曹大富，张 颖，魏 欣

(扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

托换技术及其在建筑加固中研究与应用

曹大富，张 颖，魏 欣

(扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

随着城市建设的快速发展，建筑结构加固与改造已经非常普遍，建筑结构的加固与改造技术的研究也受到广泛关注。采用托换技术对房屋结构体系进行加固改造的需求日益增多，通过分析国内外托换技术的研究现状，对托换技术进行了分类，分析了不同托换技术的技术要点和应用范围，并就施工中的关键技术进行了综述。

托换技术；建筑结构；加固改造

0 引言

目前很多城市既有的砌体结构房屋，受建设年代的经济与技术的限制，开间与进深均较小。随着城市的快速发展，越来越多业主要求将既有建筑改变使用功能，如将旧房部分内墙进行拆除，将几个小开间合并为大开间，或将住宅、办公楼等局部拓展为大开间大进深的使用面积，尤其在临街的既有建筑改造中，较多的改造项目希望将临街底层空间进行拓展，以满足功能改变的使用要求，比如，改造为餐馆、商铺等经营性场所[1]。

采用托换技术对砌体结构房屋进行结构改造，已经成为既有建筑结构加固改造的常用方法之一。但是，由于砌体结构墙体改造难度较大，本着既要满足建筑的使用功能，又要满足现行规范要求的加固改造原则，在采用托换技术对其进行加固改造时，必须充分考虑各种影响因素，在设计及施工阶段，需做好关键环节的控制工作。

1 托换技术的国内外研究现状

1.1 托梁换柱的研究现状

从上世纪中期开始，国内学者就对托梁换柱结构改造进行了相关探索，1974年，云南昆钢650车间进行了实践。1982年，王重穆[2]利用托梁换柱方法拔除柱子，扩大了车间空间，经过8年的使用证实了此方法的可行性。1988年，黎伟等[3]对重钢五厂二期节能改造工程中的一单层双跨精整厂房进行托梁换柱改造。上世纪90年代，以黎伟等[4-5]为代表的学者，针对特定的厂房结构形式在设计和施工中的有关技术问题进行了分析，并提出了处理方法。之后很多学者对托梁换柱进行了研究与应用，很多的改造项目都属于为了满足工艺流程改进的工业建筑，尤其是电力、冶金及机械等厂房居多;有钢筋混凝土结构，也有钢结构;有规则柱网，也有不规则柱网。

在国外，建筑结构加固与改造工程的研究与应用起步较早，并形成了很多较成功的案例，一些欧美工业国家在二次大战后，工业结构出现重大调整，工业建筑的改造逐步成为建筑物的加固与改造的重点。前苏联从第七个五年计划开始，将国家基本建设投资的重点转向产业结构变革和既有企业的技术革新，于1988年颁布了相关规范[6]。欧美发达国家每年用于加固改造上的投资占总投资的比例达到1/2-1/3;美国劳工部2000年报告，建筑修缮与加固改造业在21世纪仍是世界各国最受欢迎的行业之一[7]，发展趋势不容小觑。

1.2 宽柱双梁体系的研究现状

钢筋混凝土宽柱双梁框架结构体系是解决砌体结构托换改造成大空间的优选方案之一，是改造既有建筑物的一种新理念，它广泛应用于砌体结构或混凝土结构的住宅、旅馆、厂房、医院等改造中，尤为适合小空间改造成大空间。一方面，支托原结构时不改变其受力性能；另一方面，置换后形成的结构体系亦不改变未置换构件的受力特征，在整个改造过程中，结构体系的转换自然流畅，受力合理。

宽柱双梁框架结构体系的节点受力性能与单梁柱节点有所差别，上世纪60年代开始，美日等国对框架结构梁柱的节点开展了大规模的试验研究，研究发现梁柱节点大多发生剪切破坏，箍筋的配筋率显著影响框架梁柱节点的抗震性能。Megget和Park[8]进行了框架边柱节点的低周反复试验，研究了节点区的合理配箍区间。Hayashi[9]对框架中柱节点的试验研究了节点箍筋的连接和锚固与框架柱轴向力的相互关系。Ghobarah等[10]进行框架结构边柱节点的全尺试验，研究了正交梁板结构及箍筋对节点混凝土的约束性能。

国内学者在唐山大地震后也进行了大量的节点抗震性能研究，1983年规范专题组通过试验研究[11]，提出了节点核心区的抗剪强度计算公式和改善节点抗震性能的途径。1987年高小旺等[12]提出了框架节点抗震的鉴定方法和加固措施。2006年，傅剑平等[13]也进行了节点的全尺寸试验，研究了剪压比、轴压比等对节点抗震性能的影响规律，但是至今为止，鲜有对双梁直交节点的抗震性能的研究。

