首都滑冰馆位于北京市中关村南大街首都体育馆北院区，建造于20世纪80年代，原建筑面积3.8万m²，屋顶高度21.600m (不含天窗架) ，设有1层地下室，馆内南侧设有9排观摩看台，约1 800个座位，北侧为3层运动员用房，首都滑冰馆外观见图1。

　　 首都滑冰馆主体部分长184m，宽88m，其中直线部分长96m，两端是两个半径44m的半圆。采用钢筋混凝土框架结构体系，主体结构为60榀预应力钢筋混凝土倒L形刚架，屋盖为空间梭形钢桁架结构。地下1层顶板采用整体预应力装配式板柱结构 (即南斯拉夫体系结构) ，整个顶板在平面两端半圆区域与中央矩形区域分界处设置了后浇施工缝，在上述3个区域分别施加预应力^[1]。

　　 基础采用大直径人工挖孔扩底桩，一柱一桩，桩长约6.8m，扩底桩直径除60榀倒L形刚架下为2m外，其余均为0.8m，基础持力层为粗砂、卵石层。桩基承台之间设置承台梁，承台及承台梁顶标高根据不同区域，分别为-5.700，-6.900，-7.900m。

　　 首都滑冰馆建成后未进行过大型改造，仅在2008年更新了屋面做法，拆除了原屋面天窗架，2010年改造一部室外楼梯和一部室内楼梯。此次为全面加固改造，改造后将作为2022年冬奥会冰球运动员的训练场馆。

　　 原工程为混凝土框架结构体系，新增主体结构也采用混凝土框架结构，新增门厅采用钢结构，主要改造内容如下:1) 拆除原地下1层顶板西侧南斯拉夫体系结构;2) 拆除1～3层原周圈附属框架结构及楼梯;3) 新增地下1层顶板西区结构，地下1层东区根据建筑专业需求进行拔柱加固改造;4) 地下室范围局部外扩，新增1, 2层周圈结构，新增楼梯，新增入口处钢结构门厅;5) 屋面空间梭形钢桁架结构根据检测报告要求局部修缮处理。改造后首都滑冰馆剖面见图2，地下1层顶板南斯拉夫体系结构改造分区示意见图3，改造后效果图见图4。

　　 首都滑冰馆原结构设计于1987年，在89版系列规范 (《混凝土结构设计规范》 (GBJ 10-89) 、《建筑抗震设计规范》 (GB J11-89) 、《建筑地基基础设计规范》 (GBJ7-89) 等) 正式执行前设计建造的房屋，后续使用年限通常为30年^[2]，故本次改造按照后续使用年限30年进行设计。建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第二组，特征周期为0.40s，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为丙类。考虑到后续使用年限为30年，多遇地震水平地震影响系数最大值为0.12 (考虑0.75的折减系数^[3]) 。

　　 结合建筑功能要求，本着尽可能减少改造工作量、尽可能利用原结构，减少拆除量、尽量避免增加荷载等原则，制定加固改造方案。按30年后续使用年限对整体结构进行复核，倒L形刚架及屋面钢结构满足计算要求，无须加固处理。

　　 本次改造由于净高原因，不得不拆除地下1层顶板西侧南斯拉夫体系结构以及1～3层原周圈附属框架结构及楼梯。

　　 为减少拆除量，保留了地下1层顶板东侧南斯拉夫体系结构，按照建筑功能需要，拔除了14根框架柱，采用增加预应力梁的方式进行加固改造。

　　 根据预应力检测结果，未拆除的南斯拉夫体系结构采用在柱头位置增加钢牛腿，梁底粘贴钢板等方式进行加固处理。

　　 根据改造要求，首都滑冰馆拆除南侧原1, 2层周圈框架结构及部分地下1层结构，北侧拆除原1～3层周圈框架结构及部分地下1层结构。考虑到拆除的结构特别是南侧2层看台斜梁对主体结构具有一定支撑作用，故对拆除过程进行了施工验算，并提出了相应的监测要求。

　　 施工验算分为5个施工过程:过程1为混凝土主体结构形成;过程2为屋面钢结构形成;过程3为拆除2, 3层周圈框架结构;过程4为拆除首层周圈框架结构;过程5为拆除局部地下1层结构。结构改造前为过程2完成状态。图5为南北两侧拆除结构剖面示意，并标注了高位、低位监测点位置。

　　 采用MIDAS软件进行了施工过程验算，针对倒L形柱柱底弯矩、屋面桁架结构应力和变形情况进行了分析，具体计算结果见表1。

　　 由于南北两侧结构不对称，初始建造过程中，倒L形柱柱底内力就有一定差别，在拆除过程中，柱底弯矩趋于一致。从拆除过程看，南侧柱柱底弯矩有较大增长，经复核，原结构满足此受力要求。由于倒L形柱变形，引起屋面桁架杆件一定的应力和变形变化，但幅度较小，对结构影响很小。

