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五洲大酒店改扩建工程结构设计北京市建筑设计研究院2004.11.12随着我国经济建设的飞速发展，人民生活水平的不断提高，许多早期的建筑物从功能上和抗震性能方面已经不能满足现阶段的要求，建筑物进行结构加固改造在目前越来越普遍。建筑物加固改造主要分为两类：1.原有旧建筑进行抗震加固；2.由于建筑使用功能的改变进行的结构加固。随着建筑科学技术的发展，结构加固技术也有了很大的进步。主要表现在钢筋后锚固技术；粘钢加固技术；碳纤维加固技术；体外预应力加固技术等。下面主要结合北京五洲大酒店东楼改扩建工程的实例，重点介绍利用预应力技术对结构进行拆柱托换梁改造的情况，以期为今后此类工程的加固改造设计提供可借鉴的经验。1前言北京五洲大酒店为亚运会工程，1987年由北京市建筑设计研究院完成设计，1989年投入使用至今。本次改扩建工程分为新建地下停车库；裙房部分扩建及改造；主楼改造三个部分。主楼部分原设计为地下二层，地上十八层，采用局部框支剪力墙结构体系。此次改造是由于业主及建筑使用功能的要求，需拆除原结构中首二层八根框支中柱，形成二层高的新门厅大堂，从而提高五洲大酒店形象及服务空间环境质量。北京五洲大酒店原建筑首层平面与改造后的建筑首层平面如图1,图2所示。2工程概况图1五洲大酒店东楼改造前首层平面图2五洲大酒店东楼改造后首层平面3.1结构改造加固设计方案在确定结构改造设计方案时，有两种选择：一是“先拆除后加固”；二是“先加固后拆除”。两种方案都考虑利用二层以上的设备层做框支梁进行结构转换，并将边柱截面加大。首二层及设备层结构平面如图3-5所示。3结构设计图3五洲大酒店首层结构平面图4五洲大酒店二层结构平面图5五洲大酒店设备层结构平面采用第一种方案时，先对原结构进行加固至二层，然后从基础底板开始至二层结构顶部梁底，架设大型结构支撑，先拆除中柱，并利用千斤顶对原结构进行卸载，在结构加固改造完成以后，再逐步拆除结构支撑，将上部荷载缓缓地传递给新加固结构。此方案的优点是：新加固结构受力明确，二次拆除方便；缺点是对结构支撑的要求较高，风险性较大，费用高，施工速度慢，难度较大。采用第二种方案时，先对原结构进行加固，在改造完成以后，再开始拆除中柱，通过控制拆除进度，将上部荷载缓缓地传递给新加固结构。本方案的优点是：不需要设置大型结构支撑，施工速度快，难度较小，安全度较高，缺点是结构拆除难度大。3.1结构改造加固设计方案综合以上两个方案的优缺点，本工程的结构加固改造设计方案，采用“先加固后拆除”的设计方案。方案中既考虑了满足上部垂直荷载的要求，同时又保证结构加固改造后，整个建筑物的抗震能力不能降低，且必须符合现行国家设计规范。为能有效地将上部荷载传递给新加固结构，在设计构造上采取措施确保新老结构的共同工作；同时为了最大限度地减小新加固结构框支梁的变形，在后加固梁中设置后张有粘结预应力钢筋，目的之一能减小梁的变形，二是能对大梁进行卸载，确保在原有结构中柱拆除后，新加固结构框支梁的变形不会影响上部结构的安全。3.1结构改造加固设计方案本工程结构整体计算采用了中国建研院编制的TAT三维空间结构计算软件进行计算，框支部分采用了中国建研院编制的FEQ有限元结构计算软件，对单榀结构进行分析。改造前后单榀结构计算简图如图6-7所示。