带缺角混凝土板的研究，有助于合理评估既有楼面板的承载力，且施工方便。Park[14]通过试验研究，系统提出了钢筋混凝土板的塑性设计方法，被各国规范所接受。国内学者童岳生等[15]进行了异形板的试验研究并提出了极限分析方法；万墨林[16]研究既有楼板的开洞问题；尚仁杰[17]利用ANSYS研究在最优配筋的上下限值内寻找最优配筋的计算方法。但是关于带缺角板在荷载作用下的塑形绞线的形成、位置以及其极限承载力的计算方法，还较少有学者研究。

目前托梁换柱技术已日趋成熟，然而该结构体系虽有应用，但系统的理论研究较为缺乏。该结构体系的延性设计、平行双梁夹墙的承载力计算方法、带缺角钢筋混凝土板承载力评估、托换梁与原有混凝土板的共同作用以及外纵墙的抗倒塌设计研究等，都将是工程实践中迫切需要解决的问题。随着国内经济的发展以及既有建筑大部分即将达到设计使用年限的现状，托换技术的发展及前景十分广阔，值得广大学者进行深入的研究。

2 托换方法

2.1 双梁托换

双梁托换的做法，通常在待拆除墙体的顶部两侧或内部增设2根对称的梁，并在新增梁之间通过设置的拉结筋与原墙体一起形成格构式梁，共同承担荷载，然后拆除原有的承重墙，拓展既有砖混结构建筑空间，完成加固改造，从而达到功能改造的目的。为了尽可能减少结构的非对称性，目前常采用双侧对称托换的做法。有时业主从外观考虑，对加固改造会提出相对较为苛刻的要求，认为双托换梁结构破坏了原有屋顶的结构美观，加固改造工程需要结合墙厚及跨度等情况，采取墙体内部增设托换梁的做法，在不损坏承重墙的情况下先浇筑托换梁，形成新的承重体系，待混凝土达到设计强度后再拆除承重墙，外观上却看不出改造的痕迹。该做法施工难度大，技术要求很高，通常在楼面板或者屋面板开设浇筑混凝土的洞口，受施工空间的限制，混凝土的振捣很困难，有时混凝土的密实度难以保证，另外，如果墙体下沉控制不当，极易导致原结构与新增梁整体工作不协调，为避免此种情况的出现，一般需附加的构造措施。而且，该方法对基础和柱需进行较大的调整，导致难度与工程量加大，做法见图1。

2.2 单梁托换

单梁托换的做法，在位于待拆墙的顶部只采用1根托换梁，如图2所示，在新增托换梁两端同时增设钢筋混凝土柱，并与原墙体形成组合柱，梁一般稍宽于墙体，有时也可以做成与下部墙体等宽，以满足工程改造的美观上要求。单梁托换的优点在于形式简单，外观美观，工程量少，且传力体系简洁合理。不足在于施工需先拆除墙体，然后浇筑钢筋混凝土托换梁和配套增加的钢筋混凝土，对原墙体形成一定程度的破坏，施工中需要观测托换梁和墙体的变形情况，保证新旧结构的强度、刚度和稳定性，有时需要从建筑的角度出发，考虑采用扁梁以压缩梁高，钢筋混凝土梁的受力性能受到影响，形成材料上的浪费。

图1 双梁托换做法

图2 单梁托换做法

图3 铁马凳支顶做法

2.3 铁马凳支顶托换

铁马凳支顶托换做法，将上部墙体和楼面的荷载传递到预先设置的铁马凳，随后施工纵向钢筋和箍筋，再完成全部支模与混凝土的浇注与振捣，铁马凳留在托换梁中，与钢筋混凝土托换梁共同承担上部墙体和楼面(屋面)荷载，根据墙体厚度和上部荷载，铁马凳可以选用钢管、I钢、H钢或槽钢等，见图3。加固改造设计时，需根据上部墙体及楼面荷载，科学设置铁马凳数量；施工组织设计中，还需考虑纵向钢筋和横向箍筋，合理设计其摆放位置。

2.4 型钢式托换技术

型钢式托换技术的做法，采用用型钢梁柱或型钢梁组成的格构梁柱作为托换框架，取代拟拆除的墙体承受上部荷载。传统的托换技术，墙体不拆除一般无法开展托梁安装，只能边拆除墙体边加设支撑，过程复杂且耗时长。槽钢或H钢等型钢托梁技术能很好地解决此类施工顺序问题，该技术需在墙体洞口上方，完成托换梁安装，实现荷载传递。具体大致包括做法A、做法B、做法C等三种，如图4所示。

