某抽柱結(jié)構(gòu)工程改造設(shè)計(jì)

■ 金云飛 JIN Yunfei 劉 郁 LIU Yu 朱蓉蓉 ZHU Rongrong 白記東 BAI Jidong

1 工程概況

泰康健康管理研究中心二期工程位于北京市昌平區(qū)，抗震設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。地上由5個(gè)單體及單體間的連廊組成，地下室連為一體。除W單體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)之外，其余地上單體均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，連廊C 1、C 3采用鋼梁式結(jié)構(gòu)體系，C 2采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系。各單體位置如圖1所示。采用梁板式筏形基礎(chǔ)，以采用自重平衡式抗浮為主，在自重?zé)o法滿足抗浮要求的部位設(shè)置抗拔樁。

圖1 項(xiàng)目平面圖

該項(xiàng)目于2 0 1 5年完成主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)收，并于2 0 1 6年增加S W單體L 2層會(huì)議功能，抽掉③/ 軸線處混凝土柱（圖2），將局部8.4 m柱網(wǎng)調(diào)整為1 6.8 m柱網(wǎng)。S W單體為地下2層地上5層的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)Ⅲ級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)Ⅱ級(jí)，結(jié)構(gòu)總高度為2 2.5 m。被拔柱子生根在L 2層預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁上，轉(zhuǎn)換梁截面9 0 0 mm×1 7 0 0 mm，設(shè)置4 8根直徑1 5.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

圖2 L 3層平面圖（上北下南）

圖3 四層頂轉(zhuǎn)換梁簡(jiǎn)圖

圖4 五層數(shù)字軸拉索簡(jiǎn)圖

圖5 鋼斜撐簡(jiǎn)圖

本次改造范圍包括S W單體三、四層③/ 軸抽柱子時(shí)引起內(nèi)力重分配的相關(guān)區(qū)域，通過(guò)改變?cè)芰β窂?，?shí)現(xiàn)大跨的目的。改造后抗震等級(jí)不變。

2 改造設(shè)計(jì)原則

此次改造設(shè)計(jì)遵循幾條初衷：①該項(xiàng)目已近完成且投入使用，應(yīng)避免拆除報(bào)告廳裝修；②屋頂防水保溫也已近做完，應(yīng)避免屋頂加固后，后期產(chǎn)生滲漏情況。

被截柱子原軸力恒載1 5 4 6 k N，活載2 8 7 k N，組合最大值2 3 6 9 k N；原剪力X向地震1 2 k N，Y向地震1 3.2 k N（占樓層剪力0.1 5%）?？紤]到該建筑物兩端存在混凝土交通核，該柱子對(duì)樓層剛度貢獻(xiàn)較小，因抽柱子引起的地震力重新分布對(duì)周邊結(jié)構(gòu)影響也較小。因此，判斷抽柱子需主要解決的問題是靜力荷載作用下原柱子的傳遞路徑問題。本文將列舉多個(gè)改造方案進(jìn)行對(duì)比。

3 結(jié)構(gòu)改造方案對(duì)比

3.1 方案一

加大四層頂截面，并加設(shè)轉(zhuǎn)換梁（圖3）。

（1）優(yōu)勢(shì)：無(wú)需對(duì)原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行加固；原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁反拱量?。慌c裝修平面無(wú)沖突。

（2）劣勢(shì)：影響四層凈高，尤其是非挑空范圍的凈高；設(shè)計(jì)難度一般，施工周期較長(zhǎng)。

3.2 方案二

設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索（圖4）。

（1）優(yōu)勢(shì)：無(wú)需對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行加固；轉(zhuǎn)換梁反拱量小。通過(guò)合理控制索軸力，可以在一定程度上控制抽柱的影響范圍。

（2）劣勢(shì)：與目前裝修方案沖突，設(shè)計(jì)難度較大；造價(jià)高，施工難度大；拉索為受拉構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

3.3 方案三

設(shè)置鋼斜撐（圖5）。

（1）優(yōu)勢(shì)：無(wú)需對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行加固；轉(zhuǎn)換梁反拱較??；斜撐為受壓構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)容易。

（2）劣勢(shì)：與目前裝修方案沖突，設(shè)計(jì)難度較大。

3.4 確定方案

對(duì)比上述方案，考慮到方案二的拉索拉力較大，節(jié)點(diǎn)處理較為困難；而經(jīng)與業(yè)主協(xié)調(diào)，可通過(guò)后續(xù)的裝修來(lái)減少南北向設(shè)置支撐所帶來(lái)的影響。因此，最終采用方案三，設(shè)置鋼斜撐。

4 結(jié)構(gòu)改造分析與設(shè)計(jì)

