建筑物在其施工及使用寿命期限内,可能会面临使用功能转变。这种转变若只引起荷载适当增大时,可采用增大截面法、粘贴钢板或FRP等传统加固方法。但有时建筑功能的改变对结构改造的需求是颠覆性的,涉及结构布置甚至结构体系的转变,框架结构的抽柱改造就是其中一例 ^[1,2]。

　　 图1(a)为某商业建筑的顶层(局部)结构平面,该建筑按6度抗震设防,具有2层地下室;地面以上共3层,采用现浇钢筋混凝土框架结构。由于功能改变,项目业主在经过多次论证后,确定将顶层图中的3根框架柱拆除,以满足新的使用功能对使用空间的需求。图1(b)为某2层公共建筑局部结构平面,项目建成后改为规划展览馆,需要将图中所示的③-Ⓓ轴线框架柱在标高6.600m以上的部分拆除,以布置展盘。

　　 抽柱改造的设计方案和施工方法存在多种选择,不同的选择不仅影响工程造价、施工工期,还会影响施工安全和建筑效果。因此,有必要对其中一些关键问题进行归纳。基于在钢筋混凝土框架结构加固改造设计中的多年经验,笔者将对这些问题进行分析梳理,并提出解决方案。

　　 本文所述的钢筋混凝土框架结构抽柱改造关键问题是相互关联的,可概括为:

　　 (1) 结构总体性能。框架结构抽柱后是否造成水平荷载作用下更严重的结构扭转,或形成上、下楼层间更严重的侧移刚度和楼层剪切承载力突变,这是框架结构抽柱改造中需要解决的最重要的结构概念问题。

　　 (2) 加固与拆除顺序。先加固楼、屋盖梁再拆除框架柱,还是在支撑状态下先拆除柱后加固楼、屋盖梁,会直接影响结构设计结果,并造成审美差异。

　　 (3) 支撑系统设计。如果采取在支撑状态下先拆除柱、后加固梁的方案,则正确选择支撑方案有利于保障施工安全和减小施工难度。

　　 (4) 楼、屋盖结构加固。拆除框架柱会显著改变结构的内力分布,需要合理选择楼、屋盖结构加固方案,以满足经济性和安全性的要求;地震区还必须考虑到不同加固方法在抗震性能上的差异 ^[3]。

　　 还有其他一些问题,比如材料选择、加固方案的优化等,但这些问题都包含在前述4个问题中。

　　 框架结构某楼层部分框架柱拆除后,会直接减小该楼层的侧移刚度和楼层剪切承载力,可能导致框架结构楼层侧移刚度和剪切承载能力突变;还由于拆除框架柱后改变了框架柱侧移刚度在平面上的分布,可能导致风或地震作用下结构产生更严重的扭转问题。

　　 结构的侧移刚度和楼层剪切承载力突变可能导致水平地震作用下该楼层产生严重的塑性变形集中,并构成所谓薄弱层问题。结构薄弱层和扭转现象都极可能加重地震损害,应该予以避免。与混凝土结构设计相关的国家标准 ^[4,5,6]对此都有明确的设计规定。

　　 因此,抽柱改造的结构,必须按照改造后的整体结构模型进行风和地震作用下的内力与变形分析,验算层间侧移刚度、剪切承载能力、结构扭转角等总体性能参数,必要时应通过增加抗震墙、斜撑或加强某些框架柱等办法进行处理。

　　 在框架结构抽柱改造过程中,加固框架梁与拆除框架柱的先后顺序会影响框架梁的截面设计、改造后的建筑美学效果、施工措施以及施工安全等问题。

　　 先加固框架梁后拆除框架柱施工顺序的优点为:加固框架梁的施工过程中框架柱尚未拆除,既有的竖向荷载支持能力和抵抗水平作用的能力未受影响,施工期间结构安全有保障。缺点为:加固后的框架梁构造复杂,截面宽度较大,影响美观。

