拔柱改造與大跨度框架梁的加固對建筑結構的影響

【摘 要】建筑物由于自身需要進行一定改造，以及結構更改或者重新裝修等等，改進行改造的過程中一般要先將混凝土建筑結構中的鋼筋結構立柱進行拔除工作，特別是在較大幅度的作業(yè)環(huán)境之下，就必須要提前選擇合理的設計方案和施工方案，從而將拔除立柱之后的框架結構加以穩(wěn)固定。本篇文章通過介紹某地一個建工集團總部位于20樓頂樓會議室進行18.8米超大跨度拔除立柱加固框梁的案例工程。該項工程通過三維軟件對整個需要改造的建筑結構進行了各個方位全真模擬分析，通過該分析，結合了工程改造的效果，得出了以下幾個結論：在工程框架梁的頂部使用厚度達到600mm的反梁，而框架梁的下半部所使用的則是厚度超過300mm的托梁，經過如此改造加固后的框梁完全符合力學要求；在改造的過程中必須要掌握正確的結構知識以及，并把握好拔柱、框梁加固、信息化監(jiān)測這三者的協(xié)調性，才能更好保障改造質量。

【關鍵詞】加固；混凝土；拔柱；框架梁加固；有限元分析；監(jiān)測

隨著現(xiàn)代社會人們對生活水平要求的不斷提高，建筑各項功能需求也越來越高，現(xiàn)代建筑已經越發(fā)難以滿足人們的需求，但是這些建筑的服務壽命還不長，沒有到達壽命期間，若要直接拆除，不僅浪費資源不說，其拆遷的費用也非常昂貴，同時也會對拆建建筑周邊的居民和生活秩序帶來巨大的影響。在無法進行拆除修建工程的情況下，各個建筑企業(yè)都將目光放在了已經在使用的住房進行維修加固和現(xiàn)代化改造之上。這種能夠在原有建筑的基礎之上進行改造的方法，能夠在保證整個建筑自身的結構穩(wěn)定性的同時，對建筑的內部制定部位進行加固或者現(xiàn)代化的改造，整個工程所需投入的資金相對于建筑工程來說，要小得多，見效快，其自身施工工程在具有良好的經濟利益的同時，還具備著社會效益。

一、建筑改造介紹

在諸多的建筑工程改造中，鋼筋混凝土結構的建筑進行內部空間擴大，增大立柱距離的改造工程師機器廠家的。但是這種改造方法因為需要完全移動建筑內部的承重力，使其受力位置發(fā)生變化，如果建筑主體自身在移動主體承重的過程中，不能夠荷載自身的重量或者荷載超標，就必須要對房屋建筑結構的各個承重結構先進行加固，然后再實施對立柱的挪移工程。

目前我國的各個建筑工程隊伍將研究的目光以及建筑的改造領域主要放在了一些陳舊廠房加固和改造之上，這種施工方法就是完全改變其建筑的承重體系，但是我國的工程改造隊伍對于這類大跨度建筑結構進行拔柱改造以及框架梁加固技術進行理論研究的課題并不多見，所以需要對以往的已經有的建筑加固和改造經驗進行研究，整個改造研究的過程中，必須要針對大跨度建筑在拆除立柱或者承重體系移動的詳細過程中，并且將這一現(xiàn)象進行模擬分析，從實驗以及測試的數(shù)據中，找到正確的施工方案、施工措施、監(jiān)測方法，這項研究理論具有極其重要的作用。

1、工程概況

本文中的案例工程的地理位置處在一個外灘之上，其建筑主體的主要框架結構為剪力墻支撐體系，改建筑的地平線之下建有兩層，地平線之上建有20層房屋結構。該建筑的主體結構在建設完工之后，才發(fā)覺位于頂層的會議室3-A軸的1050mm的立柱由于所處位置不當，遮擋住了室內的拆光以及實現(xiàn)，所以為了能夠滿足會議室內的需要，擴大視線和采光，就需要將該立柱進行拆除，其主要施工需求是：將框架梁由現(xiàn)目前的兩個10.2米和8.6米的跨度，合并成為一個單獨的18.8米的跨度，這樣一個跨度，在目前的工程項目中屬于個大跨度的框架梁改造工程，在施工的過程中由于受到結構自重以及墻體荷載等原因，必須要先對框架梁中的承重主梁先進行加固之后才能開始使用，以保障安全施工。

