托換技術(shù)及其在建筑加固中研究與應用

曹大富，張 穎，魏 欣

(揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)

托換技術(shù)及其在建筑加固中研究與應用

曹大富，張 穎，魏 欣

(揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)

隨著城市建設的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)加固與改造已經(jīng)非常普遍，建筑結(jié)構(gòu)的加固與改造技術(shù)的研究也受到廣泛關(guān)注。采用托換技術(shù)對房屋結(jié)構(gòu)體系進行加固改造的需求日益增多，通過分析國內(nèi)外托換技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對托換技術(shù)進行了分類，分析了不同托換技術(shù)的技術(shù)要點和應用范圍，并就施工中的關(guān)鍵技術(shù)進行了綜述。

托換技術(shù)；建筑結(jié)構(gòu)；加固改造

0 引言

目前很多城市既有的砌體結(jié)構(gòu)房屋，受建設年代的經(jīng)濟與技術(shù)的限制，開間與進深均較小。隨著城市的快速發(fā)展，越來越多業(yè)主要求將既有建筑改變使用功能，如將舊房部分內(nèi)墻進行拆除，將幾個小開間合并為大開間，或?qū)⒆≌?、辦公樓等局部拓展為大開間大進深的使用面積，尤其在臨街的既有建筑改造中，較多的改造項目希望將臨街底層空間進行拓展，以滿足功能改變的使用要求，比如，改造為餐館、商鋪等經(jīng)營性場所[1]。

采用托換技術(shù)對砌體結(jié)構(gòu)房屋進行結(jié)構(gòu)改造，已經(jīng)成為既有建筑結(jié)構(gòu)加固改造的常用方法之一。但是，由于砌體結(jié)構(gòu)墻體改造難度較大，本著既要滿足建筑的使用功能，又要滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的加固改造原則，在采用托換技術(shù)對其進行加固改造時，必須充分考慮各種影響因素，在設計及施工階段，需做好關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制工作。

1 托換技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 托梁換柱的研究現(xiàn)狀

從上世紀中期開始，國內(nèi)學者就對托梁換柱結(jié)構(gòu)改造進行了相關(guān)探索，1974年，云南昆鋼650車間進行了實踐。1982年，王重穆[2]利用托梁換柱方法拔除柱子，擴大了車間空間，經(jīng)過8年的使用證實了此方法的可行性。1988年，黎偉等[3]對重鋼五廠二期節(jié)能改造工程中的一單層雙跨精整廠房進行托梁換柱改造。上世紀90年代，以黎偉等[4-5]為代表的學者，針對特定的廠房結(jié)構(gòu)形式在設計和施工中的有關(guān)技術(shù)問題進行了分析，并提出了處理方法。之后很多學者對托梁換柱進行了研究與應用，很多的改造項目都屬于為了滿足工藝流程改進的工業(yè)建筑，尤其是電力、冶金及機械等廠房居多;有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也有鋼結(jié)構(gòu);有規(guī)則柱網(wǎng)，也有不規(guī)則柱網(wǎng)。

在國外，建筑結(jié)構(gòu)加固與改造工程的研究與應用起步較早，并形成了很多較成功的案例，一些歐美工業(yè)國家在二次大戰(zhàn)后，工業(yè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)重大調(diào)整，工業(yè)建筑的改造逐步成為建筑物的加固與改造的重點。前蘇聯(lián)從第七個五年計劃開始，將國家基本建設投資的重點轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革和既有企業(yè)的技術(shù)革新，于1988年頒布了相關(guān)規(guī)范[6]。歐美發(fā)達國家每年用于加固改造上的投資占總投資的比例達到1/2-1/3;美國勞工部2000年報告，建筑修繕與加固改造業(yè)在21世紀仍是世界各國最受歡迎的行業(yè)之一[7]，發(fā)展趨勢不容小覷。