　　 以图1(a)所示的结构为例,采取先加固框架梁后拆除框架柱的施工顺序。鉴于拆除目标柱后,上部框架梁的跨度翻倍,跨中正弯矩大幅度提高。受传统加固经验的影响,上述框架梁通常会采用增大截面法进行加固。由于增大截面的纵向受拉钢筋受到尚未拆除的目标柱的阻挡不能连续贯通,需要向截面两侧布置,使得截面宽度增大,如图2(a)所示。此外,由于截面增大的宽度大部分已悬出框架柱侧面以外,加固梁端部构造相应变得复杂,见图2(b)。

　　 先拆除框架柱后加固框架梁施工顺序的优点为:可以方便布置增大截面梁底部新增主筋,并能根据承载力和刚度需求控制截面尺寸。缺点为:需要使用临时支撑,并且施工安全依赖临时支撑系统的安全性。

　　 仍以图1(a)所示的结构为例,在支撑系统的帮助下,框架梁底面以下的目标柱全部或局部先被拆除,增大截面梁底部新增主筋可以顺利通长布置,梁的截面可设计成图3(a)所示,梁的新增截面宽度有可能控制在框架柱截面宽度以内,如图3(b)所示。

　　 先拆除框架柱后加固框架梁时,需要采取支撑措施。支撑系统应进行安全性验算。合理的支撑方案不仅方便施工,还能保障施工安全。

　　 任何情况下,抽柱改造时都不建议使用钢管脚手架支撑系统。由于脚手架钢管杆件过于分散,各杆件的受力情况难以确定,支撑系统安全性不明确。也不建议使用液压系统作为支撑系统,因为一旦工作状态下液压系统出现油路卸载故障,就可能导致安全事故和质量事故。

　　 抽柱改造建议采用集中布置的轴压杆件支撑系统,即在目标柱两侧集中设置压杆支撑,以承担框架柱拆除后转移的框架柱轴力。集中压杆支撑本身可划分为两种情况,即层间支撑和平台上支撑,见图4。

　　 层间支撑立于下层框架梁顶面,支撑顶面则与上层框架梁底面紧密接触,如图4(a)所示。层高较大时,为满足稳定性要求,支撑截面可能较大,相应地自重也较大。对主要使用人力安装支撑的情况,层间支撑安装比较困难。此外,层间支撑对下部楼层框架梁的梁端剪力影响很大,可能导致其剪切承载力不足。

　　 根据计算确定的框架梁新增加固截面高度,借助目标柱在梁底下部适当位置建造一个钢筋混凝土转换平台,在转换平台上设置临时支撑,以承担目标柱局部高度拆除后转移的竖向荷载,见图4(b)。

　　 平台上支撑方案具有以下优势:1)支撑系统不会改变下层楼面梁的受力状态,免除了施工期间下层楼面梁的承载力验算及可能的额外加固措施;2)支撑截面和自重明显减小,方便施工。

　　 为方便施工操作,确保支撑各方向具有相同的稳定承载力,建议采用圆形截面填充钢管支撑。钢管壁厚以5～8mm为宜,钢管长度应略短于现场实测上、下支撑面之间的高度,以确保支撑钢管能刚好安装就位。钢管上端侧面设计有水泥浆灌注口,并使其高于上层框架梁底面约200mm。钢管就位后,向管内灌注高强度无收缩水泥基灌浆料,直至水泥浆面上浮与梁底面密切接触,如图5所示。这一方案操作简单,质量容易保证。笔者在完成的抽柱改造设计中均使用这一方案,效果良好。

　　 钢管内灌注的高强度无收缩水泥基灌浆料应符合《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448—2015) ^[7]关于加固用Ⅳ类灌浆料的相关指标要求,3d抗压强度不低于40MPa,28d抗压强度不低于60MPa。

