10预应力内框架托换多层砌体结构承重墙技术.pdf

第 “卷 第期建筑结构 “ “年月 预应力内框架托换多层砌体结构承重墙技术 陈瑜关建光徐福泉 （中国建筑科学研究院建筑结构研究所北京 ） ［提要］ 用预应力混凝土内框架托换建筑中的承重墙体是一种实用的建筑改造新技术。与钢或普通混凝土 托换结构相比较， 这种托换结构可以通过施加预应力形成主动受力结构， 同时对欲拆除墙体实现卸载， 特别是 用于结构整体性能较差的多层砌体结构建筑中预制楼板下承重墙的托换时， 具有受力合理、 与原结构连接紧 密、 整体抗震性能和防火性能较好、 安全可靠的特点。现以工程实例阐述这种托换技术。 ［关键词］ 预应力内框架托换承重墙结构改造 33， 外墙厚 33） 、 3跨预制预应力混凝土圆孔板、 部分现浇混凝土梁板组成， 纵横墙承重， 有圈梁和构造 柱。该建筑建于 年代末， 面积约“ 3 “， 平面可参 见图。 建筑使用单位希望通过对承重结构进行托换拆除 层， “临街部分墙体， 局部将层，“原有的小开间办 公建筑改造成大空间 （图中轴“ “） 的商业建筑。 经可行性分析和方案论证， 该项目于 A A A年 月开 始实施设计与施工， 并于“ 年初完成装修投入使 用， 成为一例成功的承重结构托换典型工程。 在进行托换结构的方案选择时， 应主要考虑的因 素为 ） 方案选择需具有针对性和可行性；“） 托换结构 必须具有足够的强度和刚度， 能够承担和传递上部荷 载作用和抵抗主体结构变形； ） 托换结构必须与原结 构具有紧密可靠的连接， 以便新老结构能够共同工作， 避免因新老结构之间存在间隙而造成拆除欲拆除结构 后原结构产生过大变形和破损； ） 尽可能使托换结构 形成主动受力结构， 尽可能排除因托换结构为二次受 力结构使托换过程存在荷载的突然作用及原结构的瞬 间变形； B） 因托换结构具有承上启下的作用， 所以该结 构作为主体结构中最重要的组成部分， 必须具有较好 的抗震性能和防火性能； ） 在确定托换结构形式的同 时尚应考虑托换后的主体结构整体抗震性能。 综合以上诸多因素并结合本工程中大部分楼板为 装配式构造的特点， 经反复进行可行性研究， 排除了采 用钢结构、 普通混凝土结构的方案， 最终确定采用预应 力混凝土内框架托换方案。 二、 预应力内框架托换结构的特点 预应力混凝土内框架托换结构是一种主动受力结 构。托换梁由沿承重墙两侧布置的截面为 B 33C B 33的两根梁及两梁之间等距离布置的拉结肩梁 组成， 托换柱的截面为B 33C B 33， 见图。施工 时首先可以通过新老结构钢筋的相互绑扎、 焊接和充 分振捣新浇注的混凝土等方法使托换结构与原结构紧 密可靠连接。其后通过张拉预埋于预应力托换梁中的 预应力筋使托换梁上拱， 且起到了使托换结构直接承 担起上部荷载的作用和完成了对欲拆除结构的部分卸 载作用。 在预应力托换梁设计时， 预应力筋应尽可能设置 在梁截面的中间部位， 一般情况下， 当钢筋保护层厚度 为 33时， 其构件耐火时间就会超过 3 , -， 保护层 越厚， 构件的耐火时间会越长， 因此预应力混凝土内框 架托换结构具有较好的防火性能。 设计中充分发挥了原有结构圈梁和构造柱的作 用， 托换结构的钢筋骨架与原圈梁和构造柱的部分钢 筋经焊接和绑扎连接， 并通过浇注微膨胀混凝土使新 老结构有机地形成整体。在完成承重墙体托换的过程 中， 经现场实测， 张拉预应力托换梁内的预应力筋时， 梁的上拱变形为 33， 拆除预应力托换梁下的墙体 时梁的下挠变形为 33， 预应力托换梁的最终变形 为上拱 “ 33， 作用于预应力托换梁上的各预制预应 力混凝土圆孔板间没有产生任何相互错动， 上部墙体 未见任何裂缝。作为抗震结构， 拆除部分承重墙体后 “ 的建筑抗震横墙间距为 “ ， 满足国家现行规范规 定的 ’ 间距要求。但考虑到改造后的建筑形成 了由两种结构组成的内部空旷大开间建筑， 为增强其 抗震性能， 在设计中除适当增大托换柱的截面外， 对拆 除承重墙体区域边缘的两侧横墙进行了加固处理， 使 其成为两道具有足够刚度的抗震剪力墙。改造后的建 筑平面如图所示。 图改造后的建筑平面示意图 三、 预应力内框架托换结构设计 预应力混凝土内框架托换结构由四部分组成， 分 别为 托换地梁、 托换柱及柱基、 预应力托换梁、 托换区 域边缘抗震剪力 （横） 墙。 