房屋加固改造中的托梁換柱技術(shù)

周曉彧 （安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

建國以來，特別是近幾十年來，我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，一棟棟建筑拔地而起，建筑數(shù)量和規(guī)模都得到了迅猛發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國既有建筑面積已達(dá)到了450億m2，且以每年20億m2的總量持續(xù)增大[1]。但是隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對建筑結(jié)構(gòu)性能要求不斷提高，既有的一些建筑或是已達(dá)到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，或是受自然災(zāi)害、使用維護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊懀涔δ芘c要求已不能滿足現(xiàn)今人們多元化的需求。加之上世紀(jì)90年代，我國建筑業(yè)存在著粗放式發(fā)展問題，部分建筑在功能或承載力上存有著一定的缺陷，也嚴(yán)重影響到了結(jié)構(gòu)的安全和正常的使用。針對既有建筑所存在的上述問題，拆除重建是一種較為直接的方法，但針對我國基本國情，其可操作性和經(jīng)濟(jì)性偏低。相較拆除重建，結(jié)構(gòu)的加固改造技術(shù)具有投資小、工期短、不產(chǎn)生大量的建筑垃圾以及環(huán)境噪音等優(yōu)勢。因此，采用具有較好經(jīng)濟(jì)性和操作性的加固改造技術(shù)來滿足結(jié)構(gòu)的安全使用要求和性能要求已然成為主流發(fā)展趨勢[2]。

鑒于加固改造技術(shù)的優(yōu)勢和迫切的使用需求，近些年來研究者們對加固改造技術(shù)展開了深入的研究與廣泛的工程應(yīng)用，與此同時(shí)一系列相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也得到了不斷的完善。

1 加固方法概況

隨著研究的深入及我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，加固改造技術(shù)得到廣泛運(yùn)用，相關(guān)規(guī)范日趨成熟，相繼頒布了《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T J22-2008）、《建筑抗震加固設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ116-2009）、《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50550-2010）等方面的規(guī)程規(guī)范，在相應(yīng)規(guī)范中也對常用方法進(jìn)行了規(guī)范和說明。對于常見的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，規(guī)范主要涵蓋了以下幾種工程上常用的加固改造方法[3-4]：

①增大截面法。增大截面法又稱外包混凝土加固法，一般采用鋼筋混凝土增大截面面積來提高結(jié)構(gòu)的剛度、承載能力。此方法適用面很廣，比較經(jīng)濟(jì)，但是施工較為復(fù)雜且工期長，而且該方法會(huì)在一定程度上影響房間的使用面積，主要適用于有足夠空間的梁、板、柱的一般性結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

②外加預(yù)應(yīng)力加固法。外加預(yù)應(yīng)力加固法屬于間接加固法的一種，一般用外加預(yù)應(yīng)力的拉桿或撐桿進(jìn)行加固。這種方法可以同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的承載力、抗裂性和剛度，且相對于增大截面法占用空間較小。一般用于大型結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu)，但使用環(huán)境溫度不宜高于60℃，不得使用于收縮徐變較大的結(jié)構(gòu)中。

③外粘型鋼加固法。外粘型鋼加固法又可分為濕式法和干式法。濕式外包鋼加固通過在型鋼和構(gòu)件之間用環(huán)氧樹脂或乳膠水泥來使型鋼粘結(jié)在構(gòu)件上，通過外包型鋼約束構(gòu)件橫向變形，以提高構(gòu)件承載力。相對于濕式法，干式外包無需填塞，只需要將構(gòu)件所承受的荷載依據(jù)型鋼和混凝土剛度進(jìn)行分配即可。本方法對于截面尺寸影響小，施工簡單方便，但由于需耗費(fèi)大量鋼材，經(jīng)濟(jì)性略低，適用于大跨結(jié)構(gòu)和重要結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用濕式外包加固時(shí)，型鋼表面溫度應(yīng)低于60℃。

④粘貼纖維復(fù)合材加固法。粘貼纖維復(fù)合材加固法通過結(jié)構(gòu)膠將碳纖維、玻璃纖維等復(fù)合材料粘貼在構(gòu)件上，以發(fā)揮復(fù)合材料較好的抗拉特性，約束構(gòu)件的橫向變形，提高構(gòu)件的承載力。本方法施工方便快捷，對于日常生產(chǎn)生活影響小，適用于受彎、受拉以及大偏壓構(gòu)件。