(a)

(b)

(c)

3 实施过程中的关键技术

托换技术加固改造既有房屋结构，关键在于新设置的框架梁柱体系与原结构的梁板结构能否协同工作，同时处理好加固改造过程中的各种异常现象，避免施工风险，为达到这样的目的，必须严格执行国家规范与规程，严格施工流程和现场管理。

3.1 施工流程

在资料收集和现场勘查的基础上，根据结构鉴定意见，设计加固方案之后，加固改造工程的施工顺序就变得至关重要。一般施工顺序包括：开挖基础及基础加固；砌实墙上门窗洞口，必要时还应对墙体进行加固，避免受剪导致洞角和墙体开裂；布设支撑体系和模板；施工钢筋骨架；混凝土浇筑与振捣，拆模及养护；拆除托换梁下部墙体。

3.2 墙体拆除

拆除承重墙，须在梁柱结构的混凝土达到设计强度后进行。拆除时应注意：(1)拆除前可在待拆除的墙段上每间隔1m左右开设一道槽，以便在拆除时减小对原有建筑的振动；(2)拆墙时从跨中向两端拆；(3)为避免托换梁瞬间受荷，还应控制拆墙速度，分批次逐步完成拆除工作。

3.3 支撑布设与混凝土浇筑振捣

在施工基础和柱子时，要拆除部分墙体。因此，除须验算剩余承重墙体的强度和稳定性是否满足要求外，还应采取有效的支撑体系，使得上部荷载分散传递，特别是在有较大洞口处，应适当加强支撑。

托换框架梁、柱施工时，需在原砌体墙和楼板上钻孔、凿洞作业，应减少对原结构的损坏，施工期间不得对原结构的安全产生不利影响。

因浇筑时需凿洞浇筑，故加固改造工程混凝土的和易性要好，便于浇筑，否则易造成蜂窝麻面。灌浆料具有自流性好，快硬、早强、高强、无收缩、微膨胀、无毒、无害、不老化、对水质及周围环境无污染、自密性好、防锈等特点。在施工方面具有质量可靠，降低成本，缩短工期和使用方便等优点，从根本上改变设备底座受力情况，使之均匀地承受设备的全部荷载。

3.4 施工准备及过程监控

施工准备。建筑物加固与改造是在既有房屋基础上实施的，在方案设计及工程实施之前，必须对原有建筑的结构设计、使用现状和工程环境进行详细资料收集和现场勘查，必要时，需要有资质的检测机构对建筑物进行检测和质量鉴定，并出具具有法律效力的鉴定报告。

过程监控。加固改造施工过程中，需要进行全过程的沉降、倾斜、裂缝等观测，严格控制与避免一些不确定因素的出现与影响，尤其在承重墙拆除时。对施工阶段出现的各种现场异常现象，必须根据监测数据，采取合理措施及时解决。

4 结论

目前托梁换柱技术已日趋成熟，然而该结构体系的理论研究国内外较为缺乏，该结构体系的延性设计、承载力计算方法、托换梁与原有混凝土板的共同作用以及外纵墙的抗倒塌设计研究等方面有待继续研究。

梁的托换有双梁托换、单梁托换、铁马凳支顶托换、型钢框式托换等多种方案。加固改造设计在满足功能改造的前提下，应严格执行现行的国家加固技术规范与规程，保障新旧结构有效连接，加强结构变形情况的检测，科学文明施工，避免结构在强度、刚度与稳定性等方面出现异常问题。

[1] 焦建华, 曹大富, 秦晓川,等.利用宽柱双梁框架结构改造加固砌体结构[J].排灌机械工程学报,2015,33(1): 43-48.

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(责任编辑:孙文彬)

Research and Application of Underpinning Technique in Reinforcement Projects

CAO Da-fu, ZHANG Ying, WEI Xin

(College of Civil Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu 225009, China)

With the development of the urban construction, building structure strengthening and retrofitting are becoming more and more widespread. Many researchers focus on the research of building structure strengthening and retrofitting technique. It is increasing day by day that many building structure systems are demanded to be strengthened and retrofitted by using the underpinning technologies. In this paper, both the domestic and abroad research status of underpinning technique were reviewed, and the underpinning techniques were classified. The construction technique points and applied range of different underpinning technique were analyzed, and some key details in the construction were summarized as well.

underpinning technique; building structure; strengthening and retrofitting

2015-04-22

国家自然科学基金项目(51278445)；江苏省高校自然科学项目(11KJB560006)

曹大富(1964-)，男，江苏泰州人，副教授，硕士，主要从事工程结构加固和预应力混凝土结构的设计理论和应用研究。

TU

A

1009-7961(2015)05-0037-05