大跨度托梁拔柱关键技术的应用实践

大跨度托梁拔柱关键技术的应用实践
王胜忠
【摘要】：通过托梁拔柱实现建筑空间扩展在工程中并不少见。如何保证结构在改造后新的受力体系下的绝对安全、避免和控制裂缝的产生是其中的技术难点。本文以某商住楼托梁拔柱改造加固工程为例,介绍了工程中创新采用的断柱反顶、体内后张拉预应力等多种特种技术手段，且施工中运用了“先切柱、再加固、后托梁”的施工流程打破了常规遵循的“先加固 再托梁 后切柱” 原则，成功实现满足了托换结构体系跨度大、截面小、刚度大、裂缝小的更特殊更严格的业主使用要求。并对托梁拔柱的方案设计、施工关键技术、质量控制要点、施工监控方法等进行了阐述和探讨,为类似工程提供了实践经验和借鉴。
【关键词】：托梁拔柱 断柱反顶 后张法预应力 卸载 结构加固 电子监测

一、前言
目前，建筑业的发展已由大规模的新建时期转到新建与维修改造并重时期，一些原有建筑物都面临着改造加固问题，托梁拔柱作为解决扩大柱距问题的一种较好的技术方法得到了广泛应用。托梁拔柱是托屋架拔柱、托梁拆墙及托梁拔柱的总称，是在不拆或少拆上部结构的情况下实施拆除、更换、接长柱子的一门综合性技术，包括相关结构加固技术、上部结构顶升技术及断柱技术等，适用于因使用功能改变及生产工艺更新，要求改变平面布局、增大使用空间的旧建筑厂房改造等。与传统的大掀盖改造相比，托梁拔柱法具有对生产及生活影响较小、改造时间短、费用经济等优点，其缺点是技术要求较高，安全措施必须周密。
二、工程概况
某商住楼为三层框架结构,其中地下两层（层高3.8m）、地上一层（层高8.8m）,屋面层为露天景观和空中泳池，基础为桩基。因一层改作电影院使用功能需要，使用方要求扩大使用空间需将两根原框架柱拔掉,位置如图1所示。由于该商住楼住宅已交付使用,因此拔柱时不能对屋面层上部结构造成影响,特别是不能因拔柱造成上部结构开裂导致泳池渗漏水等。为满足该建筑抗震和结构安全的需要，经计算复核及论证后采用了断柱反顶、体内后张拉预应力、化学植筋及加大截面等多种特种技术手段对原结构进行加固处理后，成功安全完成了拔柱改造施工。
图1
三、加固设计思路
1、拔柱后结构内力变化分析:拔柱后该柱上部梁的跨度增加，同时内力也会随之发生较大的变化。如图2（a）所示，拔柱前该柱两侧的梁截面承受较大的负弯矩和正弯矩；拔柱后却承受较大的正弯矩；另外，拔柱前后结构形式发生改变，导致原来梁的配筋不满足设计复核要求。结构的受力传递路径在拔柱后也会发生改变，一般有两种情况：1.原结构仅在一个方向是主框架平面，则所拔柱上的荷载绝大部份将传递给主框架平面两边的柱；2.原结构在两个方向均为主框架平面，则所拔柱上的荷载将通过两个方向的框架梁传递给周边相邻的四个柱子。