1.2 寬柱雙梁體系的研究現(xiàn)狀

鋼筋混凝土寬柱雙梁框架結(jié)構(gòu)體系是解決砌體結(jié)構(gòu)托換改造成大空間的優(yōu)選方案之一，是改造既有建筑物的一種新理念，它廣泛應用于砌體結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)的住宅、旅館、廠房、醫(yī)院等改造中，尤為適合小空間改造成大空間。一方面，支托原結(jié)構(gòu)時不改變其受力性能；另一方面，置換后形成的結(jié)構(gòu)體系亦不改變未置換構(gòu)件的受力特征，在整個改造過程中，結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換自然流暢，受力合理。

寬柱雙梁框架結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點受力性能與單梁柱節(jié)點有所差別，上世紀60年代開始，美日等國對框架結(jié)構(gòu)梁柱的節(jié)點開展了大規(guī)模的試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)梁柱節(jié)點大多發(fā)生剪切破壞，箍筋的配筋率顯著影響框架梁柱節(jié)點的抗震性能。Megget和Park[8]進行了框架邊柱節(jié)點的低周反復試驗，研究了節(jié)點區(qū)的合理配箍區(qū)間。Hayashi[9]對框架中柱節(jié)點的試驗研究了節(jié)點箍筋的連接和錨固與框架柱軸向力的相互關(guān)系。Ghobarah等[10]進行框架結(jié)構(gòu)邊柱節(jié)點的全尺試驗，研究了正交梁板結(jié)構(gòu)及箍筋對節(jié)點混凝土的約束性能。

國內(nèi)學者在唐山大地震后也進行了大量的節(jié)點抗震性能研究，1983年規(guī)范專題組通過試驗研究[11]，提出了節(jié)點核心區(qū)的抗剪強度計算公式和改善節(jié)點抗震性能的途徑。1987年高小旺等[12]提出了框架節(jié)點抗震的鑒定方法和加固措施。2006年，傅劍平等[13]也進行了節(jié)點的全尺寸試驗，研究了剪壓比、軸壓比等對節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律，但是至今為止，鮮有對雙梁直交節(jié)點的抗震性能的研究。

帶缺角混凝土板的研究，有助于合理評估既有樓面板的承載力，且施工方便。Park[14]通過試驗研究，系統(tǒng)提出了鋼筋混凝土板的塑性設計方法，被各國規(guī)范所接受。國內(nèi)學者童岳生等[15]進行了異形板的試驗研究并提出了極限分析方法；萬墨林[16]研究既有樓板的開洞問題；尚仁杰[17]利用ANSYS研究在最優(yōu)配筋的上下限值內(nèi)尋找最優(yōu)配筋的計算方法。但是關(guān)于帶缺角板在荷載作用下的塑形絞線的形成、位置以及其極限承載力的計算方法，還較少有學者研究。

目前托梁換柱技術(shù)已日趨成熟，然而該結(jié)構(gòu)體系雖有應用，但系統(tǒng)的理論研究較為缺乏。該結(jié)構(gòu)體系的延性設計、平行雙梁夾墻的承載力計算方法、帶缺角鋼筋混凝土板承載力評估、托換梁與原有混凝土板的共同作用以及外縱墻的抗倒塌設計研究等，都將是工程實踐中迫切需要解決的問題。隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展以及既有建筑大部分即將達到設計使用年限的現(xiàn)狀，托換技術(shù)的發(fā)展及前景十分廣闊，值得廣大學者進行深入的研究。

