花 磊，吴杰春，张彤炜，周书东，周国义

（1、中铁建工集团有限公司 北京 100160；2、广东工业大学土木与交通工程学院 广州 510006；3、东莞市建筑科学研究院有限公司 广东东莞 523809）

0 引言

既有建筑在使用寿命期限内，为满足人们对于房屋建筑使用功能新的需求，实现新旧功能的转换，需要对已有建筑进行改造。但建筑功能的改变对结构的影响较大，涉及整个建筑结构的布置甚至体系的转变。框架结构的抽柱改造就是结构改造的难点之一［1-3］，常规的抽柱工序需要增设临时支撑再做托换梁最后卸去支撑［4］。本工程采用一种混凝土柱局部分拆支顶的方法，对混凝土柱进行凿除，此法具有免外部临时支撑、施工周期较短等优势。

1 工程概况

本改造工程位于广州市增城区，于2002 年建设，地上3 层，局部地下1 层。首层层高3.6 m，地下层高2.7 m，建筑面积241 m2。建筑的结构形式为钢筋混凝土框架结构，标准层的结构平面布置如图1所示，各层的混凝土强度等级为C20。应建设方要求，现需进行柱网改造，2×B、3×B 轴的原混凝土柱进行凿除，同时对部分梁进行加固，该原结构标准层结构平面布置如图1所示。

图1 结构平面布置Fig.1 Structural Layout （mm）

2 拆柱方案设计

2.1 理论分析

当两根柱子都拆除后，纵向间距不变，横向框架梁的最大跨度从3.1 m 增加到6.6 m，从结构受力的角度分析，在荷载不增加的情况下，跨度增加1 倍，结构中的最大剪力会增大2倍，最大弯矩会增大4倍，最大挠度会增大16倍。因此，对原有混凝土柱凿处必须加固上部钢筋混凝土梁，可采用增大截面法、粘贴钢板或FRP等传统加固方法［5-6］。

2.2 方案对比

混凝土柱凿出难点在于施工的过程中需要可靠的结构支撑系统，用以将上部荷载均匀的传递至基础，保证上部结构不变形、不开裂。常规的方法是在需凿除的混凝土柱四周梁端设置钢管支撑，支撑上安装自制螺旋千斤顶，千斤顶顶紧上、下梁端，如图2 所示。该拆住方法的结构支撑系统需要用到大量的钢材，并且施工复杂、周期长。抽柱改造的设计方案和施工方法存在多种选择，不同的选择不仅影响工程造价、施工工期，还会影响施工安全和建筑效果。

图2 钢管支顶拆柱Fig.2 Steel Pipe Roof Removal Column

本工程采用混凝土柱局部分拆支顶的方法对混凝土柱进行凿除，与常规置换方法相比，具有免外部支撑系统、施工影响及施工面小、施工速度快等优势。

2.3 拆柱施工方法

2.3.1 剔除缺陷柱内第一部分混凝土

采用风镐配合小型机械和人工凿除的方法剔除第一部分混凝土，保留纵筋，截断箍筋，如图3 所示。拆除过程中尽量减小钢筋损伤和扰动，接近柱混凝土核心区时应采用人工凿除，尽量避免对核心区的扰动。剔除混凝土截面应尽量小，不超过柱截面的1/4，可以将钢管短桶柱顺利安装支撑即可，尽量使剩余柱的混凝土截面大一些，确保安全。

图3 局部分拆支顶立面Fig.3 Partial Detached Roof Elevation of the Office

2.3.2 柱内设置第一根钢管短桶柱支撑

钢管短桶柱具有良好的承载能力和变形能力，本工程采用钢管短桶柱进行支顶。柱内安装第一根钢管短桶柱支撑，支撑上、下端焊制厚钢垫片，与混凝土的接触面必须用A 级结构胶砂浆找平，待结构胶砂浆硬化后用楔形板打紧。其中，短桶柱预先制作完毕且满足承载力要求，主要承受压力，是分拆支顶时的主要受力构件；钢垫块是设置于钢管混凝土柱上、下端的片状结构，用于增加支撑的稳定性，增大截面的受力面，减小应力集中；楔形板的截面为三角形，是一边尖锐一边较厚的钢板，楔形板位于钢管混凝土柱垫片的下部，用于加强竖向受力构件凿除面和垫片直接的接触，起到预应力的作用。

2.3.3 剔除缺陷柱内第二部分混凝土

采用相同的方法剔除第二部分缺陷混凝土，保留纵筋，截断箍筋。

2.3.4 柱内设置第二根钢管短桶柱支撑

采用相同的方法在缺陷柱内设置第二根钢管短桶柱支撑。

2.3.5 用相同的剔除方法和支顶方法依次剔除每一部分的缺陷混凝土，并且对应安装每一处的支撑，分拆支顶的顺序如图4所示。

图4 局部分拆截面Fig.4 Section of Partial Disassembly

原支撑钢管以及钢垫片一起埋入增大截面后的框架梁中，对上部的框架梁进行增大截面加固，待混凝土强度达标后，最后切除下部待拆除混凝土柱即完成了整个混凝土柱的拆柱。

2.4 拆柱过程承载力验算

混凝土柱原正截面承载力为［7］：

对3/B 处混凝土柱在凿除过程中进行承载力验算，该柱截面为As=300 mm×300 mm，设计混凝土强度等级为C20，fc=9.6 N/mm2。拆除第一部分混凝土后，剩余的钢筋混凝土承载力按素混凝土计算［8］，则有：