4.1 防倒塌分析

考慮該項(xiàng)目拔柱的特點(diǎn)，為避免施工過(guò)程中發(fā)生意外情況，根據(jù)已有配筋，采用防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。

4.1.1 方法一

按照美國(guó)國(guó)防部《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)》（U F C 4—0 2 3—0 3）（簡(jiǎn)稱D o D 2 0 0 5）施加荷載，荷載組合為：1.2D L+0.5L L+0.2W，其中，D L為恒荷載，L L為活荷載，W為風(fēng)荷載。

將上述荷載并考慮動(dòng)力放大系數(shù)D I F 2.0，施加到S A P 2 0 0 0結(jié)構(gòu)模型中，S A P 2 0 0 0先按照實(shí)配鋼筋設(shè)置塑性鉸模型。塑性鉸模型計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

4.1.2 方法二

按照D o D 2 0 0 5的修訂版D o D 2 0 0 9，采用拆除構(gòu)件法對(duì)其進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌研究[1]。該研究結(jié)果可以用于同類結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的依據(jù)。使用S A P 2 0 0 0進(jìn)行數(shù)值模擬，施加與原柱子相等的反向荷載于結(jié)構(gòu)上，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)撤出該荷載。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖7所示。梁柱端部截面設(shè)置了塑性鉸，采用拆除構(gòu)件法，對(duì)其進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。

4.1.3 分析

結(jié)合以上分析結(jié)果，現(xiàn)有構(gòu)件承載力能滿足防連續(xù)倒塌，分析其原因，主要是由于層數(shù)較少（只有1層），荷載相對(duì)較小。但在實(shí)際過(guò)程中，還是采取了臨時(shí)支撐，避免加載突然。

4.2 L 2層預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁分析

圖6 計(jì)算結(jié)果

對(duì)比表1發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換梁上節(jié)點(diǎn)荷載（原被抽柱荷載）位置的改變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換梁上的荷載重新分布：①?gòu)澗赜兴鶞p少，其原因是荷載作用位置至支座處的距離減少；②南側(cè)支座剪力減少，北側(cè)支座附加增加，原因是原被抽柱荷載通過(guò)斜撐傳遞到兩邊柱上，兩側(cè)柱軸力增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換梁剪力有所增加。復(fù)核已有箍筋和預(yù)應(yīng)力切向分量[2]的作用，承載力滿足改造后需求。

4.3 施工模擬分析

采用Y J K模擬拔柱子情況是關(guān)系到后續(xù)分析的重要環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)將通過(guò)施工模擬步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。在模擬過(guò)程中，抽柱相關(guān)范圍內(nèi)四層頂及五層頂結(jié)構(gòu)定義為最后一步加載構(gòu)件（圖8）。計(jì)算得Y J K南、北兩邊支撐軸力分別為1 6 6 4 k N、1 2 8 3 k N，相差1.2 9倍。若不考慮相關(guān)范圍，最后一步加載Y J K南、北兩邊支撐軸力分別為1 9 4 1 k N、9 9 6 k N，相差1.9 5倍。

采用S A P 2 0 0 0進(jìn)行施工模擬，并通過(guò)非線性階段施工靜力工況實(shí)現(xiàn)。按增加1層結(jié)構(gòu)便施加1層荷載的順序，至屋頂后增加斜撐，最后拆除柱子。計(jì)算得到南、北兩邊支撐軸力分別為1 1 2 4 k N、1 3 3 5 k N，相差1.1 9倍。與Y J K施工模擬分析結(jié)果接近，說(shuō)明該方法是可行的。

4.4 節(jié)點(diǎn)分析

新增鋼支撐與原結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)相對(duì)復(fù)雜，采用有限元對(duì)比分析不同方案下錨栓、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況（圖9、1 0）。①方案一：下柱上端完全封閉，上柱下端三面包鋼板；②方案二：下柱上端、上柱下端三面包鋼板；③方案三：下柱上端、上柱下端完全鋼板封閉。

圖7 計(jì)算簡(jiǎn)圖

三種方案錨栓計(jì)算結(jié)果見圖1 1～1 3。結(jié)果顯示，對(duì)錨栓受力影響不大，錨栓最大拉力約1 6 k N；最大剪力約2 2 k N。三種方案對(duì)連接鋼板應(yīng)力基本一致（圖1 4～1 6），最大應(yīng)力出現(xiàn)在斜撐翼緣與梁連接處應(yīng)力集中，面積很小且應(yīng)力集中系數(shù)不超過(guò)1.1，可以接受。為減少角部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，端部?jī)蓚?cè)將在設(shè)計(jì)圖紙中增加封板減少應(yīng)力集中。