托换地梁设计 设置托换地梁的目的有二 其一是为了在拆除纵 横承重墙相交处墙体基础置换托换柱基础时， 被拆除 的基础部分应承担的上部荷载作用可以通过托换地梁 分配并传递到未被拆除的墙体基础上， 使未被拆除的 墙体连成整体协同工作； 其二是为了在完成各承重墙 体托换后， 使新形成的各托换柱基础不产生单独滑移， 并与托换柱、 预应力托换梁形成真正的封闭式刚架， 保 持主体结构的整体稳定。 托换地梁沿原结构中欲拆除的各纵横承重墙体两 侧布置， 并通过等间距布置的拉结短肩梁相连。设计 时， 拉结短肩梁应按受剪构件考虑， 托换地梁除按托换 过程中的弯扭构件及局部成为悬挑构件考虑外， 尚应 考虑其最终将成为受拉构件。托换地梁剖面见图。 图托换地梁剖面图 托换柱及基础设计 在托换柱及基础设计时， 需将其作为既承担大量 由预应力托换梁传递的上部各楼层竖向荷载又承担水 平地震力的框架柱进行结构受力 的整体分析计算。托换柱的截面 尺寸应满足规范中规定的轴压比 限值， 托换柱的混凝土强度和配筋 应满足规范中规定的对受压构件 承载能力极限状态要求。从构造 角度上要求， 托换柱的钢筋骨架必 须与原墙体构造柱的部分钢筋以 及墙体拉结筋绑扎或焊接连接， 使新老结构形成整体， 防止托换改造后的墙体形成较长的单片墙体以致在水 平荷载及其它振动荷载作用下墙体倒塌。 托换柱基础一般采用现浇混凝土独立基础， 基础 底面必须作用在稍深于原结构基础底面的老土层上， 这个深度高差通常为 ’ ’ ’ ’ ， 其目的是保证托 换柱基础下地基表面未曾扰动。因托换柱及基础的施 工是在完成托换地梁施工后进行， 故在施工托换地梁 时必须将托换柱纵向受力主筋预先插入托换地梁内。 “预应力托换梁设计 预应力托换梁是托换结构 预应力混凝土内框 架中的关键构件， 具有直接承担上部各楼层荷载和对 欲拆除承重构件的卸载作用。设计时， 首先应按规范 中对受弯构件承载能力极限状态的要求进行梁的强度 设计， 其次应按规范中对受弯构件正常使用极限状态 的要求进行梁的刚度设计， 最后在综合考虑梁的强度 和刚度的同时， 按既可使梁向上拱起直接承担上部各 楼层荷载并保持上部结构不会开裂， 又可以基本卸去 欲拆除承重构件上的荷载的要求进行梁内预应力筋的 配置。由于不考虑预应力筋作为构件在极限承载能力 状态下的配筋， 因此， 预应力托换梁中配置的预应力筋 一般可采用无粘结预应力筋， 布筋方法采用曲线形式， 在进行预应力筋配筋计算时， 应控制预应力托换梁的 张拉后上拱值与拆除承重构件后的下挠值的差值， 即 梁的最终上拱变形值不宜过大， 一般宜控制在“ 以 内。经计算分析， 轴 “，“，“预应力托换梁内各配置 了 * （双梁中每梁 * ） 无粘结预应力筋， 布筋形 式如图“所示。 图“托换梁中预应力筋配置示意图 在进行预应力托换梁的截面设计时， 应综合考虑 其能够直接支撑原结构、 施工简便、 托换过程无间隙及 与原结构的连接关系。本工程中预应力托换梁的设置 采用与托换地梁设置的类似方法， 为充分利用原有圈 梁， 避免对原结构的扰动过大， 两侧预应力托换梁间的 拉结肩梁改为等间距拉结杆。拉结杆的截面应具有足 够刚度， 以便通过其拉结作用使两侧预应力托换梁保 持平面内受力而不发生扭转。 托换区域边缘抗震横墙设计 为使砌体结构托换区域边缘的抗震横墙间距满足 规范要求， 托换区域边缘的砖砌体横墙抗震加固采用 钢筋混凝土夹板墙的方法， 即在托换区域两端的两道 ““ 图抗震横墙 加固剖面 砖砌 体 横 墙 两 侧 设 置 ““ 钢筋网片， 两侧钢筋网片间采 用 ““ 梅 花 布 置 的 拉 结 筋 连 接， 后浇注厚为“ 的’ 混凝 土。钢筋混凝土夹板墙一直延伸至 基础垫层， 夹板墙两侧的钢筋网片 伸至基础时， 其拉结筋采用锚固筋， 剖面如图所示。 四、 预应力内框架托换结构的 施工流程 预应力混凝土内框架托换结构的施工流程是保证 托换质量和安全的必要条件， 因为托换过程中总是要 在原结构上先局部拆除或局部钻孔， 以便设置并浇注 托换结构构件， 故施工流程安排不当便会引起质量事 故， 进而影响到托换工程的成败及建筑整体结构的安 全。 