曹大富，張 穎，魏 欣

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

托換技術(shù)及其在建筑加固中研究與應(yīng)用

曹大富，張 穎，魏 欣

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

隨著城市建設(shè)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(duì)房屋結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行加固改造的需求日益增多，通過分析國(guó)內(nèi)外托換技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對(duì)托換技術(shù)進(jìn)行了分類，分析了不同托換技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)和應(yīng)用范圍，并就施工中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(shè)年代的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的限制，開間與進(jìn)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(jìn)行拆除，將幾個(gè)小開間合并為大開間，或?qū)⒆≌⑥k公樓等局部拓展為大開間大進(jìn)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(xiàng)目希望將臨街底層空間進(jìn)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(yíng)性場(chǎng)所[1]。

采用托換技術(shù)對(duì)砌體結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)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(duì)其進(jìn)行加固改造時(shí)，必須充分考慮各種影響因素，在設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 托梁換柱的研究現(xiàn)狀

從上世紀(jì)中期開始，國(guó)內(nèi)學(xué)者就對(duì)托梁換柱結(jié)構(gòu)改造進(jìn)行了相關(guān)探索，1974年，云南昆鋼650車間進(jìn)行了實(shí)踐。1982年，王重穆[2]利用托梁換柱方法拔除柱子，擴(kuò)大了車間空間，經(jīng)過8年的使用證實(shí)了此方法的可行性。1988年，黎偉等[3]對(duì)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(jìn)行托梁換柱改造。上世紀(jì)90年代，以黎偉等[4-5]為代表的學(xué)者，針對(duì)特定的廠房結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)和施工中的有關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了分析，并提出了處理方法。之后很多學(xué)者對(duì)托梁換柱進(jìn)行了研究與應(yīng)用，很多的改造項(xiàng)目都屬于為了滿足工藝流程改進(jìn)的工業(yè)建筑，尤其是電力、冶金及機(jī)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(guó)外，建筑結(jié)構(gòu)加固與改造工程的研究與應(yīng)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(guó)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(diǎn)。前蘇聯(lián)從第七個(gè)五年計(jì)劃開始，將國(guó)家基本建設(shè)投資的重點(diǎn)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(dá)國(guó)家每年用于加固改造上的投資占總投資的比例達(dá)到1/2-1/3;美國(guó)勞工部2000年報(bào)告，建筑修繕與加固改造業(yè)在21世紀(jì)仍是世界各國(guó)最受歡迎的行業(yè)之一[7]，發(fā)展趨勢(shì)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(yīng)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(shí)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(gè)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(diǎn)受力性能與單梁柱節(jié)點(diǎn)有所差別，上世紀(jì)60年代開始，美日等國(guó)對(duì)框架結(jié)構(gòu)梁柱的節(jié)點(diǎn)開展了大規(guī)模的試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的抗震性能。Megget和Park[8]進(jìn)行了框架邊柱節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)試驗(yàn)，研究了節(jié)點(diǎn)區(qū)的合理配箍區(qū)間。Hayashi[9]對(duì)框架中柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究了節(jié)點(diǎn)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(jìn)行框架結(jié)構(gòu)邊柱節(jié)點(diǎn)的全尺試驗(yàn)，研究了正交梁板結(jié)構(gòu)及箍筋對(duì)節(jié)點(diǎn)混凝土的約束性能。

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

帶缺角混凝土板的研究，有助于合理評(píng)估既有樓面板的承載力，且施工方便。Park[14]通過試驗(yàn)研究，系統(tǒng)提出了鋼筋混凝土板的塑性設(shè)計(jì)方法，被各國(guó)規(guī)范所接受。國(guó)內(nèi)學(xué)者童岳生等[15]進(jìn)行了異形板的試驗(yàn)研究并提出了極限分析方法；萬(wàn)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(jì)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(jì)算方法，還較少有學(xué)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(yīng)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(shè)計(jì)、平行雙梁夾墻的承載力計(jì)算方法、帶缺角鋼筋混凝土板承載力評(píng)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(shè)計(jì)研究等，都將是工程實(shí)踐中迫切需要解決的問題。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及既有建筑大部分即將達(dá)到設(shè)計(jì)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(xué)者進(jìn)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?jī)蓚?cè)或內(nèi)部增設(shè)2根對(duì)稱的梁，并在新增梁之間通過設(shè)置的拉結(jié)筋與原墻體一起形成格構(gòu)式梁，共同承擔(dān)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(dá)到功能改造的目的。為了盡可能減少結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，目前常采用雙側(cè)對(duì)稱托換的做法。有時(shí)業(yè)主從外觀考慮，對(duì)加固改造會(huì)提出相對(duì)較為苛刻的要求，認(rèn)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(shè)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(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(shè)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(shí)混凝土的密實(shí)度難以保證，另外，如果墻體下沉控制不當(dāng)，極易導(dǎo)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(duì)基礎(chǔ)和柱需進(jìn)行較大的調(diào)整，導(dǎo)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(shí)增設(shè)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(shí)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(diǎn)在于形式簡(jiǎn)單，外觀美觀，工程量少，且傳力體系簡(jiǎn)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(duì)原墻體形成一定程度的破壞，施工中需要觀測(cè)托換梁和墻體的變形情況，保證新舊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，有時(shí)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(fèi)。