2 托換方法

2.1 雙梁托換

雙梁托換的做法，通常在待拆除墻體的頂部兩側(cè)或內(nèi)部增設2根對稱的梁，并在新增梁之間通過設置的拉結(jié)筋與原墻體一起形成格構(gòu)式梁，共同承擔荷載，然后拆除原有的承重墻，拓展既有磚混結(jié)構(gòu)建筑空間，完成加固改造，從而達到功能改造的目的。為了盡可能減少結(jié)構(gòu)的非對稱性，目前常采用雙側(cè)對稱托換的做法。有時業(yè)主從外觀考慮，對加固改造會提出相對較為苛刻的要求，認為雙托換梁結(jié)構(gòu)破壞了原有屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)美觀，加固改造工程需要結(jié)合墻厚及跨度等情況，采取墻體內(nèi)部增設托換梁的做法，在不損壞承重墻的情況下先澆筑托換梁，形成新的承重體系，待混凝土達到設計強度后再拆除承重墻，外觀上卻看不出改造的痕跡。該做法施工難度大，技術(shù)要求很高，通常在樓面板或者屋面板開設澆筑混凝土的洞口，受施工空間的限制，混凝土的振搗很困難，有時混凝土的密實度難以保證，另外，如果墻體下沉控制不當，極易導致原結(jié)構(gòu)與新增梁整體工作不協(xié)調(diào)，為避免此種情況的出現(xiàn)，一般需附加的構(gòu)造措施。而且，該方法對基礎和柱需進行較大的調(diào)整，導致難度與工程量加大，做法見圖1。

2.2 單梁托換

單梁托換的做法，在位于待拆墻的頂部只采用1根托換梁，如圖2所示，在新增托換梁兩端同時增設鋼筋混凝土柱，并與原墻體形成組合柱，梁一般稍寬于墻體，有時也可以做成與下部墻體等寬，以滿足工程改造的美觀上要求。單梁托換的優(yōu)點在于形式簡單，外觀美觀，工程量少，且傳力體系簡潔合理。不足在于施工需先拆除墻體，然后澆筑鋼筋混凝土托換梁和配套增加的鋼筋混凝土，對原墻體形成一定程度的破壞，施工中需要觀測托換梁和墻體的變形情況，保證新舊結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性，有時需要從建筑的角度出發(fā)，考慮采用扁梁以壓縮梁高，鋼筋混凝土梁的受力性能受到影響，形成材料上的浪費。

圖1 雙梁托換做法

圖2 單梁托換做法

圖3 鐵馬凳支頂做法

2.3 鐵馬凳支頂托換

鐵馬凳支頂托換做法，將上部墻體和樓面的荷載傳遞到預先設置的鐵馬凳，隨后施工縱向鋼筋和箍筋，再完成全部支模與混凝土的澆注與振搗，鐵馬凳留在托換梁中，與鋼筋混凝土托換梁共同承擔上部墻體和樓面(屋面)荷載，根據(jù)墻體厚度和上部荷載，鐵馬凳可以選用鋼管、I鋼、H鋼或槽鋼等，見圖3。加固改造設計時，需根據(jù)上部墻體及樓面荷載，科學設置鐵馬凳數(shù)量；施工組織設計中，還需考慮縱向鋼筋和橫向箍筋，合理設計其擺放位置。

2.4 型鋼式托換技術(shù)

型鋼式托換技術(shù)的做法，采用用型鋼梁柱或型鋼梁組成的格構(gòu)梁柱作為托換框架，取代擬拆除的墻體承受上部荷載。傳統(tǒng)的托換技術(shù)，墻體不拆除一般無法開展托梁安裝，只能邊拆除墻體邊加設支撐，過程復雜且耗時長。槽鋼或H鋼等型鋼托梁技術(shù)能很好地解決此類施工順序問題，該技術(shù)需在墻體洞口上方，完成托換梁安裝，實現(xiàn)荷載傳遞。具體大致包括做法A、做法B、做法C等三種，如圖4所示。

(a)

(b)

(c)

3 實施過程中的關(guān)鍵技術(shù)

托換技術(shù)加固改造既有房屋結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵在于新設置的框架梁柱體系與原結(jié)構(gòu)的梁板結(jié)構(gòu)能否協(xié)同工作，同時處理好加固改造過程中的各種異常現(xiàn)象，避免施工風險，為達到這樣的目的，必須嚴格執(zhí)行國家規(guī)范與規(guī)程，嚴格施工流程和現(xiàn)場管理。

