既有房屋建筑和部分新建建筑在改造或建造过程中, 常常存在由于使用功能的调整而需要拔除承重柱的情况。且随着中国城市更新进程的加速, 该类改造项目日益增多。目前, 已有的拔柱改造实践往往集中在多层房屋改造项目中, 拔除的承重柱多为顶层柱, 且柱截面普遍偏小 (柱截面尺寸小于600mm×600mm) , 如李曰辰^[1]在某五层框架结构大酒店改造项目中, 将房屋顶层截面为400mm×400mm的柱拔除, 以形成大空间会议室;郭青骅、刘航等^[2]在某地下两层、地上五层框架结构科研办公楼改造项目中, 将顶层部分框架柱拔除, 以满足大空间多功能厅建筑使用要求;王洪波、王宏林^[3]在河北燕郊某住宅小区两层商业楼改造项目中, 将底层截面为400mm×400mm的柱拔除以满足建筑使用要求等。然而关于高层建筑拔除承重柱特别是位于房屋底层、柱截面尺寸相对较大 (柱截面尺寸在1 000mm×1 000mm以上) 的相关工程实践尚不多见。针对该类项目的特点, 本文结合一个工程案例, 提出了一种永久性抱梁转换结构的做法。

　　 现有常用的托换方法主要有托梁法、桁架托换法和腹板柱转换结构托换法等^[4]。其中, 桁架托换法和腹板柱转换结构托换法均需在拟拔柱的上一层结构中增设竖向转换构件, 故该类托换做法在实际工程运用中往往受到较大限制。托梁法即利用钢筋混凝土托梁、型钢托梁或钢-混凝土托梁等将被拔柱承担的荷载传递给周边的承重结构。按照施工技术手段, 托梁做法可分为原混凝土梁加大截面法、粘贴钢板加固法或钢-混凝土组合托梁法、预应力托梁加固法等^[4]。原混凝土梁加大截面法、粘贴钢板加固法及钢-混凝土组合托梁法主要用于拟拔柱截面尺寸较小、承受荷载不大的情况, 而预应力托梁加固法亦存在施工要求较高等问题。

　　 《建 (构) 筑物托换技术规程》 (CECS 295∶2011) ^[5] (简称托换技术规程) 在桥梁托换技术中, 提出了一种关于利用新旧混凝土结合面和抗剪键钢筋传递竖向荷载的永久性托换节点设计方法, 该设计方法计算公式主要为:

　　 $\begin{array}{l}r{\rm P}\le 0.16f{}_{\text{c}}A{}_{\text{c}}+0.56f{}_{\text{s}}A{}_{\text{s}}(1)\\ f{}_{\text{s}}A{}_{\text{s}}\le 0.07f{}_{\text{c}}A{}_{\text{c}}(2)\end{array}$

　　 式中:P为新旧混凝土结合面竖向承载力, kN;r为综合系数, 取值在1.0～1.3之间;f_c为梁、柱混凝土抗压强度设计值, kPa, 可取较低值;A_c为新旧混凝土交接面的有效面积, m²;f_s为结合面配置的植筋抗拉强度设计值;A_s为结合面上同一截面植筋总截面面积。

　　 本文抱梁转换节点做法正是将该方法运用于房屋拔柱托换结构中, 并采用刚度较大的钢骨混凝土梁作为环抱梁, 以增加抱梁结构的刚度。针对较大截面巨柱, 可先将柱托换区域四周混凝土局部凿除 (柱钢筋保留) , 结合面混凝土凿毛植抗剪键后新做抱梁托换结构。下面将结合工程案例做详细分析。

　　 该项目为新建工程, 为一幢8层钢筋混凝土框架结构塔楼。塔楼按7度抗震设防, 设计地震分组为第二组, 设计基本地震加速度为0.10g, 场地类别为Ⅲ类, 设计反应谱特征周期为0.55s, 框架抗震等级为二级。房屋底层结构平面图见图1, 整体模型见图2。现为满足建筑使用功能的需求, 业主拟把房屋底层中心处直径为1 200mm的圆柱拔除。

　　 鉴于被拔柱截面尺寸较大, 常用托换梁梁底受力钢筋无法直接植穿, 故本次托换梁采用托换技术规程中的抱梁做转换结构。抱梁施工前需先将原柱托换区四周局部混凝土凿除以形成正方形, 同时为了施工期间的安全考虑, 该正方形截面柱应至少能满足 (1.5D (恒载) ) 的竖向承载能力要求 (应尽可能卸除活荷载) 。改造后的转换层平面图和节点详图见图3、图4。

　　 在常规设计软件中, 拔除底层圆柱后利用刚性杆将中心圆柱的内力传递至周边四根框架梁中, 并读取7度小震作用下2层底部中心圆柱的轴力包络值。为保守起见, 托换节点设计中忽略型钢托梁直接承受的压力作用, 考虑圆柱轴力均由托梁与柱之间的剪切作用面承受, 并以此按照式 (1) , (2) 初步设计抗剪键钢筋截面面积和托梁截面尺寸 (由梁跨度和交接面尺寸共同确定) 。

