房屋加固改造中的托梁換柱技術

周曉彧 （安徽建工集團有限公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

建國以來，特別是近幾十年來，我國經濟穩(wěn)步發(fā)展，一棟棟建筑拔地而起，建筑數(shù)量和規(guī)模都得到了迅猛發(fā)展，據不完全統(tǒng)計，我國既有建筑面積已達到了450億m2，且以每年20億m2的總量持續(xù)增大[1]。但是隨著經濟的飛速發(fā)展，人們對建筑結構性能要求不斷提高，既有的一些建筑或是已達到設計基準期，或是受自然災害、使用維護不當?shù)纫蛩氐挠绊?，其功能與要求已不能滿足現(xiàn)今人們多元化的需求。加之上世紀90年代，我國建筑業(yè)存在著粗放式發(fā)展問題，部分建筑在功能或承載力上存有著一定的缺陷，也嚴重影響到了結構的安全和正常的使用。針對既有建筑所存在的上述問題，拆除重建是一種較為直接的方法，但針對我國基本國情，其可操作性和經濟性偏低。相較拆除重建，結構的加固改造技術具有投資小、工期短、不產生大量的建筑垃圾以及環(huán)境噪音等優(yōu)勢。因此，采用具有較好經濟性和操作性的加固改造技術來滿足結構的安全使用要求和性能要求已然成為主流發(fā)展趨勢[2]。

鑒于加固改造技術的優(yōu)勢和迫切的使用需求，近些年來研究者們對加固改造技術展開了深入的研究與廣泛的工程應用，與此同時一系列相關的行業(yè)標準規(guī)范也得到了不斷的完善。

1 加固方法概況

隨著研究的深入及我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，加固改造技術得到廣泛運用，相關規(guī)范日趨成熟，相繼頒布了《公路橋梁加固設計規(guī)范》（JTG/T J22-2008）、《建筑抗震加固設計規(guī)程》（JGJ116-2009）、《建筑結構加固工程施工質量驗收規(guī)范》（GB50550-2010）等方面的規(guī)程規(guī)范，在相應規(guī)范中也對常用方法進行了規(guī)范和說明。對于常見的鋼筋混凝土結構，規(guī)范主要涵蓋了以下幾種工程上常用的加固改造方法[3-4]：

①增大截面法。增大截面法又稱外包混凝土加固法，一般采用鋼筋混凝土增大截面面積來提高結構的剛度、承載能力。此方法適用面很廣，比較經濟，但是施工較為復雜且工期長，而且該方法會在一定程度上影響房間的使用面積，主要適用于有足夠空間的梁、板、柱的一般性結構構件。

②外加預應力加固法。外加預應力加固法屬于間接加固法的一種，一般用外加預應力的拉桿或撐桿進行加固。這種方法可以同時提高結構的承載力、抗裂性和剛度，且相對于增大截面法占用空間較小。一般用于大型結構和大跨結構，但使用環(huán)境溫度不宜高于60℃，不得使用于收縮徐變較大的結構中。

③外粘型鋼加固法。外粘型鋼加固法又可分為濕式法和干式法。濕式外包鋼加固通過在型鋼和構件之間用環(huán)氧樹脂或乳膠水泥來使型鋼粘結在構件上，通過外包型鋼約束構件橫向變形，以提高構件承載力。相對于濕式法，干式外包無需填塞，只需要將構件所承受的荷載依據型鋼和混凝土剛度進行分配即可。本方法對于截面尺寸影響小，施工簡單方便，但由于需耗費大量鋼材，經濟性略低，適用于大跨結構和重要結構。當采用濕式外包加固時，型鋼表面溫度應低于60℃。

④粘貼纖維復合材加固法。粘貼纖維復合材加固法通過結構膠將碳纖維、玻璃纖維等復合材料粘貼在構件上，以發(fā)揮復合材料較好的抗拉特性，約束構件的橫向變形，提高構件的承載力。本方法施工方便快捷，對于日常生產生活影響小，適用于受彎、受拉以及大偏壓構件。

⑤增設支點加固法。增設支點加固法通過增加結構的支撐點，以減小結構跨度，降低連續(xù)構件截面端剪力、彎矩。依據設計時是否考慮支撐結構的豎向變形，可分為彈性支點加固和剛性支點加固。由于需增設支撐構件，本方法適用于梁、板的凈空不受限制的結構構件。

⑥托梁換柱技術。本方法能夠在不影響上部結構的情況下，通過拆除、更換或接長柱子以增強或完善結構的整體受力性能。本方法適用于室內生活使用空間需變化，柱需更換的建筑結構加固。

在施工過程中，具體采用哪種加固改造方法，應根據使用者的實際改造需求、現(xiàn)場施工條件、建筑結構狀態(tài)等因素，結合以上各種方法的特點、適用范圍及經濟性等進行綜合考量[5]。相較于其它加固技術，由于現(xiàn)今越來越多的既有結構使用功能發(fā)生了變化，通過對結構合理改造以增大建筑空間或改善其使用功能的需求日益增多，因此，托梁換柱技術得到了越來越多的應用[6-8]。

2 托梁換柱技術

2.1 托梁換柱技術分類

托梁換柱就是利用現(xiàn)代土木工程施工技術，在不拆或少拆上部結構構件的前提下，對結構豎向受力構件（通常為柱子）實施更換、拆除或接長，以達到增大建筑結構承載力、擴大底部空間使用面積等為目的地一項綜合性特種加固工程技術，其在設計和施工過程中包括了對待改造結構的整體性設計驗算、支撐系統(tǒng)驗算、局部增強、上部結構頂升、截柱和監(jiān)控等流程[4]。