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(yù)先設(shè)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(dān)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(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)上部墻體及樓面荷載，科學(xué)設(shè)置鐵馬凳數(shù)量；施工組織設(shè)計(jì)中，還需考慮縱向鋼筋和橫向箍筋，合理設(shè)計(jì)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(shè)支撐，過程復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)。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(shí)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(shí)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(shè)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(shí)處理好加固改造過程中的各種異?，F(xiàn)象，避免施工風(fēng)險(xiǎn)，為達(dá)到這樣的目的，必須嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家規(guī)范與規(guī)程，嚴(yán)格施工流程和現(xiàn)場(chǎng)管理。

3.1 施工流程

在資料收集和現(xiàn)場(chǎng)勘查的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)鑒定意見，設(shè)計(jì)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(chǔ)及基礎(chǔ)加固；砌實(shí)墻上門窗洞口，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)墻體進(jìn)行加固，避免受剪導(dǎo)致洞角和墻體開裂；布設(shè)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(hù)；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(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行。拆除時(shí)應(yīng)注意：(1)拆除前可在待拆除的墻段上每間隔1m左右開設(shè)一道槽，以便在拆除時(shí)減小對(duì)原有建筑的振動(dòng)；(2)拆墻時(shí)從跨中向兩端拆；(3)為避免托換梁瞬間受荷，還應(yīng)控制拆墻速度，分批次逐步完成拆除工作。

3.3 支撐布設(shè)與混凝土澆筑振搗

在施工基礎(chǔ)和柱子時(shí)，要拆除部分墻體。因此，除須驗(yàn)算剩余承重墻體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿足要求外，還應(yīng)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(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)支撐。

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

因澆筑時(shí)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(qiáng)、高強(qiáng)、無收縮、微膨脹、無毒、無害、不老化、對(duì)水質(zhì)及周圍環(huán)境無污染、自密性好、防銹等特點(diǎn)。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(diǎn)，從根本上改變?cè)O(shè)備底座受力情況，使之均勻地承受設(shè)備的全部荷載。

3.4 施工準(zhǔn)備及過程監(jiān)控

施工準(zhǔn)備。建筑物加固與改造是在既有房屋基礎(chǔ)上實(shí)施的，在方案設(shè)計(jì)及工程實(shí)施之前，必須對(duì)原有建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用現(xiàn)狀和工程環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)資料收集和現(xiàn)場(chǎng)勘查，必要時(shí)，需要有資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)建筑物進(jìn)行檢測(cè)和質(zhì)量鑒定，并出具具有法律效力的鑒定報(bào)告。

過程監(jiān)控。加固改造施工過程中，需要進(jìn)行全過程的沉降、傾斜、裂縫等觀測(cè)，嚴(yán)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(shí)。對(duì)施工階段出現(xiàn)的各種現(xiàn)場(chǎng)異?，F(xiàn)象，必須根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采取合理措施及時(shí)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(guó)內(nèi)外較為缺乏，該結(jié)構(gòu)體系的延性設(shè)計(jì)、承載力計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)在滿足功能改造的前提下，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行的國(guó)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(qiáng)結(jié)構(gòu)變形情況的檢測(cè)，科學(xué)文明施工，避免結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性等方面出現(xiàn)異常問題。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278445)；江蘇省高校自然科學(xué)項(xiàng)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用研究。

TU

A

1009-7961(2015)05-0037-05