　　 钢管上、下的混凝土接触面需要粗糙化处理,有利于提高接触界面的剪切承载力 ^[8,9,10],增强支撑钢管抵抗水平扰动的能力。

　　 采用支撑时,原来由框架柱承担的轴力全部由支撑承担。无论采用层间支撑还是平台上支撑,上层框架梁在支撑点与框架柱侧面之间的剪力会显著改变,其值会减小或变成反方向剪力,而反方向剪力的大小取决于支撑轴力与梁端原有剪力的相对大小。当采用平台上支撑方案时,不影响下层框架梁的梁端剪力;当采用层间支撑方案时,下层框架梁的剪力会显著增大,其值等于原有梁端剪力叠加上支撑轴力(图6),这一剪力增量可能导致施工期间梁端剪切承载力不足,必须进行验算。

　　 计算梁端剪力和框架柱轴力时应以实际荷载状态为准(包括施工荷载),并考虑《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[11]规定的分项系数。

　　 为方便安装,应使用截面较小的支撑,因此稳定承载力是控制支撑安全性的关键。支撑应处于垂直状态,上端、下端分别与楼面梁紧密接触,使其处于轴心受压状态。

　　 当采用填充钢管支撑时,应以钢管内水泥基填充料为承载主体,并考虑钢管的约束效应。稳定承载力验算方法应按照国家标准《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014) ^[12]第5.1.10条的规定执行。

　　 平台上支撑截面通常较小,而承担的荷载可能很大,因此有必要对支撑上、下端面的混凝土进行局部承压验算。当使用填充钢管支撑时,局部承压面积可取为钢管水泥基填充料的面积。借鉴《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[4](简称混凝土规范)第9.3.10条关于牛腿顶面局部承压验算的规定,支撑下压应力应控制在0.75倍混凝土抗压设计强度以内。

　　 转换平台平面尺寸需大于框架柱截面,以能接纳支撑并满足增大截面施工为度。转换平台在支撑作用下的受力特点类似于牛腿,但所受弯矩较小,其安全性受控于转换平台与框架柱侧面之间的界面剪切承载力。为提高转换平台与框架柱侧面之间的抗剪强度,框架柱侧面应进行粗糙化处理。转换平台的高度尺寸h建议不小于其在框架柱侧面外的悬挑长度b,以确保转换平台的刚性。

　　 转换平台的配筋宜采用图7所示的构造方式,使转换平台具有承担环向张力的能力。转换平台外圈的环向钢筋焊接封闭,焊缝应使接头满足抗拉强度的要求;内圈环向钢筋采用锚固方式封闭,垂直相交的内圈钢筋越过交点继续延伸弯折锚固长度l_a。箍筋则起到固定环向钢筋并约束转换平台混凝土的作用,并满足混凝土规范关于梁最小箍筋配量的规定。

　　 转换平台应参考混凝土规范第9.3节关于牛腿的设计规定进行抗裂验算和抗弯承载力验算,其中平行于支撑中心连线的上部第一层4根纵筋4A_s应为抗弯主筋,其中A_s为单根环向钢筋的断面面积。

　　 基于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[6]和美国ACI 318-14规范 ^[13]的相关规定,结合转换平台的特点,转换平台结合面剪切承载力可按式(1)进行验算:

　　 ${\rm N}\le \mu A{}_{\text{s}\text{t}}f{}_{\text{y}}(1)$

　　 式中:N为框架柱拆除前的轴力;μ为等效摩擦系数,根据结合面的粗糙度情况,其值取0.6～1.4,对未经处理的结合面取低值,对专门进行过粗糙化处理的结合面取高值;A_st为垂直于新旧混凝土结合面的约束钢筋总面积,可偏安全地取A_st=8nA_s+4nA_s,p,其中A_s,p为侧面单根植筋的截面面积,n为环状钢筋和界面植筋在竖直方向分布的层数。

　　 植筋在框架柱和现浇转换平台内应有可靠的锚固,确保抗拉强度得到有效发挥。

　　 重力荷载作用下,拆除框架柱之前,框架梁在框架柱位置承担负弯矩,下部受压,梁底部纵筋在框架柱截面高度范围通常断开而不连续;拆除框架柱后,框架梁在原来框架柱位置承担正弯矩,且其值可能数倍于拆除框架柱之前此处的负弯矩。既有梁底部纵筋不能有效承担拉力,而梁截面也不能提供足够的刚度抵抗下挠变形,必须进行加固。