通過(guò)以上分析可見，現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)形式可滿足斜撐傳力要求。從各方案比較結(jié)果顯示，四面圍鋼與三面圍鋼從錨栓、連接板、原結(jié)構(gòu)及方面受力均無(wú)明顯變化。從結(jié)構(gòu)整體受力角度考慮，最后采用上、下均四面圍鋼的節(jié)點(diǎn)方案。

4.5 施工步驟

（1）梁底面?zhèn)让嬲充?，等膠達(dá)到強(qiáng)度后，安裝臨時(shí)支撐及測(cè)量?jī)x器、儀表等（圖1 7）。

圖8 Y J K施工模擬計(jì)算簡(jiǎn)圖

表1 不同改造加固方式所引起的改造部位數(shù)量

圖9 有限元單元節(jié)點(diǎn)模型

（2）臨時(shí)支撐預(yù)加軸力（單個(gè)千斤頂預(yù)加軸力1 0 k N），進(jìn)行五層相關(guān)構(gòu)件的加固改造：①樓板局部開洞，五層頂節(jié)點(diǎn)區(qū)粘鋼；②③軸柱外包鋼柱子，樓板鋼筋與柱子外包鋼板進(jìn)行連接；③進(jìn)行梁頂粘鋼加固；④鋼板與外包鋼柱焊接，黏鋼板采用壓力注漿；⑤樓板碳纖維布加固。

（3）架設(shè)鋼斜撐，進(jìn)行與周邊構(gòu)件連接。

（5）卸載如圖1 7所示的1、4號(hào)千斤頂2 0%荷載。

（6）卸載如圖1 7所示的2、3號(hào)千斤頂2 0%荷載。

（7）循環(huán)（5）、（6）步驟，直至千斤頂完全放松。若位移達(dá)到預(yù)警值，而千斤頂仍未松開，則需要進(jìn)行排查，等處理完后方可在繼續(xù)。

（8）拆除柱子及周圍支撐結(jié)構(gòu)，清理現(xiàn)場(chǎng)，完成拆除工作。

4.6 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

圖1 0 三種方案區(qū)別

圖1 1 方案一錨栓受力情況

圖1 4 方案一鋼結(jié)構(gòu)受力情況

圖1 2 方案二錨栓受力情況

圖1 5 方案二鋼結(jié)構(gòu)受力情況

圖1 6 方案三鋼結(jié)構(gòu)受力情況

（1）本項(xiàng)目黏鋼板厚度≥5 mm時(shí)，采用壓力注膠；黏鋼板厚度＜5 mm時(shí)，手工涂膠。現(xiàn)場(chǎng)焊接部位應(yīng)先焊接，然后局部壓力灌膠。

（2）采用錨栓時(shí)，先用鋼筋探測(cè)儀準(zhǔn)確標(biāo)定出原鋼筋的位置，然后再鉆孔，以免損傷原受力鋼筋。鋼板上對(duì)應(yīng)的錨栓留孔應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。局部關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)見圖1 8、1 9。

（3）考慮項(xiàng)目為新建，故改造后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為5 0年，膠體材料應(yīng)符合《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》（G B 5 0 0 1 0—2 0 1 0）第4.2.2條，應(yīng)通過(guò)耐濕熱老化能力和耐長(zhǎng)期應(yīng)力作用能力的檢驗(yàn)的規(guī)定。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

考慮到本次改造加固相對(duì)復(fù)雜，且內(nèi)力重分配影響構(gòu)件較多，在本項(xiàng)目關(guān)鍵部位采取監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間為拆柱子前一天至卸載結(jié)束后一周。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如下圖2 0。

圖1 7 施工步序圖

圖1 8 吊柱梁底封板

5.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5.1.1 鋼斜支撐

圖2 1中，橫坐標(biāo)為監(jiān)測(cè)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，縱坐標(biāo)為應(yīng)力值（之后的應(yīng)力分析圖均與此相同）。開始拆除柱子時(shí)，H型鋼的應(yīng)力有明顯的變化，隨著柱子的拆除向著負(fù)向擴(kuò)展，柱子拆除后的應(yīng)力最大值為2 5 MP a，表現(xiàn)為壓應(yīng)力。柱子拆除1 d后，H型鋼的應(yīng)力測(cè)試用各傳感器的數(shù)值均區(qū)域平穩(wěn)。直到拆除支撐時(shí)，應(yīng)力又出現(xiàn)波動(dòng)，但與拆除柱子相比，變動(dòng)不大；拆除后，應(yīng)力再次穩(wěn)定到一個(gè)數(shù)值，直到拆除支撐后的1個(gè)星期。最終的應(yīng)力最大值為3 0 MP a。

5.1.2 四層頂加固梁

圖1 9 斜撐下節(jié)點(diǎn)