柏树胡同一号楼改造中预应力混凝土内框架托换 结构的施工流程为 ） 沿欲拆除墙体两侧开挖地面填 土至托换地梁下皮， 开挖宽度以满足施工作业空间为 准； ） 在欲拆除墙体底部设置托换地梁处， 按拉结短肩 梁的放线位置进行墙体局部拆除或钻孔； ） 绑扎焊接 托换地梁和拉结短肩梁的钢筋骨架， 同时将托换柱的 纵向受力主筋插入托换地梁内； ） 支模并浇注托换地 梁和拉结短肩梁混凝土； *） 间隔开挖托换柱基础槽及 拆除托换柱位置处半个柱高的欲拆除墙体， 拆除宽度 为每侧不大于 * ； “） 在已开槽和局部拆除墙体位置 绑扎焊接托换柱基础及托换柱的钢筋骨架， 此时应注 意设置托换柱基础及托换柱与相邻保留墙体的拉结钢 筋； ,） 支模浇注该批托换柱基础及托换柱混凝土；-） 用 同样方法开挖及拆除其它托换柱基础及托换柱位置处 半个柱高的欲拆除墙体， 绑扎钢筋并支模浇注混凝土； .） 沿欲拆除墙体两侧回填基坑土至地面并夯实， 可靠 支撑欲拆除墙体两侧楼板； ） 间隔拆除托换柱位置处 欲拆除墙体至预应力托换梁底， 拆除宽度每侧不大于 * ； ） 绑扎焊接托换柱钢筋骨架， 此时应注意设置 托换柱与相邻保留墙体的拉结钢筋； ） 支模浇注该批 托换柱混凝土； ） 用同样方法拆除其它托换柱位置处 欲拆除墙体， 绑扎钢筋骨架并支模浇注混凝土； ） 沿 欲拆除墙体顶部 （楼板下皮） 按预应力托换梁拉结杆放 线位置钻孔， 绑扎和预埋预应力托换梁及拉结杆的钢 筋和预应力筋， 支模浇注预应力托换梁混凝土； *） 混 凝土养护后, /张拉预应力托换梁内的预应力筋， 张拉 时采用力和伸长值双控， 同时应利用位移传感器进行 预应力托换梁跨中变形值监测， 以便更好地控制施工 质量； “） 拆除欲拆除墙体， 完成承重墙体托换； ,） 加 固托换区域边缘的横墙， 形成抗震横墙。 以上施工流程实质上是采取了间隔拆除和间隔设 置托换构件的方案， 按这种方案实施承重结构的托换 过程既可保证施工质量又可保证托换后的建筑整体结 构安全。该托换工程经一年多的考察， 其主体结构工 作正常， 原结构和托换结构没有产生任何变形和裂缝， 工程是成功的。 （上接第 *页） 从图“可以看出， 当考虑张拉时， 实际施工荷载计 算所得的预应力梁截面应力分布情况与实测结果符合 较好， 在预应力梁端确实存在着一个较大的拉应力区。 可见特别是对于活荷载、 地震荷载等相对于恒荷载较 大的预应力结构而言， 考虑张拉时实际施工荷载的预 应力梁截面应力验算是非常重要的。 三、 结束语 通过工程实测与分析可以看出， 在局部预应力框 架中， 各榀框架通过次梁及板相连成为一个整体， 共同 承担作用在结构上的荷载。由于非预应力普通框架的 存在， 次梁及板确实对预应力框架梁有较强的约束作 用， 它限制了预应力梁的反拱并进一步影响结构体系 中内力的分布情况， 结构设计应对之加以考虑。本文 用迭代法计算的反拱值与实测值较为相符， 但略小于 实测值。这可能是因为在计算过程中， 我们假设预应 力框架梁不发生扭转， 即连接各预应力框架及普通框 架之间的次梁无转角， 因此计算时所考虑次梁对预应 力梁的约束作用比实际的稍大， 计算反拱值略小于实 测值， 但计算结果是可以接受的。由于现在预应力建 筑大多结构复杂， 整体工作性能好， 所以这方面的深入 研究是有意义的。 此外还可以看出， 在本预应力框架结构中， 预应力 梁截面应力分布基本符合平截面假设。但在预应力梁 端出现了较大的拉应力， 这可能是由于在张拉预应力 筋的施工阶段， 预应力梁端所承受的实际弯矩要远小 于设计时所采用的弯矩值， 从而在预应力产生的正弯 矩作用下， 在梁端底部出现较大的拉应力。可见对预 应力结构在施工阶段应进行应力验算， 尤其对有地震 设防的多、 高层预应力钢筋混凝土结构， 更应进行施工 阶段的截面应力计算。 参考文献 陈惠玲0多层建筑高效预应力结构研究与实践0北京科学技术出 版社， . . 0 刘大海， 杨翠茹等0高层建筑抗震设计0中国建筑工业出版社， . . 0 混凝土结构设计规范 （1 2 3 - .）0北京 中国建筑工业出版社， . - .0 孙训方， 方孝淑， 关来泰0材料力学0高等教育出版社， . , .0 * 陈惠玲0高效预应力结构设计施工实例应用手册0中国建筑工业 出版社， . . -0