　　 根据不同的情况,楼、屋盖梁的加固可能演化出两种不同的思路。

　　 对图1(a)所示的结构平面,拆除3根框架柱后,不仅相应的横向框架梁受力状态发生显著改变,支承于纵向框架梁上的横向次梁和纵向框架梁受力状态也会显著改变,在原来承担负弯矩的部位需要承担数值上大得多的正弯矩。图1(b)所示结构在拆除目标柱后,受其影响的范围存在相同的问题。

　　 根据拆除框架柱后的内力分析成果,可以选择承载力不足的楼盖梁进行加固。加固范围涉及目标柱上方横向和纵向框架梁,以及受影响的所有次梁,甚至可能有必要对次梁端部两侧的纵向框架梁进行加固。

　　 上述加固方法能较好地控制加固后梁的截面高度不至于过大,获得较好的结构净空,但是由于加固范围分散,造价反而较高,工期较长。

　　 为了回避分散加固的缺点,可以只针对目标柱上方的框架主梁进行加固。只要加固后框架主梁的承载力和抗弯刚度足够,就能为其余楼、屋盖梁提供有效支承,将拆除框架柱后造成的内力重分布控制在有限的程度以内,控制其他楼盖梁不出现承载力加固的需求。

　　 对图1(a)所示的结构平面,拆除3根目标柱后,受影响区域屋盖结构具有单向受力特征,可以考虑只加固框架柱上方的横向框架梁。

　　 对图1(b)所示的结构平面,拆除目标柱后,屋盖结构具有明显的双向受力特点,可以考虑对目标柱上方的双向框架梁进行加固。此时,如果采用先加固框架梁、后拆除框架柱的方案,两个方向框架梁的截面宽度都会很大,这在建筑美学方面可能带来问题;如果采取先拆框架柱后加固框架梁的方案,由于临时支撑阻挡的原因,两个方向的主梁加固需要分步完成,工期相应会有所延长。因此,即使对图1(b)所示的情况,也可以考虑只针对一个方向框架主梁加固,而将另一方向的框架梁支承于加固后的框架主梁上。

　　 集中加固目标柱上方的框架主梁能够有效控制加固范围,节约工期和造价,减少对在用建筑使用功能的干扰。在集中加固方法中,矩形钢管-混凝土组合梁能发挥其独到的优势。

　　 以图1(a)所示的结构为例,由于建筑外装修和屋面防水、保温隔热等工程已经完成,抽柱改造所对应的加固工程量宜控制在屋面以下的范围,而不应扩大至屋面,以避免损坏已完成的外装修、屋面防水及保温构造层。框架柱拆除后,屋盖结构具有明显的单向受力特征,加固工程集中在拆除框架柱轴线上方的横向框架主梁。采用PKPM和盈建科结构设计软件进行试算,结果表明横向框架主梁截面尺寸需要500mm×2 000mm才能达成目标,如图8(a)所示。

　　 此方法存在以下缺点:1) 框架梁高度过大,影响美观,且结构净空减少较多;2) 框架梁体自重大;3)模板及脚手架工程量较大;4)混凝土量较大,从泵车到入模的全部过程需要人力完成,难以保证混凝土浇筑质量;5)在不破坏屋面板的条件下,几乎无法将混凝土浇筑至屋面板底面并形成良好结合。

　　 考虑到钢-混凝土组合截面所具有的承载力和刚度优势,尝试在框架梁下部增加矩形钢管,形成矩形钢管-混凝土组合梁,如图8(b)所示。加固截面底部采用截面为□300×500×12的标准矩形钢管,自重轻,且对结构净空影响较小;钢管与混凝土梁底面之间填充无收缩水泥基灌浆料,有利于实现协同工作;钢管底面则根据刚度和承载力需求可以加焊钢板。该组合梁截面的加固方案回避了前述大截面混凝土梁的所有施工问题。

