大跨度连续托梁换柱施工技术

沈荣飞1 郑 伟2

1. 苏州工业园区金鸡湖城市发展有限公司 江苏 苏州 215000；

2. 苏州中固建筑科技股份有限公司 江苏 苏州 215001

摘要：为实现框架结构增大空间的功能改造，提出了一种框架结构大跨度多层整体连续抽柱施工方案。基于复杂空间结构施工阶段的体系转换，采用有限元软件模拟了支撑结构底部抗剪梁的力学效应，分析了小剪跨比梁的挠度应力，保证了支撑的承载力要求；同时对格构柱的支撑传力模式进行了建模分析，考虑加固梁失效和不失效两种状态，保证了结构安全。

关键词：托梁换柱；大跨度整体连续抽柱；PLC（可编程逻辑控制器）同步顶升；空间模型；结构监测

中图分类号：TU755 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2018)07-1134-03 DOI：10.14144/j.cnki.jzsg.2018.07.028

Construction Technology of Long-Span Continuous Replacing Columns by Supporting GirdersSHEN Rongfei1 ZHENG Wei2

1. Suzhou Industrial Park Jinji Lake Urban Development Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215000, China;

2. Suzhou Zhonggu Building Technology Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215001, China

1 工程概况

苏州中心广场项目位于苏州工业园区湖西CBD核心区域（图1），项目总占地面积约15.4 hm2，规划地上总面积约1 300 000 m2，地下总建筑面积约500 000 m2，共分为外圈H、D、E街区和内圈A、B、C街区。

L6L5L4L3L2L1B1B2B3

S03Z8待拆除

Z5待拆除

L6L5L4L3L2L1B1B2B3

S02Z5待拆除

SE1SC1SD1SE1SF1图1 苏州中心现场

S03S04S05图2 拔除柱剖面示意

本次苏州中心广场苹果公司店铺（下称“苹果店”）改造工作涉及到的区域位于已建结构的B区，本项目的基本改造内容是：梁、柱加固，抽柱，楼面开洞形成中庭等改造。在苹果店范围内拔除Z5、Z8两根柱（S03轴线位置/

SE1、SD1），抽柱剖面见图2，柱位如图3所示。柱位图在

SD1SE1L2楼层相关区域开洞形成中庭，同时考虑后期L2层此处中庭楼板的恢复设计。

SC1

8 4008 4004 200

SO2

4 2003 6003 6003 600

10 800

SO3

SO4

8 400

作者简介：沈荣飞（1972—），男，工程硕士，高级工程师。

通信地址：江苏省苏州市苏州工业园区苏州大道西2号国际大厦9楼（215000）。电子邮箱：srf@sipjud.com收稿日期：2018-01-31

图3 托换梁平面示意

2 大跨度多层整体抽柱改造加固方案的选择

本次托梁抽柱施工共提出了3种技术，方案1为预应力托换技术，方案2为梁柱增大截面及梁柱节点加固技术，方

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案3为原结构增加钢桁架形成组合受力结构。

预应力托换技术是目前一种新兴的施工技术[1-4]，考虑到苏州中心苹果店作为综合商业体，其加固设计年限要求高，预应力技术考虑后期的预应力损失和失效问题可能会缩短使用年限，因此该方案仅可用作比较方案；原结构增加钢桁架形成组合受力方案存在二次受力问题，其加固传力体系目前计算理论尚无明确的标准规范，因此，该方案也只能作为备选方案；增大截面技术主要为：在梁4个方向增设钢结构围套，2个方向主梁均采用增大截面加固法加固。原主梁四周再布置抗剪焊钉剪力键，增加新老混凝土结构的连接，保证新老混凝土的共同受力，该方案技术成熟可靠，加固效果明显。

综合上述分析，以增大截面施工技术作为多层整体抽柱改造的最终推荐方案。

3 大跨度连续托梁换柱施工实施方案

3.1󰀡大跨度连续托梁换柱抽柱前结构加固

在加固结构的强度和力学性能不满足设计指标要求时，不得强行抽柱。对于设计要求先加固后拆除的，必须按照设计要求进行加固；先拆除板，再拆除次梁，最后拆除主梁；对于拆除后保留结构需要临时支撑的，必须采取临时支撑措施。

本工程加固的重点和难点是梁柱节点位置，现场实施方案：在梁4个方向增设钢结构围套，并采用连接钢板将围套焊接成整体，以保证原梁在节点位置4个方向上力的传递，增加传力路线，增大梁端的截面刚度。梁柱节点位置采取围套施工加强（图4）。

混凝土梁加大截面新增顶筋0050原混凝土柱，待拆除04原柱钢板， =20 围套t钢板， =20与围套坡口焊t混凝土梁加大350500350截面部分图4 围套施工

3.2󰀡大跨度连续托梁换柱抽柱结构托换支撑系统

苏州中心改造施工期间，室内无大型吊装设备，格构柱的拆除层间运输困难，为此，创新性地提出了工具式格式柱的设计思想。可拆卸式格构柱标准节自重在2 000～ 3 000 N范围，长度0.6～1.0 m，在大型塔吊和吊装设备不具备施工作业条件的情况下，可以采用施工电梯、卷扬机

吊装即可，能适应复杂的施工边界条件。可拆卸式格构柱材料采用M20高强螺栓连接，可以按照建筑标高做成标准节和调高节段，方便组装和拆除。格构柱顶部和底部均采用厚度2 cm、高度20 cm的Q235钢板做成加劲肋，防止在托换荷载的作用下局部应力集中而出现变形。设计时兼顾考虑了下一层梁体的抗剪验算，对下一层梁体的附加荷载最小。底部采用化学锚栓和原梁连接为整体，可以防止平面内的失稳倾覆（图5）。

