新型抽柱加固改造方法在工程的應用

陳寧

目前國內已有建筑物由于使用年限、業主要求和使用功能改變的需要進行加固和改造的工程在不斷增多。對已有建筑物既可延長使用壽命，又能滿足新的功能需求，但是結構的改造會改變原有結構的傳力途徑、受力特點以及應力狀態，比如拆除結構墻、室內抽柱等，降低結構整體承載能力。現階段可采用的結構加固方法較多，比如增大截面法、改變結構體系法、外包鋼板法、粘貼纖維布法、預應力法等，如何進行加固設計、采用何種設計方法、怎樣保證原有結構承載，已成為加固工程中亟需解決的新問題。

本文針對某大型辦公室的抽柱改造工程，提出一種新型的屋頂組合勁性混凝土梁脫換的新型抽柱加固方法，保證了原有結構安全性、穩定性以及整體承載力，為同類工程改造和加固提供參考。

一、工程概況

改造項目位于湖南省郴州市，平面形狀為長方形，主體結構為十五層的框架結構，緊靠主體結構為三層框架的裙房。應業主要求，現將裙房的第三層改造為會議室，為了滿足空間功能使用要求，需要將該層中軸線上的2根柱子拆除，具體拆除位置如下圖1所示。

圖1 裙房第三層拆柱平面圖

二、新型抽柱加固改造方法的加固方案

1.理論分析

從原建筑物結構的布置特點可以看出，原建筑物是縱、橫向框架混合承重體系。室內的2根柱子呈對稱布置形式共同分擔了來自縱、橫向框架梁傳來的荷載，當拆除其中一根柱子后，將導致縱、橫向框架梁的最大跨度分別從7.8m增加到15.6m，當2根柱子都拆除后，縱向間距不變，橫向框架梁的最大跨度從15.6m增加到23.4m，此時縱向框架梁成為主要的承重結構。從結構受力的角度分析，在荷載不增加的情況下，跨度增加1倍，結構中的最大剪力會增大2倍，最大彎矩會增大4倍，最大撓度會增大16倍。

該加固改造方案采用勁性混凝土梁進行加固，將工字鋼與混凝土進行組合，而工字鋼將承受原梁上的全部荷載，工字鋼通過現澆混凝土與原梁連接，進行力的傳遞。原梁、現澆混凝土和工字鋼三者澆筑在一起形成了一個鋼混勁性組合結構，相比單獨依靠工字鋼受力，或僅僅依靠混凝土來受力，其保險系數提高很多。對于大跨度的梁，梁的撓度是一個重點關注的問題，單純依靠混凝土自身的抗撓能力是遠遠不夠的，所以采用鋼混組合可以很好地解決這個問題，此時混凝土梁的撓度可以通過工字鋼的變形驗算得到很好的控制，而且通過原梁與后澆筑的自密實混凝土之間剪力可把原梁上的荷載順利地傳遞給工字鋼，工字鋼與混凝土的組合又增加了其承載力的保險系數。該加固改造方案具有受力可靠、計算簡明、變形易控制、節省施工時間、施工過程易操作等優點。為了保證新舊梁和工字鋼之間的連接及更可靠地傳遞剪力，需要做好原梁的毛面處理，在原梁上進行化學植筋，采用鋼絞線將原梁與工字鋼連接在一起。

2.屋頂組合勁性混凝土梁加固方案

本文需要設計兩根屋頂組合勁性混凝土梁，由于兩根立柱在空間布置處于對稱的位置，受力性能是一致的，所以以主梁2/(A-C)為對象進行加固改造。組合勁性混凝土梁的加固方案如下圖2所示。

圖2 2/(A-C)梁加固立面圖

屋頂組合勁性混凝土施工步驟如下：

（1）首先對需要加固梁范圍內原有屋面保溫、防水層進行鑿除，露出原有結構層；（2）在屋面板上打直徑16mm的孔以便穿U型吊桿，并在原梁上進行化學植筋；（3）安裝鋼梁H1，使鋼梁中心線位置在原梁中心線上，并確保其穩定性；（4）在鋼梁H1上架設7個同步控制的千斤頂；（5）安裝鋼梁H2，并確保其穩定性；（6）安裝A14@250的U型吊桿，緊固定螺帽M1；（7）同步頂升7個千斤頂，分級進行加載，最終達到控制力150kN，并緊固螺帽M2；（8）放松螺帽M1，拆除鋼梁H2和千斤頂，截斷螺帽M2以上多余吊桿（保留部分應大于10cm）；（9）安裝加固梁的鋼筋及模板，隨后澆筑混凝土，混凝土澆筑過程中應盡量減少對鋼梁H1的振動；（10）待混凝土達到設計強度后再抽原有混凝土柱。施工過程如下圖3、4所示。

圖3 2/(A-C)梁加固過程圖

圖4 2/(A-C)梁加固整體圖

新增梁采用自密實混凝土等級為C40，添加早強劑，鋼筋等級為HRB400；受力鋼筋的混凝土保護層厚度為25mm；植筋結構膠選用改性環氧樹脂或乙烯基甲基丙烯酸酯等錨固用A級結構膠。

三、現場檢測分析

1.監測內容及測點布置

本文根據相關監測規范要求，監測的內容主要包括：（1）外觀檢測：監測框架梁及樓板在施工前后是否有明顯裂縫、變形；（2）框架梁位移監測：在平整地面布置監測點，對拆除柱柱頂連接的縱向、橫向框架梁的位移進行監測；（3）框架梁應變監測：在拆除柱頂框架梁及加固拖梁的應變進行監測。位移和應變的監測點布置如下圖5、6所示：

圖5 位移監測點平面布置圖

圖6 應變監測點布置圖

2.框架梁及加固梁應變監測

通過測定拆除柱前后框架梁及加固梁混凝土外表面的應變值，可近似反映出梁內部縱筋的受力情況。

應變監測數據如下表1所示。

表1 應變監測結果

從應變監測結果可以看到，測點1和測點3的應變值幾乎沒有變化，而測點2的應變值變化為508με，根據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010中σ=Eε計算得縱筋前后應變變化為116MPa，考慮其它兩處測點的數據幾乎不變及應變測量的誤差，認為應變滿足要求。

四、結論

結合現場勘測以及對比各種加固方法，最終設計了一種屋頂組合勁性混凝土梁脫換的新型抽柱加固方法，并介紹了該加固改造方法的施工過程。通過現場監測，監測結果滿足設計規范要求，驗證了該加固方法在工程應用中具有可行性。