抽柱改造的施工模拟监测方案

抽柱改造的施工模拟监测方案

曹辉

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司上海200092

摘要：某商业楼由于局部建筑功能改变需要一个大空间房间，要求抽掉2根框架柱，待框架梁加固完毕后抽柱拖换是关键点和难点。通过对抽柱拖换的施工过程进行计算模拟，发现结构内力和变形的变化情况，对抽柱传力路径是否按设计方案改变进行验证，为施工方案提供参考，并为以及施工监测提供验证数据。根据施工过程的计算模拟结果，为施工监测方案提供依据和指导。

关键词：抽柱拖换；施工过程；计算模拟；监测

1工程简介

本工程为商业楼，位于江苏省苏州市，建造于2010年。原结构是一栋6层现浇混凝土框架结构，地上共6层，一层和二层层高6.5m，三层和四层层高为6.0m，五层层高为6.3m，六层层高为7.2m，主体建筑地上高度38.5m；地下共三层，地下一层层高6.8m，地下二层层高4.5m，地下三层层高4.2m；基础采用桩筏基础。

土建施工完内装还未开始时，根据招商要求，局部范围内拆除二层楼板（图1阴影范围），并要求在一层、二层拆除KZ5、KZ8，使图1阴影范围形成一个较大的挑空的空间。另外，招商要求三层及以上也拆除KZ5、KZ8形成大开间的房间。

经计算分析，本工程地下室范围的KZ5、KZ8周边框架柱需采用增大截面法、粘钢法加固；地上KZ5、KZ8周边框架柱需采用增大截面法加固，抽柱后形成的大跨梁需采用增大截面法加固。

2抽柱托换设计方案

抽柱前对主梁及周边框架柱采用增大截面法[1]施工，确保梁增加的纵筋能可靠的锚固在柱子的增大截面范围内，并使加固结构具备足够的刚度和承载力，抵消抽柱后重新分布的荷载效应，保证结构安全。梁增大截面法加固的跨中截面如图2所示。在加固结构的强度和力学性能不满足设计指标要求时，不得抽柱。

在需要拆除的KZ5、KZ8的梁柱节点处设置4个钢围套加强，4个钢围套之间用钢板连接，梁加固完毕后在4个钢围套下方设置千斤顶，通过以上措施确保在柱子拆除过程中，4个千斤顶能同步工作；同时需确保KZ8拆除完毕4个千斤顶撤走之后，梁能同步工作。托换做法见图3、图4。

为了保证在拆除柱子时，柱子被拆掉的瞬间荷载转换不发生突变，拆除柱子时需要在托换梁下设置千斤顶对托换梁进行临时支撑。施工过程支撑顶部千斤顶和梁底顶紧，加固梁挠度释放后方可形成新的受力体系。

3改造加固施工顺序

根据先加固后拆除的原则，并结构抽柱托换方案，本工程的施工顺序如下：

3.1地下三层～地下一层，柱加大截面法、粘钢加固法施工。

3.2地上一层，柱加大截面施工；施工二层楼面，同时新增梁板结构，并在被拆除柱周边留施工缝；

3.3地上二层～屋面层，柱加大截面施工；梁（即托换结构）加大截面施工，同时完成其他相关构件施工；

3.4从地上六层～地上一层，逐层向下拆除KZ5、KZ8柱，每层都是先拆除KZ5后拆除KZ8；

3.5地上二层楼面，按补齐被拆柱周边梁板结构；

3.6全部施工完毕。

4抽柱托换施工过程模拟

抽柱拖换是本工程的关键点，对抽柱拖换进行施工模拟是为了发现拖换施工过程中结构内力和变形的变化情况，对抽柱传力路径是否按设计方案改变进行验证，为施工方案提供参考，并为施工监测提供验证数据。

抽柱拖换的整个施工模拟过程如下：待拖换梁加固完毕强度达到后，首先对上部托换梁进行顶升，即是为了达到抽柱卸载的目的，再对待抽柱进行拆除，最后对顶升的千斤顶进行分级卸载。

采用建筑结构分析与设计有限元软件MidasGen软件对抽柱拖换的施工过程进行模拟。以地上三层楼面下的KZ8拆除为例说明，在拆除KZ8之前地上四层至六层的KZ5、KZ8已拆除，三层楼面下方的KZ5也已拆除。第一步，模拟KZ8拆除前的工况，计算得到KZ8的柱顶轴力为2026.4kN；第二步，按施工方案，在拖换梁下方靠近KZ8处设置两个竖向约束，模拟支撑拖换梁的两个千斤顶，计算得到两个千斤顶需顶升的荷载，两个约束的反力即为两个千斤顶需分别顶升的荷载）为1117.3kN、909.1kN；第三步，模拟KZ8拆除后，千斤顶分三级卸载，用挠度来控制，第一级卸载后完成30%的挠度，第二级卸载后完成60%的挠度，第三级卸载剩余的40%，挠度也同时释放完毕，各级变形及反力详表1。该挠度为考虑拖换梁钢筋混凝土结构短期刚度，经计算该挠度为12.4m。