托梁換柱技術根據托換時間劃分，可被分為臨時性托換和永久性托換。臨時性托換是指當托換結構在工程完成后不再承擔荷載并可以拆除的托換形式；當在工程完成后托換結構仍保留并參與結構受荷的托換工程則稱為永久性托換。根據托換荷載轉換方式劃分，托換技術又可被分為兩類。當在托換結構完成之后，直接將原柱與原結構進行分離，從而將荷載直接傳遞到新柱的托換為第一類托換，其優(yōu)點是操作簡單，工期短，造價相對較低，但在施工過程中不利于控制結構變形，具有一定風險。其適用于小噸位和結構變形不甚嚴格的情況。相較于第一類托換形式，第二類托換形式通過在原柱拆除前對新柱和托換結構施加荷載，以此來消除部分新增加固構件的變形，從而將托換后結構的變形限制在較小的范圍內，雖然其操作復雜，持續(xù)時間長，造價相對較高，但該類托換技術特別適用于大噸位、對變形要求嚴格的結構改造中。

2.2 托梁換柱技術設計原則

如圖1所示，當梁lAB一端B因柱的拆除而產生豎向位移時，梁端A將產生較大的附加剪力和彎矩如式（1）、（2）所示。

圖1 結構簡圖

式中MAB、VAB分別為梁A端彎矩和剪力，L為梁跨度，E為彈性模量，I為梁截面慣性矩，為梁B端豎向位移。

在實際結構中，當柱拆除后，除引起梁產生豎向位移引起附加彎矩和剪力外，還將引起上部結構產生協(xié)調變形，導致結構內力重新分配，產生新的附加內力效應。因此，在進行托梁換柱設計時，應保證在抽柱后，托換的方案在上部荷載的作用下整個結構強度和變形能滿足安全使用要求，這是托梁換柱設計過程中的第一設計原則。

由于結構的托換，造成了整個結構的傳力路徑發(fā)生了改變。內力進行重分布后，與托換體系相關的構件勢必會受到更大的荷載，對于這些相關構件的承載力是否還能滿足要求，則需要進行驗算。若是出現(xiàn)承載力不足現(xiàn)象應及時進行補強性加固，使其滿足設計要求，這是托梁換柱設計的第二設計原則。

當拆除了某層部分柱后，勢必會使該層的抗側剛度發(fā)生變化。因此在滿足了前面兩點的情況下，也需要考慮房屋整體性能的要求，要滿足結構抗震、抗風等抗側力要求，與此同時還需要注意由于托梁截面的增加和柱子的減少而導致結構出現(xiàn)“強梁弱柱”現(xiàn)象，這是托梁換柱設計的第三設計原則。

2.3 托梁換柱技術設計思路

在托梁換柱加固改造技術中，設計方案必須滿足前述三個設計原則，與此同時也需要在設計中體現(xiàn)到如下思路。

①二次受力：加固前原結構已經承受的荷載稱為一次受力，通常結構此時的承載能力已經有一定不足或即將出現(xiàn)不足，這就意味著當前原有結構中應力應變水平較高；在進行加固后，新加固部分并不能立即對原結構的荷載進行分擔，因此，新加增強材料的應變始終滯后于原構件的應變，原構件的應力當然也始終高于新加部分的應力，即所謂的應變滯后現(xiàn)象[4]。為了讓新加部分與原有部分更好的進行協(xié)同工作，通常在加固時，我們可以對原結構進行合理的卸載，一次提高兩者對于二次受力時協(xié)同工作的能力。

②基于性能的結構抗震加固：由于托梁換柱對于結構的抗側力系統(tǒng)造成了較大的改變，在一定程度上影響了結構的抗震性能。若是通過各種手段來恢復原有結構的抗震性能，這無疑是不經濟的，也不具有實操性。這個時候我們需要基于新結構的性能，重新考量結構的抗震性能，通過合理加固改造一些構件，建立新的傳力途徑，來形成一些合理的破壞形式，以此來改善結構的抗震性能。

3 結論

本文首先介紹了既有結構加固改造的概念和實際工程上已有加固改造技術方法及其使用范圍，并在此基礎上詳細介紹了在實際工程中廣泛使用的托梁換柱技術，包括其分類、設計原則和設計思路，其中對于托梁換柱技術三點設計原則和兩項設計思路進行了重點敘述。作為一種常用的加固改造手段，托梁換柱技術可有效解決既有結構功能改善所造成的結構問題，且具有施工工期短、施工期間影響小等特性，值得深入推廣。

[1]朱純宜.既有建筑結構加固技術經濟性分析[D].華東交通大學，2012.

[2]張鑫，李安起，趙考重.建筑結構鑒定與加固改造技術的進展[J].工程力學，2011，01:1～11.

[3]呂西林.建筑結構加固設計[M].北京：科學出版社，2011.

[4]呂克順，伏文英.混凝土結構加固設計與施工細節(jié)詳解[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[5]李愛群，吳二軍，高仁華.建筑物整體遷移技術[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[6]鄭石柱.淺談鋼筋混凝土框架結構托梁換柱施工方法[J].廣東土木與建筑，2001，12:68-70.

[7]楊峰亮.托梁拔柱技術在超高層建筑改造中的應用[J].建筑施工，37（5）：581-583.

[8]常明.托梁換柱技術在工程實踐中的應用[J].建筑技術開發(fā)，2014，41（12）：45-48.