⑤增設(shè)支點(diǎn)加固法。增設(shè)支點(diǎn)加固法通過增加結(jié)構(gòu)的支撐點(diǎn)，以減小結(jié)構(gòu)跨度，降低連續(xù)構(gòu)件截面端剪力、彎矩。依據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮支撐結(jié)構(gòu)的豎向變形，可分為彈性支點(diǎn)加固和剛性支點(diǎn)加固。由于需增設(shè)支撐構(gòu)件，本方法適用于梁、板的凈空不受限制的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

⑥托梁換柱技術(shù)。本方法能夠在不影響上部結(jié)構(gòu)的情況下，通過拆除、更換或接長柱子以增強(qiáng)或完善結(jié)構(gòu)的整體受力性能。本方法適用于室內(nèi)生活使用空間需變化，柱需更換的建筑結(jié)構(gòu)加固。

在施工過程中，具體采用哪種加固改造方法，應(yīng)根據(jù)使用者的實(shí)際改造需求、現(xiàn)場施工條件、建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)等因素，結(jié)合以上各種方法的特點(diǎn)、適用范圍及經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行綜合考量[5]。相較于其它加固技術(shù)，由于現(xiàn)今越來越多的既有結(jié)構(gòu)使用功能發(fā)生了變化，通過對結(jié)構(gòu)合理改造以增大建筑空間或改善其使用功能的需求日益增多，因此，托梁換柱技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用[6-8]。

2 托梁換柱技術(shù)

2.1 托梁換柱技術(shù)分類

托梁換柱就是利用現(xiàn)代土木工程施工技術(shù)，在不拆或少拆上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的前提下，對結(jié)構(gòu)豎向受力構(gòu)件（通常為柱子）實(shí)施更換、拆除或接長，以達(dá)到增大建筑結(jié)構(gòu)承載力、擴(kuò)大底部空間使用面積等為目的地一項(xiàng)綜合性特種加固工程技術(shù)，其在設(shè)計(jì)和施工過程中包括了對待改造結(jié)構(gòu)的整體性設(shè)計(jì)驗(yàn)算、支撐系統(tǒng)驗(yàn)算、局部增強(qiáng)、上部結(jié)構(gòu)頂升、截柱和監(jiān)控等流程[4]。

托梁換柱技術(shù)根據(jù)托換時(shí)間劃分，可被分為臨時(shí)性托換和永久性托換。臨時(shí)性托換是指當(dāng)托換結(jié)構(gòu)在工程完成后不再承擔(dān)荷載并可以拆除的托換形式；當(dāng)在工程完成后托換結(jié)構(gòu)仍保留并參與結(jié)構(gòu)受荷的托換工程則稱為永久性托換。根據(jù)托換荷載轉(zhuǎn)換方式劃分，托換技術(shù)又可被分為兩類。當(dāng)在托換結(jié)構(gòu)完成之后，直接將原柱與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離，從而將荷載直接傳遞到新柱的托換為第一類托換，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，工期短，造價(jià)相對較低，但在施工過程中不利于控制結(jié)構(gòu)變形，具有一定風(fēng)險(xiǎn)。其適用于小噸位和結(jié)構(gòu)變形不甚嚴(yán)格的情況。相較于第一類托換形式，第二類托換形式通過在原柱拆除前對新柱和托換結(jié)構(gòu)施加荷載，以此來消除部分新增加固構(gòu)件的變形，從而將托換后結(jié)構(gòu)的變形限制在較小的范圍內(nèi)，雖然其操作復(fù)雜，持續(xù)時(shí)間長，造價(jià)相對較高，但該類托換技術(shù)特別適用于大噸位、對變形要求嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)改造中。