根据MidasGen模拟的结果可知，两个千斤顶虽然离得较近，但由于受荷范围和梁线刚度的影响，两个千斤顶需顶升的荷载是不一致的，在监测方案中应予以重视。

5抽柱托换监测方案

5.1监测思路

本项目是在原有结构上进行局部改造加固，局部改造加固区域，结构体系发生了一定改变，使得整个总体结构体系发生内力重分布。故在改造加固过程中，需要对改造加固区域和原有建筑区域进行应力和变形监测[2]。

对于改造加固区域，对托换梁区域构件进行重点监测，对主要梁和柱进行应力和变形监测。对原有建筑区域，对邻近大跨度梁的变形进行监测，分析改造区域对原有区域的影响。

在施工过程中，当结构体系发生变化导致构件位移和内力发生变化时，应进行测试，并进行分析，确保各阶段的结构安全。对于整个施工过程，主要分为施工加固阶段和体系转换阶段。施工加固阶段，整个结构体系变化较小，该阶段监测区域的内力和变形变化缓慢。在体系转换阶段，即抽柱阶段，结构体系发生变化，整个过程又详细的分为多个工况，监测区域内力和变形变化明显，应重点监测，并进行分析，确保施工安全。

在整个施工过程中，对于结构体系短时间内发生显著变化的区域，即抽柱过程的抽柱区域，拟进行连续监测。在柱子逐渐截断过程中，加固梁受力迅速增大，在这个内力和变形剧烈变化的过程中，对该区域进行连续监测，如发生异常变化，可暂停抽柱施工，分析原因，确保抽柱过程安全。在远离抽柱区域，各监测可进行间隔监测。同时在梁柱加固阶段，结构体系变化较小，内力和变形可进行间隔监测。

在改造加固施工范围之外的区域也应布置测点，以确定改造加固对未施工区域是否产生影响。该范围内容不再抽柱拖换内容之内，故本文不再赘述，本文仅叙述抽柱拖换的监测方案。

5.2监测范围

在整个抽柱拖换施工期间，进行以下监测：

5.2.1对托换梁区域内主要框架柱、框架梁、斜撑等重要受力杆件的变形、应力应变进行监测。

5.2.2对主要的临时支撑和装置进行位移和内力检测。

5.3监测工况

根据施工方案和施工顺序，从加固完毕达到强度要求开始监测，对从上至下每层的每个柱的拆除过程，均需进行监测，直至改造加固施工完毕。在后期内装施工时，也应每月定期进行监测。

5.4测点布置

根据监测原则和具体施工内容，布置相应位移测点和应力应变测点。

5.4.1改造加固区域梁的变形测点布置图

在各层加固梁拆除柱的节点区域（新加固梁的跨中）附近布置变形测点，布置电子百分表，连续跟踪监测柱子拆除过程中加固梁的变形情况。同时在支撑千斤顶的格构柱下，布置电子百分表，连续跟踪监测柱子拆除过程中格构柱的变形情况。确保柱子拆除过程中的安全。

在监测过程中，还应注意千斤顶的施加的力是否与梁的挠度相对应。

5.4.2改造加固区域梁应变测点布置

拟在每层加固梁拆除柱的节点区域，在梁下部布置钢筋应力测点，在与柱子连接的端部，在梁上部布置钢筋应力测点，连续跟踪监测在柱子拆除过程中加固梁的受力情况。

5.4.3改造区域加固柱的应力测点布置

改造区域加固柱的节点区域，上部和下部分别布置钢筋应力测点，跟踪监测加固柱的受力情况。

5.5监测预警管理

本工程采用三级监测管理作为监测管理基准，即将控制值的2/3作为警告值，控制值的1/3作为基准值；将警告值和控制值之间称为警告范围，实测值落在此范围，应提出警告，说明需商讨和采取施工对策，预防最终位移值超限；警告值和基准值之间称为注意范围，实测值落在基准值以下，说明结构是安全的。监测预警管理程序见图5所示。

图5监测预警管理程序图

6结论

抽柱改造不需要对原结构进行拆除重建，是一种非常经济的改造方式，但是抽柱改造的设计、施工的难度和风险均较大。本文通过抽柱改造工程实例，介绍了抽柱拖换的设计及施工方案，并介绍了利用有限元软件对抽柱拖换过程计算模拟的思路。根据对抽柱拖换的施工模拟计算，制定了施工监测方案。

参考文献：

[1]GB50367-2013混凝土结构加固设计规范[S]

[2]中华人民共和国建设部.建筑工程施工过程结构分析与监测技术规范JGJ/T302-2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.