[分享]佛塔巨型通天柱底层拔柱改造设计与施工研究

发表于2020-06-25     159人浏览     3人跟帖     总热度:603  

某佛塔巨型通天柱底层拔柱改造工程设计与施工研究


[摘要]
既有建筑托梁拔柱改造能够在建筑外立面不变、结构内部改动量最小的情况下有效地增大建筑内部使用空间,是一项有着重要实用价值的技术。但由于设计难度大、施工复杂,施工过程中安全风险较高,因此还未形成系统完整的设计理论和施工技术。结合某高层佛塔底层1200mm直径通天柱拔柱改造工程,探讨托梁拔柱改造过程中结构的受力特点、防倒塌设计与施工技术要点。充分利用拟拔除混凝土柱截面尺寸大的特点,将其切割成600mm×600mm的素混凝土方柱,作为托换过程中的临时支撑,将拔柱托换过程中结构体系动态的变化过程转变为静态的平衡受力过程,显著地降低了托换施工过程中的风险。
引言
托梁拔柱技术在既有建筑扩大空间改造中有重要实用价值,该技术广泛适用于工业和民用建筑,在我国己有50多年的发展历史[1-3]。然而其系统完整的改造设计理论和施工技术仍未成形。由于托梁拔柱技术会改变原结构的传力路线,改造过程中结构呈时变特性,需考虑托换过程中临时支撑的设计、周边柱及地基基础的加固设计以及施工阶段的承载力和稳定验算等问题[4],现场施工难度大、技术要求高,处理不当会导致结构失效,存在较大的施工安全风险。
通常托梁拔柱改造有两种方法:1)拆除上部结构或者支顶上部结构后,将待拔柱上荷载转移到临时支撑,拔柱后加固、制作托梁,然后恢复上部结构或卸载实现荷载再次转移到托梁;2)先原位制作托梁,通过设计卸载装置将待拔柱上荷载转移到托梁后,再将柱拔除。以上两种拔柱技术按其施工方法的不同又可分为有千斤顶顶升的托梁拔柱和无千斤顶顶升的托梁拔柱[3-5]
本文结合某高层佛塔底层1200mm直径通天柱拔柱改造工程,探讨了托梁拔柱改造过程中结构的受力特点、防倒塌设计方法与施工技术要点。
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工程概况
某高层佛塔实景见图1,典型建筑平面见图2,立面及典型剖面见图3,。该佛塔建筑高度56.46m,建筑面积1296.6m2,平面呈规则的正八边形,地上8层,由7层塔身和1层地宫(地下1层)构成,地下1层~地上7层各层层高分别为4.85,6.5,5.3,5.3,5.2,5.2,5.2,2.7m,室内外高差为0.45m。佛塔平面沿竖向每层向内缩进。该佛塔采用了钢筋混凝土框架结构,结构三维轴测示意图见图4。通天柱从底至顶截面尺寸均为φ1200,塔体框架边柱从底至6层顶截面尺寸均为φ700,7层截面尺寸为φ600,地下1层其余框架柱截面尺寸均为400mm×400mm。塔体环向梁截面尺寸为250mm×400mm,通天柱与塔体框架边柱间相连的框架梁截面尺寸为300mm×450mm。

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图1佛塔实景

塔体下采用桩筏复合基础,筏板厚度为1200mm,底部、顶部配筋均为D25@125,桩为泥浆护壁钻孔灌注桩,桩径为600mm,单桩极限承载力标准值为2400kN。地下1层其余框架柱下基础为独立承台桩基。
佛塔基础与框架柱混凝土强度等级为C40,梁、板混凝土强度等级为C30。该工程抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.1g,场地类别为III类,设计地震分组为第一组,建筑物重要性类别为丙类。

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图2 某高层佛塔建筑平面图
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图3 某高层佛塔建筑立面及剖面图

该佛塔始建于2015年,2016年6月主体结构封顶但尚未竣工。由于使用及装饰布展的需要,地宫层通天柱位置需供奉佛祖真身舍利,业主拟拔除地下1层(-4.900至-0.050标高范围内)通天柱,见图3(b)中阴影部分,故需对已建成的结构进行相应的托换加固处理。
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托换方案与临时支撑设计

