H1，使钢梁中心线位置在原梁中心线上，并确保其稳定性；（4）在钢梁H1上架设7个同步控制的千斤顶；（5）安装钢梁H2，并确保其稳定性；（6）安装A14@250的U型吊杆，紧固定螺帽M1；（7）同步顶升7个千斤顶，分级进行加载，最终达到控制力150kN，并紧固螺帽M2；（8）放松螺帽M1，拆除钢梁H2和千斤顶，截断螺帽M2以上多余吊杆（保留部分应大于10cm）；（9）安装加固梁的钢筋及模板，随后浇筑混凝土，混凝土浇筑过程中应尽量减少对钢梁H1的振动；（10）待混凝土达到设计强度后再抽原有混凝土柱。施工过程如下图3、4所示。

图3 2/(A-C)梁加固过程图

图4 2/(A-C)梁加固整体图

新增梁采用自密实混凝土等级为C40，添加早强剂，钢筋等级为HRB400；受力钢筋的混凝土保护层厚度为25mm；植筋结构胶选用改性环氧树脂或乙烯基甲基丙烯酸酯等锚固用A级结构胶。

三、现场检测分析

1.监测内容及测点布置

本文根据相关监测规范要求，监测的内容主要包括：（1）外观检测：监测框架梁及楼板在施工前后是否有明显裂缝、变形；（2）框架梁位移监测：在平整地面布置监测点，对拆除柱柱顶连接的纵向、横向框架梁的位移进行监测；（3）框架梁应变监测：在拆除柱顶框架梁及加固拖梁的应变进行监测。位移和应变的监测点布置如下图5、6所示：

图5 位移监测点平面布置图

图6 应变监测点布置图

2.框架梁及加固梁应变监测

通过测定拆除柱前后框架梁及加固梁混凝土外表面的应变值，可近似反映出梁内部纵筋的受力情况。

应变监测数据如下表1所示。

表1 应变监测结果

从应变监测结果可以看到，测点1和测点3的应变值几乎没有变化，而测点2的应变值变化为508με，根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中σ=Eε计算得纵筋前后应变变化为116MPa，考虑其它两处测点的数据几乎不变及应变测量的误差，认为应变满足要求。

四、结论

结合现场勘测以及对比各种加固方法，最终设计了一种屋顶组合劲性混凝土梁脱换的新型抽柱加固方法，并介绍了该加固改造方法的施工过程。通过现场监测，监测结果满足设计规范要求，验证了该加固方法在工程应用中具有可行性。