为进行对比分析，对加固前和加固后的结构分别进行了整体计算，根据计算分析结果，自振周期和层间位移均相差很小，结构加固前T=0.87s,dx/h=1/2300,加固后T=0.88s,dx/h=1/2250,说明建筑物整体的抗震能力基本没有降低，这可能是由于进行结构改造为局部，同时又采取了加强措施，因此对整体结构影响不大。同时，为确保结构计算的准确性又采用了SAP90有限元结构计算软件对单榀结构进行计算分析，并结合这三个方面的计算分析结果进行结构设计，同时考虑大梁变形对上部结构的影响。3.2结构计算图6改造前剖面大样图7改造后剖面大样3.3.1框支柱的加固设计框支柱加固从基础底板开始，采用加大柱截面法，柱截面尺寸为1200x2050，如图8所示。加固柱钢筋采用机械钻孔，结构胶植筋，锚入箱型基础底板。原结构柱截面尺寸为D=1000mm，剔凿成矩形截面，一是方便加固柱钢筋能够顺利通过，二是能够使后加固结构对原结构柱形成环箍效应，提高原结构柱的承载能力。为提高加固柱的抗震性能，另在加固柱内设置芯柱，原结构柱剔凿成矩形截面后，外包钢板箍，通过以上方法来提高原结构柱的承载能力及其后加固柱的延性，框支柱加固至地上设备层顶板止。3.3结构构件设计图8柱加固改造大样3.3.2框支梁的加固设计1.预应力框支梁结构计算根据单榀结构计算分析结果，框支梁采用部分预应力，根据荷载平衡法选择合理的预应力筋线型和预加力，由于本工程是加固改造工程，预应力筋的布置受到很大的限制，因此预应力筋采用折线及抛物线分别布置，预应力筋数量的确定主要考虑对梁施加预应力后，能够平衡一根中柱的荷载，另一根中柱的荷载由非预应力筋来承担，根据计算分析需布置54根钢绞线。在不考虑上部结构共同工作的情况下，对结构进行强度计算和变形验算，计算中仅考虑新加固的结构，而忽略原有结构的共同工作，计算结果表明框支梁的结构变形为d/h=1/5000，由于框支梁的上部为抗震墙结构体系，能够产生拱作用，从而可以保证在中柱拆除后，框支梁变形对上部结构的影响很小。2.框支梁的加固设计框支梁的加固设计是本工程的重点。由于去掉两根柱以后，框支梁的跨度加大，原设计中梁高1200不能满足要求，因此在结构设计中，利用上部设备层（原设计墙厚600）作框支梁，梁下部由1200加大至1500高，梁宽由原600增大至1500，既在原设计墙厚600两侧各另加450宽的梁，框支梁截面为1500x4300，如图9所示。原结构设备层中部有一洞口为1800x2100，先进行改造为1200x1500，门框由型钢焊接而成，将墙改造成带洞口的框支梁，如图9所示。并在框支梁中设置有粘结后张预应力钢筋，以便能够有效地减小框支梁的变形，避免影响上部结构的安全，如图10所示。为保证上部荷载能有效地传递给新加固结构，确保新老结构的共同工作，采取在原有结构墙上机械钻孔埋设型钢销，同时原结构墙表面需凿毛。另外考虑到混凝土梁体积较大，为减小混凝土收缩变形，采用微膨胀低收缩砼等措施。3.3.2框支梁的加固设计图9框支梁加固改造大样图10框支梁预应力筋布置图在结构平面布置上，考虑到由于撤除12轴抗震墙，12～14轴间B、D轴纵墙，因此决定将B轴及13轴墙厚由原设计的400厚增大至600厚，并在13～15轴间2/A轴、E轴上增设350厚抗震墙（地下室外墙厚为400）将端部形成钢筋砼筒体，增大抗侧刚度，同时保证落地抗震墙的数量与原结构一致。砼墙加厚处，原墙表面需凿毛，另外新老墙之间增设锚筋，抗震墙加固从基础开始，至设备层顶板为止。3.3.3抗震墙的加固设计基础部分由于撤除中柱以后，荷载发生变化，基础部分也进行了加固处理，具体加固设计图如下图所示。