结合实例探讨工程结构柱拔除加固设计
摘要：本文结合某工程实例介绍建筑结构柱拔除加固设计与实施方法。可供相关工程技术人员参考借鉴。
关键词：拔柱 斜撑 加固设计 施工及测试
1 工程概况
某工程位于广东省，为高22层的高层建筑，含1层地下室及6层裙房。裙房平面尺寸为94.3×62.3m，层高为5.2～6.0m，柱跨为8.7～11.0m，柱截面主要为600×600mm、700×700mm，梁截面为300×800～900mm。该建筑2007年4月设计，于2008年11月竣工。
因使用功能改变，业主拟将裙房5层中12轴交C轴处柱拔除，形成17.6×20.5m大空间，同时要求不能降低原5层楼层净高，见图1。
2 加固方案比较
方案一：把6层KL1加固为预应力混凝土转换梁，托住上层柱。该方案充分考虑到可通过调整预应力筋的束形及配筋量有效主动控制预应力梁的变形，避免拔除柱后相关楼板及次梁因变形过大开裂。考虑净高的及预应力张拉端的设置需要，需把KL1从梁面往上加高600mm，同时需从梁两边分别加宽至柱边外200mm。此时KL1截面为1000×1400mm，预应力筋设置在两侧新增混凝土里，需连续通过3条梁。施工时，需凿除KL1梁边楼板、凿通垂直KL1的3条梁，同时必须对B~D交11~13轴范围内梁板进行有效支撑。
方案二：基于该建筑的形体特点，6层B~C轴区域为室外屋面，C~D轴区域为室内楼面，可在C轴上11~13轴处设置2个斜撑，斜撑底设置联系拉杆，同时加固6层对应位置柱为拉杆，吊住6层相应框架梁，见1-1剖面。该方案传力途径明确，拔除柱后相关梁板构件变形小，且施工方便。
经过分析比较，最终本工程选用加固方案二。
3 加固设计
第5层12轴交C轴处柱拔除后，某些相关构件发生内力重分布现象，可能会导致部分构件承载能力不足。为此对该建筑用PKPM系列的SATWE软件，进行了整体分析计算。计算结果见表一《总信息表》。
该表显示，当柱拔除后，整个建筑的结构自振周期、水平荷载作用下最大层间位移角及5层侧移刚度比等指标基本无变化。表明该柱的拔除对原结构整体性能基本无影响。
表一《总信息表》
备注X、Y向地震作用下最大层间位移角在拔柱前后均分别发生在31层、23层；X、Y向风作用下最大层间位移角在拔柱前后均分别发生在23层、19层。
经验算，11交C轴、13交C轴处柱的桩基础承载能力满足要求；12交C轴处柱桩基础抗浮承载能力满足要求；同时发现5层以下11交C轴、13交C轴处柱内力增大，导致该柱部分楼层段承载力不足，需作外包角钢加固处理。该部分加固处理为常规做法，本文就不作详细描述。
经计算，斜撑XC1、XC2轴压力设计值分别为2505kN、2960kN。斜撑XC1、XC2截面均为550×550mm，混凝土强度等级为C40，纵筋为12B20均匀布置，箍筋为B10@100（4），和柱连接节点见图2。此时斜撑XC2承载力F=0.9φ（fcA+fy＇As＇）=0.9×0.77×（19.1×550×550+300×3770.4）=4787.8kN＞2960kN，满足要求。
图2 斜撑、LG1和柱连接节点图
拉杆LG1为Q235B热轧H型钢HW300×300，通过和柱底钢板箍坡口焊接和斜撑连成整体，平衡斜撑XC1、XC2底部的推力2073.0kN、2467.2kN，和柱连接节点见图2、图3。此时拉杆LG1承载力F=Asfy=12040×210=2528.4kN＞2467.2kN，满足要求。
图3 LG1交12轴处节点图
拉杆LG2轴拉力设计值为1691.0kN，原柱配纵向受力钢筋为14C28+4C25。由于原设计按偏心受压柱，进行配筋，为确保LG2在受力性质改变后，仍有足够的承载能力，把LG2的4个角外包Q235B热轧等边角钢L100×16进行加固。该角钢穿过6层楼板，和设置在KL1下钢板箍进行坡口焊接连接，确保节点内力能有效传递到斜撑XC1、XC2，见图4。
图4 LG2下节点图
第5层被拆除柱上端面原钢筋切断后和28mm厚钢板塞焊锚固；被拆除柱下端梁高900mm，满足下层柱钢筋直锚要求，将该部位钢筋直接切断后外涂环氧保护即可。
拔柱后，KL1及相关梁的弹性挠度见图5。
为确保设计准确，选用有限元软件SAP2000进行复核计算分析。主要计算结果见表二《杆件内力表》。
表二《杆件内力表》
备注：上述轴力为标准值，压力为负值，拉力为正值。
KL1在恒荷载和活荷载作用下12轴处弹性挠度分别为5.9mm、1.6mm。上述计算结果均和SATWE的计算结果较吻合，证明本工程加固设计是准确可靠的。
4施工及测试
完成相应加固工作，且当斜撑混凝土强度达到设计要求后，即可准备拆除第5层12轴交C轴处柱。
为避免梁KL1实际挠度过大，超出计算值，导致相关梁板构件开裂，要求拆柱前，对5、6层梁KL1按6个支点用型钢进行支撑。其中要求该支撑上下对齐，4层支撑上下顶紧4、5层梁KL1，5层支撑顶紧5层梁，支撑顶离6层梁KL1底10mm。
拆柱施工方案为先把柱断开，接着把剩下的断柱凿除。在柱拟断面上下设置刻度，便于测量第6层梁KL1在拔柱后的位移变化。
对该柱在拟断面上用钻头直径为40mm的取芯机进行连续取芯，把该柱中间部分取断，仅保留柱两边约60mm厚混凝土及钢筋，接着用电锤把柱剩余两边的混凝土凿除，最后用氧焊逐步对称切断钢筋。
断柱后立即测量刻度，发现柱断口上边发生向下垂直位移5mm，同时测量其它6个支撑点顶部离梁底距离，结果为梁KL1发生向下垂直位移为5mm。24小时后，再次测量上述测点，数据无变化，满足设计要求。
5 结束语
在改造加固设计中，首先应根据该建筑的结构现状，充分考虑原结构的承载特点，提出合理的结构设计方案。
拔柱加固设计最大难点及重点是控制相关构件的位移，将上层梁柱的内力有效传递到邻近柱上。
使用2个不同的计算软件进行比较分析和施工测试是验证整个设计正确与否的重要措施。
参考文献：
[1]张德锋，上海京银大厦裙房预应力转换梁加固设计[J]，建筑结构，2007（7）
[2]《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）
作者简介：
余瑞荣（身份证：440724197607274415），男，工程师，一级建造师、注册监理工程师