3.1 施工流程

在資料收集和現(xiàn)場勘查的基礎上，根據(jù)結(jié)構(gòu)鑒定意見，設計加固方案之后，加固改造工程的施工順序就變得至關(guān)重要。一般施工順序包括：開挖基礎及基礎加固；砌實墻上門窗洞口，必要時還應對墻體進行加固，避免受剪導致洞角和墻體開裂；布設支撐體系和模板；施工鋼筋骨架；混凝土澆筑與振搗，拆模及養(yǎng)護；拆除托換梁下部墻體。

3.2 墻體拆除

拆除承重墻，須在梁柱結(jié)構(gòu)的混凝土達到設計強度后進行。拆除時應注意：(1)拆除前可在待拆除的墻段上每間隔1m左右開設一道槽，以便在拆除時減小對原有建筑的振動；(2)拆墻時從跨中向兩端拆；(3)為避免托換梁瞬間受荷，還應控制拆墻速度，分批次逐步完成拆除工作。

3.3 支撐布設與混凝土澆筑振搗

在施工基礎和柱子時，要拆除部分墻體。因此，除須驗算剩余承重墻體的強度和穩(wěn)定性是否滿足要求外，還應采取有效的支撐體系，使得上部荷載分散傳遞，特別是在有較大洞口處，應適當加強支撐。

托換框架梁、柱施工時，需在原砌體墻和樓板上鉆孔、鑿洞作業(yè)，應減少對原結(jié)構(gòu)的損壞，施工期間不得對原結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響。

因澆筑時需鑿洞澆筑，故加固改造工程混凝土的和易性要好，便于澆筑，否則易造成蜂窩麻面。灌漿料具有自流性好，快硬、早強、高強、無收縮、微膨脹、無毒、無害、不老化、對水質(zhì)及周圍環(huán)境無污染、自密性好、防銹等特點。在施工方面具有質(zhì)量可靠，降低成本，縮短工期和使用方便等優(yōu)點，從根本上改變設備底座受力情況，使之均勻地承受設備的全部荷載。

3.4 施工準備及過程監(jiān)控

施工準備。建筑物加固與改造是在既有房屋基礎上實施的，在方案設計及工程實施之前，必須對原有建筑的結(jié)構(gòu)設計、使用現(xiàn)狀和工程環(huán)境進行詳細資料收集和現(xiàn)場勘查，必要時，需要有資質(zhì)的檢測機構(gòu)對建筑物進行檢測和質(zhì)量鑒定，并出具具有法律效力的鑒定報告。

過程監(jiān)控。加固改造施工過程中，需要進行全過程的沉降、傾斜、裂縫等觀測，嚴格控制與避免一些不確定因素的出現(xiàn)與影響，尤其在承重墻拆除時。對施工階段出現(xiàn)的各種現(xiàn)場異?，F(xiàn)象，必須根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采取合理措施及時解決。

4 結(jié)論

目前托梁換柱技術(shù)已日趨成熟，然而該結(jié)構(gòu)體系的理論研究國內(nèi)外較為缺乏，該結(jié)構(gòu)體系的延性設計、承載力計算方法、托換梁與原有混凝土板的共同作用以及外縱墻的抗倒塌設計研究等方面有待繼續(xù)研究。

梁的托換有雙梁托換、單梁托換、鐵馬凳支頂托換、型鋼框式托換等多種方案。加固改造設計在滿足功能改造的前提下，應嚴格執(zhí)行現(xiàn)行的國家加固技術(shù)規(guī)范與規(guī)程，保障新舊結(jié)構(gòu)有效連接，加強結(jié)構(gòu)變形情況的檢測，科學文明施工，避免結(jié)構(gòu)在強度、剛度與穩(wěn)定性等方面出現(xiàn)異常問題。

[1] 焦建華, 曹大富, 秦曉川,等.利用寬柱雙梁框架結(jié)構(gòu)改造加固砌體結(jié)構(gòu)[J].排灌機械工程學報,2015,33(1): 43-48.