3.3.4基础的加固设计由于拆除12轴抗震墙后，抗震墙之间的间距超过规范的要求，因此需采取加强框支层楼面侧向刚度的措施，以确保主体结构的抗震性能。设计中在二层顶板2/A轴及E轴上将原设计的600X1200框支梁增大至2000X1500，并在框支柱顶增设1000X600边梁，由此来提高楼层的抗侧刚度，以保证水平地震力的传递。具体加固设计图如下图所示。3.3.5框支层楼面侧向刚度的加固设计4.1中柱拆除4.1.1中柱拆除前的准备工作框支中柱拆除前，由设计，施工，监理及业主四方共同研究确定中柱拆除支撑方案，并由施工及监理单位对框支大梁混凝土质量进行仔细的检查，预应力施工单位应对张拉端及锚固端进行仔细的检查，现场测试单位应对测试仪器及测点进行调试。4结构加固改造及测试4.1.2框支中柱拆除顺序框支中柱的拆除顺序是本次改造工程的难点。如何能够有效地将中柱的荷载缓慢地传递给新加固的边柱，避免影响上部结构的安全，这是拆除工作中重点考虑的问题。经过反复分析及论证，结合拆除摸拟计算结果，最终确定预应力钢筋分批张拉，中柱逐根拆除，依据现场检测结果确定中柱拆除速度。4.1.2框支中柱拆除顺序具体拆除顺序如下所示：A.第一次先张拉六根预应力钢筋中的四根，至设计值的100%；B.用水钻逐步切割第一根中柱，速度依据检测结果确定；拆除第一根中柱后，第二次张拉六根预应力钢筋中的另外两根，至设计值的100%；C.用水钻逐步切割第二根中柱，速度依据检测结果确定；D.拆除完中柱以后，逐根二次张拉预应力钢筋至设计值的105%；为保证结构加固及拆柱施工时的安全，在加固和拆柱的全部施工过程中，本工程对后加固结构及原有结构进行了钢筋与混凝土的应变及构件变形的现场测试。现场测试的内容主要包括加固梁的变形，挠度，倾角变形，钢筋的应变，混凝土的应变及柱钢筋的应变等,目的之一为中柱拆除进度及决策提供帮助,同时为准确掌握中柱拆除以后,新加固框支梁,柱结构的受力情况,从而确保建筑物施工和使用的安全。具体测试点布置图如图11所示。中柱具体拆除过程中加固梁的挠度如图12所示。4.2结构测试4.2.1现场测试图11-A具体测试点布置图图11-B加固柱测点布置示意图200150503502000-0.07020020030030012009.18092501400600300300600200060050图2首、二层9轴、11轴柱子两端测点布置示意图00.20.40.60.811.21.41.61.8123456789(mm)9轴南端东侧9轴南端西侧补张拉拆11#梁柱拆9#梁柱补张拉补张拉补张拉拆10#梁柱拆12#梁柱图12-1中柱拆除过程中梁的挠度变化曲线由于拆除中柱以后，荷载发生变化,为准确掌握整个建筑物的沉降变化，本工程对主楼进行了沉降观测，其目的是为确保拆除中柱施工的安全和建筑物的安全使用提供可供分析的数据。4.2.2主楼沉降观测北京五洲大酒店主楼改造工程难度很大，我们在没有可借鉴经验的条件下，拆除原结构首二层八根框支中柱，用预应力框支梁进行托换，而梁上还有十五层建筑的情况下进行结构改造，到目前为止在国内尚属首次。利用预应力技术不但有效地解决了柱的拆除问题，同时也可以解决框支梁的变形问题，为今后此类工程的改造设计提供了可参考的经验。根据冶金工业部建筑研究总院结构试验室提供的检验报告，加固梁变形，挠度，混凝土应变及柱应变等均满足现行国家规范及规程要求，具体拆除后的检测结果如表1所示。北京五洲大酒店主楼改造工程达到了预期的目的，结构改造取得了圆满成功。5结论