　　 表2, 3为倒L形柱变形及监测控制标准，变形数据是施工过程验算中的高位、低位监测点变形计算值。D_y为径向水平变形，朝向场地中心为正值;D_z为竖向变形，向下为正值。

　　 南斯拉夫体系结构即整体预应力装配式板柱结构，由南斯拉夫塞尔维亚共和国材料试验研究所于20世纪60年代首先提出。该结构采用张拉钢丝束将楼板与柱结合起来，成为一个均匀的双向预应力楼盖，以预应力钢丝束为拼装手段使板柱挤压形成摩擦节点。结构板、柱之间的剪力传递主要依靠摩擦力 (竖向荷载) ，双向预应力对楼盖的整体性有良好的作用，可以有效传递水平力。地震作用较小时，节点虽会产生较大裂缝，板柱间会出现相对的变形，但地震作用后，节点能回到正常状态，裂缝也能自动闭合。图6为南斯拉夫体系结构示意图。

　　 首都滑冰馆地下1层顶板采用南斯拉夫体系结构，混凝土标号为400# (相当于C38) ，预制柱截面为450×450，梁截面为450×400，楼面配筋垫层厚度为70mm。

　　 由于南斯拉夫体系结构依赖预应力传递剪力，经过多年使用，目前预应力的实际状态成为加固改造设计中的一个重要参数。

　　 本项目采用的方法为混凝土钻孔应力释放法，测试元件为经改良适用于该项目的裸光纤光栅传感器，钻孔方法与普通检测钻孔取样法相同，由于本测试中的唯一操作就是混凝土应力释放，可认为释放过程测试出来的应力就是释放前结构内保有的混凝土应力，从而可以通过结构计算推算现有预应力度的有效值。

　　 在现场抽取了16个点位测量混凝土应力，位置见图3，采用MIDAS软件建立滑冰馆结构计算模型，根据实测混凝土应力，调整模型中预应力筋张拉力，直至模型中测点的应力与现场测试的混凝土应力相吻合，此时的张拉力即为结构现存的有效预应力。

　　 通过反复调整，当张拉力为初始张拉控制应力的60%时，模型中各测点的应力与现场测试的混凝土应力吻合较好，测点模型计算的应力如表4所示。除点6外，其余15个测点的计算应力与实测应力的吻合度均在90%以上。16个数据的平均吻合度为90%，故建议设计计算取值为张拉控制应力的60%。根据原始设计，结构预应力有效应力应为张拉控制应力的80%，目前剩余60%，两者相差了20%。

　　 考虑到预应力损失等因素，针对目前的结构荷载，对南斯拉夫体系结构进行了重新复核计算，原截面为450×400的预应力梁抗弯承载力不足，梁柱节点抗剪承载力不足。

　　 采用暗梁下粘贴钢板进行抗弯加固，钢板为450mm宽、4mm厚，柱头增设钢牛腿进行抗剪加固，做法见图7，同时钢牛腿可以避免楼板掉落。

　　 根据建筑功能对空间的要求，原东区南斯拉夫体系结构内拔除14根框架柱，其中部分柱同时支承首层结构顶板。采用增设预应力梁的方式进行拔柱改造。拔柱位置见图3圆圈所示，拔柱后形成8～8.4m跨结构，新增预应力梁高度700mm，与原结构暗梁结合，形成截面为600×1 100预应力框架梁，见图8。

　　 拔柱施工流程如下:相关区域板底支撑回顶—新加梁施工—预应力张拉—拔柱—拆除回顶支撑。

　　 在新加梁施工中，先剔除待拔柱部分柱体，以便于普通钢筋和预应力筋通过，但仍能起到支承作用，确保结构不发生变形。通过预应力张拉过程计算，当柱体出现拔力时，必须切断柱体，继续张拉到位。

　　 (1) 首都滑冰馆为2022年冬奥会冰球运动员的训练场馆，介绍了首都滑冰馆的改扩建内容、结构设计要求和原则，并据此合理选择结构改造加固方案。

　　 (2) 对结构初始建造、1～3层附属结构逐步拆除过程进行施工分析，提出拆除过程对现有结构内力的影响，继而制定监测要求及控制标准，确保结构拆除过程安全可控。

　　 (3) 对南斯拉夫体系结构进行了介绍，采用应力释放法对南斯拉夫体系预应力现状水平进行了检测，为下一步结构加固改造设计提供了依据。

　　 (4) 对南斯拉夫体系结构进行了加固改造，提出了相应节点做法，采用增设预应力混凝土梁的方式进行拔柱改造，并通过施工过程分析，提出了预应力张拉以及柱切除的相关技术措施，确保拔柱过程安全可靠。