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2.1托换实施方案
通天柱直径1200mm,根据计算,恒载D作用下2层柱顶轴力约为4600kN,标准组合(恒载D+活载L)作用下2层柱顶轴力约为5500kN。由于拟拔除柱截面尺寸较大,常用的托梁拔柱方法中托换梁梁底受力钢筋无法直接穿过框架柱,且在柱范围内箍筋也无法连续设置,达不到托换的效果。因此本次托换借鉴《建(构)筑物托换技术规程》(CECS 295:2011)[6]及《建筑物移位纠倾增层改造技术规范》(CECS 225:2007)[7]中抱梁托换的做法,如图5所示。
考虑到拟拔除柱荷载较大,托换过程中完全采用临时支撑承担上部荷载时对施工过程控制要求较高,支撑发生较小竖向变形也会对上部结构受力造成巨大影响。因此,托换方案制定时充分利用拟拔除柱截面尺寸大的特点,将通天柱切成如图6所示的截面,利用中间保留的素混凝土截面承受上部荷载(素混凝土截面承载力N=600×600×19.1=6876kN)。此外,采用如图7所示的临时支撑作为第二道防线。
±0.000标高处与通天柱连接的径向框架梁呈辐射状,间距较小,地下1层通天柱拔除后,径向框架梁跨度增加了一倍(约12.0m)。若将该层径向框架梁加固后作为托换梁,施工难以实现,特别是径向梁相交处及径向梁与塔体框架边柱节点处,钢筋排布密集、锚固困难。因此,托换前将该层梁、板先凿除,重新制作型钢混凝土梁作为托换梁,梁截面尺寸根据跨度取600mm×1000mm(混凝土强度C45),内置HN700×300×13×24热轧H型钢(Q345B),型钢混凝土梁与通天柱及塔体框架边柱连接做法见图8。型钢混凝土梁较普通混凝土梁顶部、底部配筋少,便于钢筋锚固,同时型钢混凝土梁刚度大,能够有效减小梁的挠度。
2.2临时支撑设计
新增型钢混凝土梁L1需先将地下1层通天柱(φ1200)凿成600mm×600mm素混凝土方柱,以便型钢穿过。地宫层通天柱柱顶在恒载下的轴力约为4600kN,在标准组合下的轴力约为5500kN,计算得到保留的素混凝土方柱轴压比分别为0.67,0.8。施工过程中可不考虑地震作用,因此600mm×600mm素混凝土方柱本身可承担上部结构传导的轴力作用,并有一定的安全度。
考虑到施工过程中可能出现的意外因素,为增加托换过程中结构的冗余度,托换施工前在1层(地宫层上一层)增设了图7所示的临时支撑作为第二道防线。

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图4 佛塔结构三维轴测示意图

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图5 抱梁托换做法示意图

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图6 通天柱截面切割

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图7 临时支撑布置

临时支撑按照通天柱上部荷载由其全部承担进行设计,当600mm×600mm素混凝土方柱因意外因素失效时,临时支撑作为第二道防线,承担通天柱上部全部荷载。计算时临时支撑两端按照铰接考虑,按照长细比(不超过100)与应力比(不超过0.4)进行控制,截面取为HW400×400×18×28热轧H型钢(Q345B)。

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(a)原结构平面
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(b)托换后结构平面