原有梁增大截面后梁顶部钢板千斤顶顶部加劲肋节点板缀板肢件待抽除柱格构柱底部加劲肋高强螺栓底部钢板化学锚栓下层承重梁图5 可拆卸式托梁换柱支撑总体布置3.3󰀡大跨度连续托梁换柱抽柱结构切割切割采用最新的无损切割中的链式切割技术。室内大型施工设备受的吊装方法：考虑到结构内部大型吊装设备无法作业，吊装能力有限，故必须对置换下来的节段进行精细化分解，综合考虑吊装能力，最终确定切割节段的长度，分块质量应根据吊装能力以1.0～1.5 t较佳。选取在切割柱体总高两端1/3处采用钻孔机各钻出吊装孔，孔径25～30 mm为佳。被拆除的构件应避免因集中堆放造成楼板应力集中而影响结构安全。

3.4󰀡大跨度连续托梁换柱抽柱结构监测

由于是在既有结构上进行局部改造加固，致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，对邻近原有结构产生一定影响。所以在整个改造加固

过程中，需要对改造加固区域和原有建筑区域进行应力应变和变形监测。

监测内容：

1）加固改造施工前的加固区域内及相邻周边梁、柱应力应变测点的布置，构件初始值读取。

2）加固改造施工过程中，加固区域内及相邻周边梁、柱的应力应变值定期采集和构件的外观和裂缝检查，梁挠度的定期监测。

3）截柱前后，加固区域内及相邻周边梁、柱的应力应变值实时采集和构件的外观变形和裂缝检查检测，梁挠度的实时监测。

4）加固施工完成后，加固区域内及相邻周边梁、柱的

建筑施工·第40卷·第7期

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应力应变值定期采集和构件的外观和裂缝检查，梁挠度的定期监测。

挠度释放采用PLC控制液压同步系统由液压系统实施。所述PLC控制液压同步系统由液压系统（油泵、油缸等）、检测传感器、计算机控制系统等几个部分组成，可以全自动完成同步移位，实现力和位移控制、操作闭锁、过程显示、故障报警等多种功能。

挠度分为N级释放，每级释放挠度的20%为佳。现场监测数据表明：抽柱瞬间结构的挠度变化远小于设计预警值，挠度发生时，内力重分布在瞬间发生，表明梁柱及梁柱节点区域加固设计施工具备足够的安全系数。体系在瞬间转化，梁的挠度释放后荷载安全传递到两侧的梁柱节点。

4 大跨径整体多层连续抽柱数值分析

在施工前，我们即对格构柱的支撑传力模式进行了建模分析，同时考虑了加固梁失效和不失效两种状态，其中加固梁失效为更不利的受力状态，建模时将2层悬臂梁和格构柱断开，格构柱和梁的抗剪验算均满足要求（图6～图8）。

图6 支撑轴力计算 图7 位移计算图8 柱轴力分布和变形

计算表明，抽柱Z5后S02-S04/SE1梁的弯矩发生了重分布，且峰值较大，主要是该梁承受了了x、y双向荷载的影响，这与实际加固是一致的，其中，梁的支撑系统的设计和安全控制是抽柱的关键。

采用通用有限元软件对B梁进行局部应力分析，

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结构梁局部应力偏大，因此在拆除2层柱时，支撑设置在2、1、B1、B2层。其间，着重对B1顶板梁新浇筑叠合梁进行截面抗剪复核：主节点富余剪力400 kN，截面700 mm×400 mm；次节点富余剪力340 kN，截面700 mm×350 mm，最大轴力传递到B1梁的剪力为284.5 kN，实际荷载存在不均匀分布。按偏保守考虑，认为一个格构柱传递569 kN剪力，则梁的富余剪力已经不满足，因此需要支撑到B2层（下部有剪力墙结构，可以满足传力要求）。

5 结语

1）提出了狭小空间支撑系统的设计和安装技术，提出了一种可拆卸式化整为零的工具式格构柱支撑。

2）托梁换柱体系转换复杂，我们针对梁柱节点加固提出了围套加固方案：梁4个方向增设钢结构围套，并采用连接钢板将围套焊接成整体，保证原梁在节点位置4个方向上力的传递，增加传力路线，增大了梁端的截面刚度。

3）复杂空间结构施工阶段的体系转换模拟分析：采用有限元软件模拟了支撑结构底部抗剪梁的力学效应，分析了小剪跨比梁的挠度应力，保证了支撑的承载力要求，同时对格构柱的支撑传力模式进行了建模分析，同时考虑了加固梁失效和不失效两种状态，其中加固梁失效为更不利的受力状态，保证了结构在最不利情况下的失效概率和结构的承载力最优化。我们认为：为了节省工期和节省材料，可以间隔布置支撑，即根据有限元数值模拟计算，支撑不必一次性设置到地下室底板。考虑到材料的循环利用和周转，本次工程提出了用连续3层的3道梁来承担1层柱切

断瞬间释放的荷载。抽柱施工期间支撑结构和支撑梁的应力挠度均满足规范要求；挠度释放采用PLC同步顶升系统控制、分级释放技术，偏于安全。

4）从支撑体系创新、监测体系创新、加固体系创新和结构传力体系创新等多方面提出了可靠的、通用性强的、经济环保的施工技术。

本工程的成功应用可为同类工程提供参考借鉴。

[1] 东南大学.混凝土结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,

2008.

[2] 张继文,刘军进,李金根,等.采用预应力技术抽除承重墙改造房屋

的应用[J].施工技术,2003,32(6):14-16.

[3] 吕志涛,张继文.预应力抽柱改造技术的研究与实践[J].江苏建筑,

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[4] KA CHI LAM,STHOMAS NG.A cooperative internet-facilitated quality management environment for construction[J].Automation in

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