　　 本工程案例中, 底层圆柱拔除后, 房屋2层中心圆柱柱底轴力包络值N=5 520kN。据此按照式 (1) , (2) 设计出转换节点相关尺寸, 托梁尺寸初步设定为600×1 000, 根据含钢量^[6]要求, 托梁钢骨拟采用H700×300×14×25, 材质为Q345B, 单交接面抗剪键钢筋取, 混凝土强度等级为C40。

　　 按照式 (1) , (2) 计算托换节点的可靠性仅能考虑托换节点在竖向轴力下的作用效应, 无法考虑托换节点在地震、风荷载等作用下的弯矩、剪力, 故对该托换节点进行有限元分析是十分必要的。

　　 采用ABAQUS软件对托换节点进行有限元分析, 其中混凝土和型钢梁采用三维实体单元, 混凝土本构采用ABAQUS自带的塑性破坏模型 (concrete damaged plasticity model) ^[7], 钢筋采用桁架单元, 型钢与钢筋本构均采用双折线模型。托换节点有限元模型见图5。

　　 在常规设计软件中, 分别读取托换节点部位在设防烈度地震和罕遇地震作用下的内力包络值, 并分别施加到托换节点有限元模型中, 得到托换节点在设防烈度地震和罕遇地震作用下的混凝土塑性应变、托梁型钢应力及塑性应变、托梁钢筋塑性应变、销键塑性应变及柱钢筋塑性应变, 见图6～11。对图6～11分析可知, 在设防烈度地震作用下, 转换节点区域托换梁钢筋和钢骨、结合面销键尚未屈服, 柱与转换节点交接处柱钢筋部分屈服;在罕遇地震作用下, 托换梁钢骨与钢筋局部屈服, 销键局部屈服, 柱与转换节点交接处柱钢筋屈服。该转换结构可实现中震弹性的设防要求。

　　 为对拔除底层巨柱后房屋的整体抗震能力进行评估, 本文采用动力弹塑性时程分析法对房屋在罕遇地震作用下的变形效应进行验算分析。

　　 动力弹塑性时程分析时选用两条天然波 (BORREGO波和KERN波) 和拟合规范反应谱的人工时程波 (XIN波) , 时程波峰值均为220gal。三条地震波的平均地震影响系数与振型分解反应谱所用的地震影响系数曲线相比, 在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。考虑到《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[9]中关于计算罕遇地震作用时, 特征周期应增加0.05s的规定, 目标谱为规范中阻尼比ζ=0.05, T_g=0.6s的反应谱。

　　 采用PKPM-SAUSAGE进行房屋结构在罕遇地震作用下的变形验算。PKPM-SAUSAGE的线单元 (梁、柱和斜撑) 采用精细的截面纤维积分策略, 面单元 (剪力墙、楼板) 采用精细的分层积分策略。对于地震波作用下的结构弹塑性动力时程分析, PKPM-SAUSAGE采用了适于模拟波动问题的精细步长显式动力直接积分方法 (二阶中心差分法) , 时间步长控制在10^-5s数量级^[8]。相关验算结果见图12, 13。

　　 由图12, 13可见, 拔柱后房屋结构在三条罕遇地震波作用下, 弹塑性变形均小于《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[9]规定限值1/50, 从结构塑性铰分布可知, 结构转换部位未出现明显塑性变形, 总体上房屋抗震性能可满足7度抗震设防要求。

　　 本拔柱改造工程的施工关键节点主要包含两个方面, 即:新增托换结构时如何确保房屋结构安全, 拔柱施工过程中如何对相关构件的应力、应变进行实时监测。

　　 考虑到房屋拟拔除柱截面较大, 新增托换结构时需将托换区原柱四周混凝土局部凿除以形成正方形截面小柱 (柱纵筋已凿断) , 此时为拔柱施工过程中最不利阶段。为避免此时可能出现的偶然水平力作用, 本工程在新增托换结构施工前拟在房屋上一层增设临时钢支撑以承担中间柱所承受的荷载作用, 确保施工过程中房屋结构的安全。按照首层及2层中心柱均不受力 (模型中取消) 并新增临时钢支撑的方案对房屋进行承载力验算, 结果表明, 除首层中心圆柱周边8根小圆柱轴压比超过规范限值 (考虑地震作用下, 小圆柱轴压比为0.96) 外, 其余构件承载力满足计算要求。考虑到中心圆柱凿小施工为一个短暂的过程, 综合分析可以认为房屋安全性满足要求。

　　 本工程拟采用千斤顶逐级卸载法拆除房屋首层中心圆柱, 并通过对预先埋设好的应变片、应变计等对相关构件的受力和变形情况进行实时监测, 确保拔柱过程中相关构件内力平稳变化, 保证施工过程中房屋结构安全。房屋拔柱施工总体流程见图14。

　　 本文针对高层房屋底层巨柱拔除改造工程提出了一种较为简便的设计思路, 并基于工程案例采用托换节点有限元分析和罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析诠释了该设计思路的整体流程, 亦对其可行性和有效性进行了验证分析。