图2 (a) 抽柱前M图 图2 (b) 抽柱后M图
2、托梁拔柱设计计算程序是：1、计算拔柱前原结构内力；2、研究确定拔柱后结构新的传力路线及计算简图，并计算其内力。
3、加固方案选择与优化：根据工程的实际情况建模计算，分析计算结果表明原结构梁板柱都需加固处理。经比选优化设计中主要采用混凝土框架梁增大截面并加设体内预应力法、同时框架梁双向跨度变大板下增设十字梁；混凝土框架柱采用增大截面法既解决柱刚度突变问题同时满足了梁体内预应力后张拉的锚固需要。对于钢筋混凝土结构的加固通常有如下几种方法:增大截面法、外包钢法、粘贴钢板或碳纤维法、体外预应力法等；上述加固方法中，增大截面法、外包钢法和外贴钢板或碳纤维法等被动加固方法在一定的适用条件下存在应力滞后变形大的局限性。由于本工程托换梁上部为景观及泳池，荷载较大，因此托换梁承受的弯矩也较大，按安全使用及裂缝控制至泳池不开裂渗漏则要求托换梁需有较大的刚度，同时为了降低托换梁的高度和控制托换梁的变形开裂，决定采用加大截面并加设体内预应力张拉技术对托换大梁进行加固，以预应力反拱主动作用抵消托换大梁在托换荷载作用下产生的挠度变形，减小裂缝宽度。另外附加的特殊措施是在托换梁浇筑前断柱反顶，利用千斤顶进行加载预顶，这时上部结构会有微量的顶升反拱，使浇筑后的托换梁的挠度变形量大部分被消除，从而抑制消除了上部结构的变形开裂而满足泳池不开裂渗漏安全耐久使用的要求。
四、关键技术的施工应用
“托梁拔柱”加固工程施工顺序一般有2种方案。一是先做好支撑卸荷，截柱后再实施梁柱加固；二是先做好梁柱加固，再截柱。第1种方案优点体现在可以把框架柱中原混凝土全部替换掉，而缺点是对支撑卸荷措施的要求比较高；第2种方案优点体现在施工比较简单，支撑卸荷措施简单易行，而缺点是框架柱中原混凝土无法替换掉而需采用设计措施补强节点处理。本工程采用第1种施工方法。整体施工主要流程如下：支撑卸载——断柱反顶——框架梁柱增大截面加固——增设十字梁加固——预应力张拉锚固——拔柱
其中关键技术的施工应用包括：
1、卸载：为了使新老混凝土协同受力，加固梁柱结构体系内力、应力应在低应力（甚至零应力）状态时进行加固。本工程采用了满堂支撑卸荷，保证加固的有效及施工过程的安全。
2、断柱反顶：由于拔柱后托换梁受荷会产生下挠变形，为了保证拔柱后控制下挠度避免产生裂缝，本项目创新采用了断柱预顶后浇托换梁办法对其进行反顶预起拱的特殊方式处理。先在柱下部采用型钢抱柱法形成上下托盘平台，托盘平台间安装4台千斤顶，千斤顶底顶部以铁板垫平楔紧。断柱采用水钻钻排孔方式作业。顶升高度是根据上部结构永久荷载、结构自重及活载等通过计算确定。反顶时所有千斤顶统一指挥统一加压并等速顶升保证顶升增量一致。反顶过程采用顶升位移与支顶反力进行双控，同时需严格监测密切注意结构及其附属部分是否有异常，如有应立即停止施工，分析原因并采取正确措施后继续施工。
3、体内预应力施工：预应力加固法的受力特点属主动受力,主要是通过钢绞线的张拉,让混凝土收拉区主动受力，相当于在原构件基础上施加一套与恒载和活载产生的相反效应的等效荷载,和原构件形成桁架的受力形式,可从根本上提高构件的承载能力和控制裂缝及挠度,并缩小甚至闭合裂缝。本工程采用体内预应力，进一步解决了体外预应力防火及后期维护和耐久性问题。
张拉前应对千斤顶与油表由有资质的试验检测机构在万能机上按主动态(即和张拉工作状态一致)方式进行配套标定。按设计要求,预应力筋采用一端张拉。预应力筋张拉程序如下：0→0.1σcon (量初值) →σcon ( 量终值) →锚固预应力托换大梁施工。先预埋波纹管和锚具，穿入预应力筋，再浇筑混凝土。在浇筑过程中，不时抽动预应力筋以防止漏浆可能造成的不利影响，露出锚固的预应力筋用塑料薄膜及防水胶带封闭。预应力钢铰线需等梁混凝土强度等级达到80%以上时方可进行张拉，张拉过程中及时监测预应力筋伸长值及回缩量。
4、电子监测：托梁拔柱施工过程的须全程监测。在断柱的顶升过程中，必须监测柱是否发生平移、倾斜及其他结构变化情况。施工中采取人工、先进的电子监测仪器、电脑相结合的做法。顶升时在梁柱上设贴标尺及应变片等，通过高精确度的电子仪器对顶升量、结构变形、整个施工过程等进行位移及倾斜情况监测，并将所有仪器的监测记录输入电脑，通过电脑的汇总、分析与人工观测结果进行比较，确定施工对结构的影响情况，并对结构变形开裂提供预警，为施工及处理决策提供数据支持和依据，一旦发现问题，及时采取处理措施，确保安全施工。采用的电子监测设备包括：
（1）裂缝宽度测试仪：主要用于检测并记录、计量结构表面等裂缝宽度的定量检测。
（2）电子倾角仪：在结构两个水平位置及被托换结构顶部安装此仪器，它利用具备ＭＥＭＳ加速度传感器技术，并采用信号采集、放大及补偿等技术，其纵横向精度为２秒，直接显示角度值、测量角度范围宽、定量化测量偏离水平面方向的角度的功能。
（3）电子位移计：在顶升中，它主要用于测托换时，结构的抬升或沉降量。显示屏是自带的，能直接显示测值。通过下栏的菜单修改参数。端口可直接连打印机现场打印某个时间段数据。