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(c)A-A剖面

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(d)型钢梁与框架边柱连接节点做法
图8 托换结构体系平面布置
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施工顺序
施工顺序对于托梁拔柱工程而言至关重要,施工顺序是否合理对托换过程中结构整体受力性能影响较大,直接关系到工程的成败。为保证本工程结构托换过程中关键构件受力可靠,传力体系转换平稳,本工程拔柱施工采取了图9所示的施工流程,将拔柱托换动态变化过程转变为静态的平衡受力过程。具体施工顺序如下:
(1)施工准备,人员设备就位。
(2)临时支撑制作与安装,见图10。
(3)凿除-0.050m标高混凝土梁、板,梁端、板端钢筋留头,见图11(a)。
(4)按图6的形状切割通天柱,保留柱纵筋与中部600mm×600mm素混凝土方柱,施工过程中监测钢支撑的应力、应变,当钢支撑应力比超过0.2时报警,见图11(b)。
(5)制作型钢混凝土梁,浇筑转换层梁板,养护至混凝土强度达到设计强度,见图11(c)。施工过程现场实景见图12。
(6)拆除临时支撑,采用绳锯切割保留的素混凝土柱,切割过程中监测型钢混凝土梁(KL1,L1)挠度、下部钢筋和型钢应力,见图11(d)。
(7)结构托换完成,切除剩余混凝土柱,见图13。

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图9 拔柱施工总体流程图

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图10 临时支撑现场安装照片

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(a)凿除-0.050m标高相关范围内梁、板
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(b)凿除通天柱周边混凝土
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(c)制作并浇筑型钢混凝土梁
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(d) 切割素混凝土柱
图11 托梁拔柱施工过程

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图12 现场照片
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关键构件中震弹性设计及节点有限元分析
按照上述托换思路,对托换后结构体系中的转换梁、转换柱等关键构件采用YJK软件按照中震弹性的性能化水准进行了包络设计,并采用中震弹性计算得到的内力,对转换梁-通天柱连接节点受力性能进行了有限元模拟分析。其中混凝土和型钢梁采用三维实体单元,混凝土本构采用损伤塑性材料模型(concrete damaged plasticity model),钢筋采用三维桁架单元,型钢与钢筋本构均采用双折线模型。托换节点有限元分析模型见图14。
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图13 结构托换完成
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图14 托换节点有限元模型
计算得到中震下转换梁中型钢应力水平见图15,型钢及钢筋塑性应变见图16。根据有限元计算结果可知,在设防烈度地震作用下,转换节点区域托换梁钢筋和钢骨尚未屈服,柱与转换节点交接处局部柱钢筋因应力集中发生少量塑性变形,但整体仍处于弹性状态。表明转换节点受力性能可靠,能够达到中震弹性的性能化水准要求。

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图15 中震下转换梁中型钢应力/MPa

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(a)型钢
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(b)型钢混凝土梁钢筋
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(c)通天柱钢筋
图16 型钢、钢筋塑性应变
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结语
既有建筑托梁拔柱改造能够在建筑外立面不变、结构内部改动量最小的情况下有效地增大建筑内部使用空间。但设计难度大、施工复杂,施工过程中安全风险较高。
本工程充分利用拟拔除混凝土柱截面尺寸大的特点,将其切割成一定截面的素混凝土方柱,作为托换过程中的临时支撑,不仅施工简便、传力性能可靠,还能将拔柱托换中结构体系动态的变化过程转变为静态的平衡受力过程,显著降低了托换施工过程中的风险。有限元分析结果表明,本工程所采用的托换节点受力性能可靠,能够达到中震弹性的性能化水准要求。
参考文献
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[1]丁丽萍. 钢结构厂房托梁拔柱改造技术与安全管理研究[D]. 武汉:华中科技大学,2011.
[2]靳琪. 框架结构中托梁截柱试验研究与理论分析[D]. 武汉:武汉理工大学,2006.
[3]廖明进,祝又霖,袁从华. 托梁拔柱在框架结构加固改造中的设计与应用[J]. 施工技术,2015,44(16):27-30.
[4]李密,姜浩,郑昊. 某钢-木混合结构拔柱设计与施工全过程监控技术[J]. 施工技术,2013,42(16):16-18.
[5]赵挺生,丁丽萍,唐菁菁,等. 既有建筑托梁拔柱改造设计与施工控制[J]. 施工技术,2011,40(15):54-59.
[6]建(构)筑物托换技术规程:CECS 295:2011 [S]. 北京:中国计划出版社,2011.
[7]建筑物移位纠倾增层改造技术规范:CECS 225:2007 [S]. 北京:中国计划出版社,2007.

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