于德廣 秦思源 白雪松

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

0 前言

建筑物設(shè)計(jì)使用年限50年，很多使用條件會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致建筑物需要進(jìn)行各種改造。其中最為常見的是為了擴(kuò)大使用空間而進(jìn)行的抽柱或拆墻。柱和墻這類豎向受力構(gòu)件，在豎向荷載和水平荷載的傳遞過程中起到重要作用。理論上，采取充分的措施后可以實(shí)施，但改造后結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中等現(xiàn)象，存在較大的不確定性?？拐饓κ强蚣?抗震墻結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，故不宜拆除，尤其是位于高層建筑底部的抗震墻。

1 工程概況

某辦公樓位于北京市某中心城區(qū)，主體結(jié)構(gòu)包括地下3層和地上34層，地上建筑物高121 m、長37.5 m、寬24 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架抗震墻結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，1998年建成并投入使用。辦公樓的剖面圖如圖1所示。

圖1 辦公樓建筑剖面圖(單位：mm)

圖2 辦公樓2層平面圖(單位：mm)

辦公樓2層(標(biāo)高4.8 m)的貴賓接待室開間7.8 m，進(jìn)深9.7 m，空間略顯狹小，不能滿足目前使用需求，其平面圖如圖2所示。本次改造的目的是拆除2層貴賓室的10軸與13軸承重墻，以擴(kuò)大其使用空間，使貴賓接待室平面尺寸由7.8 m×9.7 m增加到9.7 m×13.5 m?？拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.2 g)，屬B級(jí)高度高層建筑，抗震墻抗震等級(jí)為特一級(jí)，框架抗震等級(jí)為一級(jí)。拆除承重墻后，形成框支框架，其抗震等級(jí)為特一級(jí)。

2 受力分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

在圖2中，去掉10軸及13軸1/D與H軸之間的墻體后，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，相關(guān)參數(shù)的規(guī)范[1]要求如下：

1)結(jié)構(gòu)最大層間位移與層高之比1/1391，滿足該值不大于1/800的規(guī)范要求。

2)y向側(cè)向剛度第2層與第3層的比值為0.87，不滿足該值不宜小于0.9的規(guī)范要求。

3)y向?qū)娱g抗剪承載力第2層與第3層的比值為0.92，滿足該值不應(yīng)小于0.75的規(guī)范要求。

4)y向地震作用下，第2層層間扭轉(zhuǎn)位移比為1.05，滿足規(guī)范要求；而且兩側(cè)墻體對稱拆除，不會(huì)造成平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則問題。

5)拆墻后A柱軸壓比由0.58升高至0.98，不滿足該值不宜大于0.60的規(guī)范要求。B墻截面積為4.85 m2，A柱截面積為1.5 m2，原B墻承擔(dān)的豎向力轉(zhuǎn)移至A柱，引起A柱的軸壓比超限；而與A柱相鄰的D柱軸壓比由0.65上升到0.76。

2.2 墻體拆除后的應(yīng)力分布

10軸線墻體的主應(yīng)力跡線(圖3)表明，當(dāng)2層墻體拆除后，拆除部位上部墻體應(yīng)力將會(huì)向兩側(cè)擴(kuò)散，形成類似拱的結(jié)構(gòu)。受拱腳推力作用，拆除后剩余墻體和框架柱發(fā)生位移(圖4)，該位移值為0.9 mm。從A柱軸力分布情況(圖5)來看，受影響的不僅是拆除墻體的第2層，其向上、向下各2層，A柱軸壓力均有增大，最大軸壓力達(dá)到28.0×103kN。D柱軸力變化趨勢與A柱類似，但其最大值比A柱小。

圖3 第2層墻體拆除后主應(yīng)力跡線

圖4 第2層墻體拆除后重力荷載作用下的變形

圖5 A柱軸力分布圖

3 加固措施

在拆除墻體的上下各兩層范圍內(nèi)，均存在較大的應(yīng)力重新分布現(xiàn)象。重構(gòu)結(jié)構(gòu)傳力體系，形成框支抗震墻，如圖6所示?；A(chǔ)為2.5 m厚筏板，通過下面4層(1層至-3層)墻體的傳導(dǎo)，筏板受力狀況幾乎不因拆除墻體而改變，基礎(chǔ)無需加固處理；而框支柱、轉(zhuǎn)換梁和樓板由于應(yīng)力重布而變形，需要加固。

圖6 改造后形成框支抗震墻(單位：mm)

3.1 框支柱加固

特一級(jí)框支柱宜采用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱[1]，結(jié)合本工程特點(diǎn)，A柱采用外包矩形鋼管混凝土加固，如圖7所示。鋼板在遇到樓層的位置需要斷開而不能連續(xù)傳力，忽略鋼板對豎向承載力的直接貢獻(xiàn)，僅按照外包鋼筋混凝土柱計(jì)算。外包加固后，形成一個(gè)二次受力的組合構(gòu)件，由于加固過程無法卸荷，新增截面與原有截面應(yīng)力應(yīng)變均不同步，原荷載由原有截面獨(dú)立承擔(dān)，新增荷載由新老截面共同承擔(dān)。原截面混凝土應(yīng)變超前，在其達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)新增混凝土尚未達(dá)到極限承載力，故應(yīng)對新增截面鋼筋和混凝土強(qiáng)度進(jìn)行折減；考慮到原有截面處于三向受壓狀態(tài)，極限壓應(yīng)變有所提高；徐變的存在是一個(gè)有利作用，有助于原截面將其首先承受的一部分荷載轉(zhuǎn)移至新增截面。綜合考慮，A框支柱截面承載力按式(1)計(jì)算 ：