使用PKPM 对该建筑进行内力计算，得出该柱在恒荷载作用下，上部结构传递的荷载值为486 kN，远小于式⑵中的受压承载力设计值554.04 kN。由于拆除的柱截面较小且仅为临时支撑，拆除第一部分后会立刻进行钢管混凝土柱支顶，因此剩余部分3/4 截面混凝土能满足轴力传递要求。

安装第一根钢管后，此时支撑系统的承载力由两部分组成：①第一部分混凝土处的钢管支撑；②剩余的3/4原混凝土柱的承载能力。以上两者之和远大于此时柱所承受的实际荷载值，故满足要求。以此类推，分别拆除第二部分、第三部分、第四部分的混凝土，该支撑系统承载力仍然会远大于该柱所承受的实际荷载值。

3 拆柱施工要点

3.1 材料要求

⑴短桶柱、钢垫片：使用PKPM 对该建筑进行受力分析，得到待拆除柱的竖向荷载，通过计算得出支撑钢桶的强度值，再定制短桶柱［9］。钢垫片厚度应≥14 mm。钢桶、钢垫片的材料性能不能低于《混凝土结构加固设计规范：GB 50367—2013》［10］中相应的性能指标。

⑵结构胶：短桶柱上短的钢垫片与混凝土之间使用A 级结构胶砂浆找平，应采用优质可靠的品牌，不得使用不饱和聚酯树脂和醇酸树脂作为胶粘剂，安全性能指标也需符合文献［10］中相应的性能指标。

⑶楔形板：楔形板为一边尖锐，一边较厚，截面为三角形的板式结构，根据待拆混凝土柱的截面尺寸定制。楔形板起到预应力支撑作用，用楔形板打紧，保证支顶装置的预受力。

⑷混凝土：分拆支顶上端混凝土柱后需要尽快对框架梁进行增大截面加固，安装木胶合板并在接缝处黏贴胶带以防止出现漏浆。浇筑的混凝土强度必须高于原混凝土强度。

3.2 施工要点

⑴分拆区域划分不固定，根据混凝土柱的截面以及现场施工的具体情况确定。该实例工程分四部分局部拆除，剔除截面要尽量小，不得超过截面的1/4。剔除采用风镐配合小型机械和人工凿除，拆除过程中，截断原混凝土柱中的钢筋，以确保支撑装置能顺利安装在拆除部分。接近柱混凝土核心区时应采用人工凿除，尽量避免对核心区的扰动。

⑵必须待结构胶砂浆硬化后才能使用楔形板顶紧支撑装置。安装底座楔形板之前对结构底板进行找平，防止钢垫板受力不均匀造成的混凝土结构底板局部受压过大。

⑶新旧灌浆料交界面处理时，应对旧混凝土或灌浆料表面凿毛，并清理干净浮渣，并在新灌浆之前再用清水润湿。浇筑混凝土宜采用掺入膨胀纤维的高强度灌浆料，混凝土到场坍落度不应大于18 cm。为了避免在交接面形成冷缝，一方面采用微膨胀自密实混凝土进行浇筑，另一方面在浇筑口设置为喇叭口。浇注口为喇叭口，混凝土振捣不易操作，应采取同时配合用小锤敲击外侧模板的方法共同振捣，确保混凝土振捣密实。

4 梁的加固结构设计

下部待拆除混凝土柱进行凿除前，应先对柱上端的梁进行加固处理。该结构首层、二层楼面梁加固平面布置如图5所示，分别对①-③×B以及A-C×⑥处梁进行加固，局部加固示意图如图6 所示。采用增大截面法进行加固，加固所用混凝土强度等级为C25，加固措施严格按照文献［10］要求。

图5 梁加固平面布置Fig.5 Layout of Beam Reinforcement （mm）

梁柱节点构造如图7所示。纵向受力钢筋植筋入原结构梁柱内15d，若新增受力钢筋于原结构梁标高错开，可上反错固15d或植筋10d。新增箍筋与原箍筋焊接，双面焊5d，单面焊10d。

图7 梁柱节点构造Fig.7 Structure of Beam-column Joints

对改造加固后的结构进行计算分析，使用PKPM建立建筑模型，如图8 所示。从计算配筋验算结构可以看出，凿除两根框架柱后，周边框架柱的轴压比有小幅增大，但均满足文献［10］的要求，上部梁加固后承载力也满足文献［10］的要求。

图8 加固改造后结构的计算模型Fig.8 Calculation Model of the Reinforced Structure

5 结语与建议

分部支顶拆除混凝土柱的优点较为明显：①施工便捷，工期短，能够满足用户对于工期的要求；②施工影响小，不需要用到大功率机械设备，不会产生大量噪音；③成本低，支顶装置所需要的钢材用量少；④受力性能较好，临时支撑结构能够较好的传递竖向承载力，将支撑装置一并埋入加固后的梁截面中也一定程度提高梁的承载力性能。但该方法缺点在于施工技术难度较大，对施工质量要求高。分部拆除支顶应严格按照受力分析图确定合理顺序，施工也要严格执行。同时，在拆柱施工时应该做好沉降观测，如有较大沉降应停止施工，加强支撑系统以消除施工危险。

本文通过工程实例，对拆除竖向受力构件的施工措施进行了探讨，提出了一些施工要点，并针对难点以及施工中存在的问题进行了分析。在实例中应用该方法取得了较好的效果，对此类改造工程有一定的借鉴作用。