[2] 王重穆. 托梁拔柱[J].冶金建筑,1982(10): 61-62.

[3] 黎偉, 吳武德, 陳國旗.工業(yè)廠房擴大柱距的“托梁拔柱”施工工藝[J].建筑施工,1988(12):30-32.

[4] 黎偉.大跨度不規(guī)則柱距廠房托梁拔柱[J].重鋼技術(shù),1991,34(2): 68-76.

[5] 修洪德.有關(guān)托梁拔柱的幾個技術(shù)問題[J].工業(yè)建筑,1995,25(5): 3-8.

[6] 吳學紅.建筑結(jié)構(gòu)加固方案的模糊優(yōu)化設計及其應用研究[D].西安：西安建筑科技大學,2003.

[7] 孫前元.在國家大政方針指引下，開創(chuàng)委員會工作新局面——第八屆全國建筑物鑒定與加固改造學術(shù)交流大會上的講話[J].四川建筑科學研究,2006,32(5):6-8.

[8] Megget L, M Park, Reinforced Concrete Exterior Beam-Column Joints under Seismic Loading[J].New Zealand Engineering,1971,7(4):341-353.

[9] Hayashi S, The Bond Behavior of Reinforcing Bars Through the interior Beam Column Joints[J].Trans. of JCI,1983,5(11):325.

[10] Ghobarah A, El-Amoury T. Seismic Rehabilitation of Deficient Exterior Concrete Frame Joints[J]. Journal of Composites for Construction,2005,9(5):408-416.

[11] 框架節(jié)點專題研究組.低周反復荷載作用下鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪強度的試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報,1983,18(2):85-91.

[12] 高小旺,李玉萍,李玉文,等.框架節(jié)點抗震鑒定與加固實例-某大樓工程質(zhì)量事故處理[J].建筑科學,1987,24(3):89-91.

[13] 傅劍平,張川,陳滔,等.鋼筋混凝土抗震框架節(jié)點受力機理及軸壓比影響的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報,2006,27(03):67-77.

[14] R.Park, T.Paulay.Reinforced Concrete Structures[M].New York: John Wiley & Sons,1975.

[15] 童岳生,錢國芳,楊智.鋼筋混凝土不規(guī)則板的試驗研究與極限分析[J].建筑結(jié)構(gòu),1996,26(2):32-36.

[16] 萬墨林.既有樓板開洞研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2007,37(S1): 1-4.

[17] 尚仁杰,李俊安,吳轉(zhuǎn)琴,等.現(xiàn)澆混凝土簡支異形板最優(yōu)配筋方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(1): 68-82.

(責任編輯:孫文彬)

Research and Application of Underpinning Technique in Reinforcement Projects

CAO Da-fu, ZHANG Ying, WEI Xin

(College of Civil Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu 225009, China)

With the development of the urban construction, building structure strengthening and retrofitting are becoming more and more widespread. Many researchers focus on the research of building structure strengthening and retrofitting technique. It is increasing day by day that many building structure systems are demanded to be strengthened and retrofitted by using the underpinning technologies. In this paper, both the domestic and abroad research status of underpinning technique were reviewed, and the underpinning techniques were classified. The construction technique points and applied range of different underpinning technique were analyzed, and some key details in the construction were summarized as well.

underpinning technique; building structure; strengthening and retrofitting

2015-04-22

國家自然科學基金項目(51278445)；江蘇省高校自然科學項目(11KJB560006)

曹大富(1964-)，男，江蘇泰州人，副教授，碩士，主要從事工程結(jié)構(gòu)加固和預應力混凝土結(jié)構(gòu)的設計理論和應用研究。

TU

A

1009-7961(2015)05-0037-05