2.2 托梁換柱技術(shù)設(shè)計(jì)原則

如圖1所示，當(dāng)梁lAB一端B因柱的拆除而產(chǎn)生豎向位移時(shí)，梁端A將產(chǎn)生較大的附加剪力和彎矩如式（1）、（2）所示。

圖1 結(jié)構(gòu)簡圖

式中MAB、VAB分別為梁A端彎矩和剪力，L為梁跨度，E為彈性模量，I為梁截面慣性矩，為梁B端豎向位移。

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，當(dāng)柱拆除后，除引起梁產(chǎn)生豎向位移引起附加彎矩和剪力外，還將引起上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分配，產(chǎn)生新的附加內(nèi)力效應(yīng)。因此，在進(jìn)行托梁換柱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證在抽柱后，托換的方案在上部荷載的作用下整個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形能滿足安全使用要求，這是托梁換柱設(shè)計(jì)過程中的第一設(shè)計(jì)原則。

由于結(jié)構(gòu)的托換，造成了整個(gè)結(jié)構(gòu)的傳力路徑發(fā)生了改變。內(nèi)力進(jìn)行重分布后，與托換體系相關(guān)的構(gòu)件勢必會(huì)受到更大的荷載，對于這些相關(guān)構(gòu)件的承載力是否還能滿足要求，則需要進(jìn)行驗(yàn)算。若是出現(xiàn)承載力不足現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)性加固，使其滿足設(shè)計(jì)要求，這是托梁換柱設(shè)計(jì)的第二設(shè)計(jì)原則。

當(dāng)拆除了某層部分柱后，勢必會(huì)使該層的抗側(cè)剛度發(fā)生變化。因此在滿足了前面兩點(diǎn)的情況下，也需要考慮房屋整體性能的要求，要滿足結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)等抗側(cè)力要求，與此同時(shí)還需要注意由于托梁截面的增加和柱子的減少而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”現(xiàn)象，這是托梁換柱設(shè)計(jì)的第三設(shè)計(jì)原則。

2.3 托梁換柱技術(shù)設(shè)計(jì)思路

在托梁換柱加固改造技術(shù)中，設(shè)計(jì)方案必須滿足前述三個(gè)設(shè)計(jì)原則，與此同時(shí)也需要在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)到如下思路。

①二次受力：加固前原結(jié)構(gòu)已經(jīng)承受的荷載稱為一次受力，通常結(jié)構(gòu)此時(shí)的承載能力已經(jīng)有一定不足或即將出現(xiàn)不足，這就意味著當(dāng)前原有結(jié)構(gòu)中應(yīng)力應(yīng)變水平較高；在進(jìn)行加固后，新加固部分并不能立即對原結(jié)構(gòu)的荷載進(jìn)行分擔(dān)，因此，新加增強(qiáng)材料的應(yīng)變始終滯后于原構(gòu)件的應(yīng)變，原構(gòu)件的應(yīng)力當(dāng)然也始終高于新加部分的應(yīng)力，即所謂的應(yīng)變滯后現(xiàn)象[4]。為了讓新加部分與原有部分更好的進(jìn)行協(xié)同工作，通常在加固時(shí)，我們可以對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的卸載，一次提高兩者對于二次受力時(shí)協(xié)同工作的能力。

②基于性能的結(jié)構(gòu)抗震加固：由于托梁換柱對于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力系統(tǒng)造成了較大的改變，在一定程度上影響了結(jié)構(gòu)的抗震性能。若是通過各種手段來恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)的抗震性能，這無疑是不經(jīng)濟(jì)的，也不具有實(shí)操性。這個(gè)時(shí)候我們需要基于新結(jié)構(gòu)的性能，重新考量結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過合理加固改造一些構(gòu)件，建立新的傳力途徑，來形成一些合理的破壞形式，以此來改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 結(jié)論

本文首先介紹了既有結(jié)構(gòu)加固改造的概念和實(shí)際工程上已有加固改造技術(shù)方法及其使用范圍，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了在實(shí)際工程中廣泛使用的托梁換柱技術(shù)，包括其分類、設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思路，其中對于托梁換柱技術(shù)三點(diǎn)設(shè)計(jì)原則和兩項(xiàng)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了重點(diǎn)敘述。作為一種常用的加固改造手段，托梁換柱技術(shù)可有效解決既有結(jié)構(gòu)功能改善所造成的結(jié)構(gòu)問題，且具有施工工期短、施工期間影響小等特性，值得深入推廣。

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