(1)

式中：N——構(gòu)件加固后的軸向壓力設(shè)計(jì)值，kN；

φ——構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)加固后截面尺寸確定，為1.0；

Ac0——構(gòu)件加固前混凝土截面面積，為1.5×106mm2；

fc0——原構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取19.1 N/mm2；

fc——加固后新增混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取23.1 N/mm2；

Ac——構(gòu)件加固后新增部分混凝土截面面積，為1.4×106mm2；

αcs——新增截面強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.8[2]。

根據(jù)式(1)計(jì)算得，A框支柱截面承載力為49.1×103kN，而軸壓力設(shè)計(jì)值為28.0×103kN，軸壓比約為0.57，滿足規(guī)范[1]不宜大于0.6的要求。

E角點(diǎn)處墻體軸壓比滿足要求，但為了在轉(zhuǎn)換梁兩側(cè)均形成框支柱以明確傳力路徑，在E角點(diǎn)處增補(bǔ)鋼筋混凝土形成框支柱,如圖8所示。

圖7 A框支柱(單位：mm)

圖8 E角點(diǎn)框支柱(單位：mm)

圖9 轉(zhuǎn)換梁(單位：mm)

3.2 轉(zhuǎn)換梁加固

轉(zhuǎn)換構(gòu)件由原抗震墻兩側(cè)貼鋼板構(gòu)成。在剪力作用下鋼板有可能發(fā)生扭曲，導(dǎo)致膠體逐步撕裂后與墻體脫離，為此，在兩塊鋼板之間采用梅花狀布置的M16對拉螺栓拉結(jié)，如圖9所示。該轉(zhuǎn)換梁位于“拱腳”部位，主要承受偏心拉力作用，設(shè)置鋼板后，“拱腳”水平位移由0.9 mm降至0.6 mm。為簡化計(jì)算，忽略原鋼筋混凝土墻體，僅考慮鋼板作用，拉力設(shè)計(jì)值1 138 kN，彎矩設(shè)計(jì)值僅為270 kN·m，則鋼板最大拉應(yīng)力為式(2)：

(2)

式中：σ——鋼板拉應(yīng)力，N/mm2；

N——鋼板所受軸心拉力，kN；

A——鋼板截面積(bh)，mm2；

M——鋼板所受彎矩，kN·m；

b——轉(zhuǎn)換梁兩側(cè)鋼板厚度之和,40 mm；

h——鋼板截面高度，1 150 mm。

根據(jù)式(2)計(jì)算得，銅板最大拉應(yīng)力為55 N/mm2。

3.3 樓板加固

部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)中，框支轉(zhuǎn)換層樓板厚度不宜小于180 mm[1]。該構(gòu)件是重要的水平力傳遞構(gòu)件，將不落地抗震墻根部的剪力傳遞至相鄰落地抗震墻。轉(zhuǎn)換層位置原樓板150 mm厚，疊合現(xiàn)澆100 mm厚，總厚度250 mm，疊合面鑿毛處理，形成凹凸差不小于4 mm的粗糙面。原樓板配筋充裕，疊合樓板施工時(shí)，原樓板下部不設(shè)支撐。對于地震(風(fēng)荷載)水平剪力的傳遞，原有樓板并不存在應(yīng)力超前的現(xiàn)象，新增樓板與原有樓板處于同等地位。疊合面僅承受由使用荷載及二期恒載(面層、吊頂?shù)?引起的剪力。剪力的限制按式(3)計(jì)算[3]：

(3)

式中：V——疊合板所受剪力，N；

b——疊合板寬度，mm；

h0——疊合板截面有效高度，mm。

3.4 施工順序

施工時(shí)，應(yīng)先加固框架柱、轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換層樓板，待柱、梁及板加固完畢，且新增柱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后，再鑿除抗震墻。

4 工程造價(jià)估算

針對上述方案對工程造價(jià)進(jìn)行大致估算如下：

1)拆除與加固工程直接費(fèi)380萬元。

2)工程特殊措施費(fèi)用(靜態(tài)爆破拆除、化學(xué)植筋、渣土倒運(yùn)、防噪聲等)100萬元。

3)工程檢測、鑒定、評(píng)估、評(píng)審、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、工程保險(xiǎn)等費(fèi)用80萬元。

4)工程不可預(yù)見費(fèi)用80萬元。

故工程總造價(jià)估算為640萬元。此造價(jià)不包含裝修、給排水、通風(fēng)、電力、電訊等管線及設(shè)備重新安裝費(fèi)用，也不包含大樓2層以下空間停用帶來的損失。同時(shí)，施工方案的選取，施工中遇到不確定的困難，對周圍環(huán)境造成污染等因素均會(huì)造成工程造價(jià)的變化。

5 結(jié)束語

高層建筑底部抗震墻拆除，需要重構(gòu)結(jié)構(gòu)傳力體系，形成框支抗震墻，一般均會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來較大的應(yīng)力重分布，甚至帶來較大的破壞。新增截面與原有截面應(yīng)力應(yīng)變均不同步，使新增材料不能充分發(fā)揮作用。加固過程繁瑣，改造費(fèi)用包含內(nèi)容較多，故此類工程應(yīng)權(quán)衡利弊，采取充分措施，慎重處理。