2、數(shù)值仿真計算

根據結構施工圖，在Midas軟件中建立三維模型，框架梁、柱采用beam單元模擬，核心筒的剪力墻采用plane單元模擬，樓板也采用plane單元模擬。建立18，19，20層和屋頂?shù)慕Y構模型。對于電梯井剪力墻和立柱為C60混凝土，對于梁和樓板采用C30混凝土，主筋采用HRB400 級鋼筋。

對模型的底部采用固端約束。梁柱的節(jié)點處也為固定約束。荷載取值：屋面活荷載2.0kN/m2，擦窗機軌道自重3kN/m，擦窗機自重250kN?？紤]掛籃對荷載的影響，外側軌道支點力為66.7kN，內側軌道支點力為57.8kN。

荷載組合效應值取以下兩公式計算結果的最大值：荷載值=1.2×恒荷載+1.4×活荷載；荷載值=1.35×恒荷載+1.4×0.7×活荷載。根據擦窗機移動的位置，將計算分為9個工況，分別考慮擦窗機行進在軌道不同的位置，考慮對結構的最不利影響。根據有限元計算分析結果，在拆除1050mm圓柱前后各構件受力狀況如表2所示。

根據截面配筋和《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010—2010的要求，對結構的承載能力極限狀態(tài)進行核算：梁1跨中、支座處彎矩承載能力不能滿足要求；梁2受梁1的影響，在電梯井端彎矩承載能力不能滿足要求；柱1、柱2的承載能力滿足要求。對梁1進行加固后，梁2將滿足規(guī)范要求。

3、結構加固設計

《混凝土結構加固設計規(guī)范》GB50367—2006[5]規(guī)定的加固方法主要有： 外包型鋼法、置換混凝土法、體外預應力法、屋面增設支點法、粘貼鋼板或纖維復合材料法、增大截面法等。

考慮到加固后的結構可靠性強、施工方便、維護簡單等因素，決定采用增大截面法，在屋面加設高600mm的反梁，則意味著擦窗機軌道梁升高，在900mm×900mm梁底面加設厚300mm的托梁，通過箍筋連接和混凝土鑿毛處理，在柱1和柱2之間形成900mm×1800mm的大梁。在設計過程中，為保證加固反梁、托梁與原梁柱結構協(xié)同受力，在相關節(jié)點上進行了特殊處理。

通過以上框架梁1的加固和兩端柱1、柱2節(jié)點處理，經承載能力極限狀態(tài)核算，滿足規(guī)范要求。

4、信息化施工

為保證拆柱改造與主梁加固施工過程的安全，整個施工過程都處于數(shù)值仿真模擬、信息化監(jiān)測、格構柱分批卸載的控制下。

4.1信息化監(jiān)測布點。根據正常使用極限狀態(tài)的荷載條件，采用ANSYS仿真軟件計算得到加固后框架梁將產生7mm的下沉。

根據仿真軟件的計算結果，框架結構上應力測點和變形測點，應力測點主要布置在梁1、梁2和柱1、柱2的受拉區(qū)，立柱割除周邊格構柱上，采用表面弦式應變計做應力測試；變形監(jiān)測點布置在梁1、梁2跨中部位、主次梁相交位置，采用徠卡全站儀和反光膜片配合變形測試。

4.2格構柱設計與布置。采用2根[28a組成截面尺寸為220mm×280mm的格構柱，其綴板為10mm×150mm×150mm的Q235級鋼板，間距700mm，與槽鋼采用8mm高角焊縫焊接。格構柱兩端設置10mm厚500mm×500mm鋼板，上端與主梁、下端與樓板均采用4個化學螺栓固定。

在正常使用極限狀態(tài)的荷載條件下，格構柱在立柱切割后，最大軸力為628kN。取上述參數(shù)能夠滿足格構柱強度、繞實軸穩(wěn)定性、繞虛軸穩(wěn)定性、分肢剛度、綴板焊縫強度、柱腳焊縫強度和柱身對接焊縫強度的規(guī)范要求。

二、結語

通過大跨度拔柱固梁的案例，采用三維有限元軟件對結構改造設計、加固施工、監(jiān)測控制進行全程仿真分析，結合改造后效果來看。鋼筋混凝土拔柱托梁加固技術的探討將為同類型工程提供實踐參考價值； 在進一步的工作中，將對存在多個界面的混凝土疊合梁綜合受力性能和長期可靠度展開研究。