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試數(shù)據(jù)共有兩次明顯變動(dòng)，分別出現(xiàn)在拆除柱子和卸除支撐的過(guò)程中，而其他時(shí)刻加固梁的應(yīng)力基本保持不變。其中，2號(hào)點(diǎn)下最大應(yīng)力為3 0 MP a（圖2 2）。

5.1.3 中間吊柱

本工程在中間立柱的東側(cè)和西側(cè)各布設(shè)了1組應(yīng)變花，分別包括3個(gè)傳感器。在整個(gè)測(cè)試的過(guò)程中，兩組傳感器表現(xiàn)為基本相同的變化規(guī)律，即在柱子拆除和卸除支撐時(shí)應(yīng)力有所突變，但是整個(gè)過(guò)程中變化不大，最大應(yīng)力值約1 5 MP a，軸力4 8 0 k N，小于材料強(qiáng)度（圖2 3、2 4）。

5.1.4 變形監(jiān)測(cè)

隨著柱子拆除和支撐卸載，6個(gè)位移測(cè)點(diǎn)（圖2 0）中測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)5的數(shù)值有所增大，其他位置的位移變動(dòng)不大。測(cè)點(diǎn)2為被拆除柱子下端，相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)5在被拆除柱子的上端位置，其變動(dòng)數(shù)值很小，分別為-0.2 5 mm和1.8 5 mm；且測(cè)點(diǎn)5為下沉，測(cè)點(diǎn)2為上升。拆除支撐后3天，位移均變成平穩(wěn)，數(shù)值變動(dòng)在0.1 mm以內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于安全態(tài)（圖2 5）。

5.2 理論分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為拔柱整個(gè)改造過(guò)程和之后1周內(nèi)相關(guān)構(gòu)件應(yīng)力和位移的測(cè)試，對(duì)比監(jiān)測(cè)和理論分析如下。

5.2.1 H型鋼斜撐應(yīng)力分析

在拆除柱子及卸載當(dāng)日，兩側(cè)鋼斜撐有明顯的受壓應(yīng)力發(fā)生，剝離彎矩等因素影響，取中段腹板上應(yīng)力平均值。北側(cè)斜撐應(yīng)力最大值為1 7.5 MP a，支撐軸力8 7 5 k N，理論計(jì)算值為1 2 8 3 k N；南側(cè)斜撐應(yīng)力最大值為2 0 MP a，支撐軸力1 0 0 0 k N，理論計(jì)算值為1 6 6 4 k N?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)南、北方向鋼支撐測(cè)軸相差1.4倍，說(shuō)明上述Y J K通過(guò)樓層組裝方式來(lái)模擬拆柱子的方法是可行的?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)軸力小于理論計(jì)算值的原因，是設(shè)計(jì)的預(yù)留荷載大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建筑做法的真實(shí)荷載。

圖2 0 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

圖2 1 鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)

圖2 2 四層頂加固梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)

圖2 3 吊柱東側(cè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

圖2 4 吊柱西側(cè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

圖2 5 變形監(jiān)測(cè)

5.2.2 四層頂加固梁應(yīng)力分析

在拆除柱子及卸載當(dāng)日，局部應(yīng)變計(jì)發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變的小幅突變，其中，2號(hào)點(diǎn)位下側(cè)應(yīng)變計(jì)變化應(yīng)力較大，卸載之后出現(xiàn)2 0 MP a的拉應(yīng)力。

5.2.3 變形分析

發(fā)生變形的最大位置位于5層中間柱子，拆柱子及卸載結(jié)束后，豎向變形為1.8 5 mm，理論計(jì)算變形值為3.7 mm，L 2層轉(zhuǎn)換梁上2號(hào)點(diǎn)上抬0.2 5 mm。分析其原因，考慮結(jié)構(gòu)的整體空間作用變形值小于理論計(jì)算值，L 2層轉(zhuǎn)換梁應(yīng)抽柱子原作用點(diǎn)荷載消失，預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁次內(nèi)力作用產(chǎn)生輕微反拱。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)泰康健康管理研究中心二期工程S W單體拔柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的總結(jié)，結(jié)合結(jié)構(gòu)改造工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，總結(jié)了一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。

（1）通過(guò)多方案的比選，分別從影響范圍、施工難度、設(shè)計(jì)難度對(duì)比，最終確認(rèn)設(shè)置鋼支撐轉(zhuǎn)換方案。

（2）對(duì)于Y J K軟件如何實(shí)現(xiàn)抽柱子的模擬給出了施工步序加載的解決方法，并通過(guò)不同軟件進(jìn)行校核該方法的可行性。

（3）為確保結(jié)構(gòu)施工期間安全，分別進(jìn)行了防連續(xù)倒塌、節(jié)點(diǎn)分析等措施。

（4）通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。更直接的感受本項(xiàng)目抽柱加固改造引起的傳力路徑改變，內(nèi)力重分配等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。