　　 按照混凝土增大截面加固并经整体试算分析后,不仅获得了图8(a)的截面,还确定了相应的配筋量和钢筋屈服时对应的截面抗弯刚度。计算表明,若图8(b)所示矩形钢管下缘加焊15mm厚的Q235钢板,当底部最外侧边缘钢板受拉屈服时对应的截面抗弯刚度已能达到图8(a)截面的抗弯刚度水平;此外,扣除图8(a)相较于图8(b)多出的自重影响,图8(b)截面下缘屈服时对应的弯矩已能满足抗弯承载力需求。因此,图8(b)所示的截面更小的矩形钢管-混凝土组合梁,不论是刚度或抗弯能力,都可以达到截面大得多的图8(a)混凝土截面的水平,显示了明显的优越性。

　　 为了方便施工,矩形钢管通常采取现场焊接拼装方式安装,如图9所示。穿过已经部分拆除的框架柱区段,先安装中间区段的矩形钢管,随后安装两侧的矩形钢管,调整对直后焊接形成完整构件。

　　 矩形钢管与混凝土梁侧面之间采用钢板条连接,如图10所示。钢板条与矩形钢管之间焊接连接,钢板条与混凝土梁侧面采用直接剪切型锚栓 ^[14]连接,最后在钢板条与梁侧面混凝土之间灌注了环氧树脂,以防钢板内侧生锈。

　　 矩形钢管两端面与采用直接剪切型锚栓技术安装在框架柱侧面的连接钢板焊接,能传递剪力并承担支座负弯矩引起的压力。矩形钢管顶面焊接短钢筋作剪力键,梁底面则通过清除表层混凝土进行粗糙化处理,这些措施能提高钢-混凝土之间的结合强度。矩形钢管与混凝土梁底面之间采用高强度无收缩水泥基灌浆料灌注,在梁侧面钢板条的约束下,钢管与灌浆料之间以及灌浆料与混凝土梁底面之间结合紧密,具有良好的界面剪切承载力。

　　 图1(a)所示的两个抽柱改造工程采用了相同的加固设计方法和施工工艺,其中包括:1)在目标柱上建造转换平台,先拆框架柱后加固框架梁;2)针对较短跨度方向框架梁进行加固,并且把加固范围控制在框架主梁底部;3)采用矩形钢管-混凝土组合梁,不增加梁截面宽度。

　　 加固框架梁的设计遵循了以下原则:在应变平截面假定下,考虑混凝土和钢材的本构关系,完成加固梁正截面承载力设计;参考《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016) ^[15]进行斜截面承载力验算;钢管与灌浆料之间以及灌浆料与加固梁底面之间界面剪力由布置在加固框架梁侧面的钢板条承担。

　　 值得一提的是,按照加固后新截面验算,原有配筋提供的支座截面抵抗负弯矩的能力足够,框架柱截面承载力足够。集中加固框架梁、尽量控制加固范围这一理念得到了很好的体现。

　　 图1两个改造项目施工过程中都进行了全过程的沉降观测。拆除转换平台至屋面梁底之间的柱段、荷载向支撑转移的过程中,都未测出屋盖结构有明显的沉降量,表明平台上支承体系及其托换工艺是有效的;框架梁加固完成后拆除支撑,图1(a),(b)的两个屋盖结构瞬时沉降量最大值分别为5.5mm和6.0mm;在随后的7 d监测期内,前者的累计沉降量为6.0mm,后者为7.0mm,分别为跨度的1/2 800和1/2 571,表现了良好的刚度特性。

　　 本文结合实际工程案例,对钢筋混凝土框架结构抽柱改造的若干关键问题进行了分析,并提出了相应的对策。建议优先采取先拆除框架柱后加固框架梁的方案,并使用平台上支撑体系。建议采取集中加固目标柱上框架梁的方案,以控制加固范围,进而控制造价和工期。基于控制加固梁的截面尺寸,方便施工考虑,引入矩形钢管-混凝土组合梁,很好地解决了设计需求。与钢筋混凝土增大截面法相比,在同样的承载力和刚度需求条件下,采用矩形钢管-混凝土组合梁可明显减小构件截面和自重。