（4）静态应变测量系统：:可自动、准确、可靠、快速测量大型结构、模型、及材料应力试验中多点的静态应变应力值。可对多点静态的力、压力；扭矩、位移等物理量进行测量。
五、施工注意事项
1、强化顶升过程的施工管理。顶升过程中，应明确现场指挥人员，统一指挥各操作手进行顶升，强调幅度一致、用力均匀、读数准确，并随时注意测量高程，保证千斤顶同步、均匀顶升。顶升过程中要及时在断柱间隙加垫钢片并楔紧以防千斤顶失稳。
2、植筋施工若植入梁柱构件打穿还不能满足锚固要求的，为达到预期的锚固效果，植筋穿透后需与加设的后锚固钢板（10mm厚）焊接连接，其他钢筋驳接采用套筒连接。
3、由于采用了后锚固的植筋技术，施工时需用钢筋探测仪对拟植入构件进行钢筋探测，以免把钢筋打断。
4、梁增大截面或新增梁施工时需在原梁或柱上钻孔穿筋，钻孔必会损失截面，原梁柱承载力会有临时性降低。为保证施工安全，在钻孔作业时必须对受影响范围的楼板及梁柱进行有效支撑卸荷。
5、梁柱增大截面浇筑混凝土或灌浆料灌注施工时，要求模板拼合严密，接缝处采用胶条密封，确保不跑浆，以期浇筑或灌注密实、外观平整。
6、为了保证施工过程的安全性及验证理论计算的正确性，对整个施工过程进行全程跟踪监测、对比及分析以正确指导施工。
六、加固效果评价
本次托梁拔柱顺利竣工后，使用裂缝显微镜对相关梁板进行了裂缝观测，未发现任何裂缝，实现了上部水池安全与不开裂渗漏的目的。并且由于使用了体内预应力，相对传统的体外预应力，可以避免体外预应力养护困难、耐久性差的弱点，具有一定的推广价值。
七、结论
托梁拔柱往往技术要求高，施工难度大，合理地进行托换结构的加固设计、加强施工过程中各环节的管理和监控，是保证托梁拔柱工程安全可靠的关键。
本工程在方案选择、工艺实施、绿色施工诸多方面均进行了优化，并将断柱反顶、体内后张拉预应力等多种特种技术手段引入了既有建筑托梁拔柱改造加固工程中,突破了国内目前关于托梁拔柱改造的几种常规加固方式,取得良好的效果。通过现场跟踪监测，实测结果和理论计算结果基本吻合，为托梁拔柱的改造方法的探索与创新作出了有益的尝试,以指导类似工程的设计及施工。

参考文献
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[4] 刘航等.预应力转换梁在托梁拔柱中运用[J].建筑技术，1999，30（12）：855-857