某高层框架-抗震墙结构拆除底部抗震墙工程方案

于德广 秦思源 白雪松

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

0 前言

建筑物设计使用年限50年，很多使用条件会发生变化，导致建筑物需要进行各种改造。其中最为常见的是为了扩大使用空间而进行的抽柱或拆墙。柱和墙这类竖向受力构件，在竖向荷载和水平荷载的传递过程中起到重要作用。理论上，采取充分的措施后可以实施，但改造后结构构件应力重新分布，导致局部应力集中等现象，存在较大的不确定性。抗震墙是框架-抗震墙结构的主要受力构件，故不宜拆除，尤其是位于高层建筑底部的抗震墙。

1 工程概况

某办公楼位于北京市某中心城区，主体结构包括地下3层和地上34层，地上建筑物高121 m、长37.5 m、宽24 m，结构形式为钢筋混凝土框架抗震墙结构，混凝土强度等级为C40，1998年建成并投入使用。办公楼的剖面图如图1所示。

图1 办公楼建筑剖面图(单位：mm)

图2 办公楼2层平面图(单位：mm)

办公楼2层(标高4.8 m)的贵宾接待室开间7.8 m，进深9.7 m，空间略显狭小，不能满足目前使用需求，其平面图如图2所示。本次改造的目的是拆除2层贵宾室的10轴与13轴承重墙，以扩大其使用空间，使贵宾接待室平面尺寸由7.8 m×9.7 m增加到9.7 m×13.5 m。抗震设防烈度为8度(0.2 g)，属B级高度高层建筑，抗震墙抗震等级为特一级，框架抗震等级为一级。拆除承重墙后，形成框支框架，其抗震等级为特一级。

2 受力分析

2.1 结构参数

在图2中，去掉10轴及13轴1/D与H轴之间的墙体后，对整体结构进行分析，相关参数的规范[1]要求如下：

1)结构最大层间位移与层高之比1/1391，满足该值不大于1/800的规范要求。

2)y向侧向刚度第2层与第3层的比值为0.87，不满足该值不宜小于0.9的规范要求。

3)y向层间抗剪承载力第2层与第3层的比值为0.92，满足该值不应小于0.75的规范要求。

4)y向地震作用下，第2层层间扭转位移比为1.05，满足规范要求；而且两侧墙体对称拆除，不会造成平面扭转不规则问题。

5)拆墙后A柱轴压比由0.58升高至0.98，不满足该值不宜大于0.60的规范要求。B墙截面积为4.85 m2，A柱截面积为1.5 m2，原B墙承担的竖向力转移至A柱，引起A柱的轴压比超限；而与A柱相邻的D柱轴压比由0.65上升到0.76。

2.2 墙体拆除后的应力分布

10轴线墙体的主应力迹线(图3)表明，当2层墙体拆除后，拆除部位上部墙体应力将会向两侧扩散，形成类似拱的结构。受拱脚推力作用，拆除后剩余墙体和框架柱发生位移(图4)，该位移值为0.9 mm。从A柱轴力分布情况(图5)来看，受影响的不仅是拆除墙体的第2层，其向上、向下各2层，A柱轴压力均有增大，最大轴压力达到28.0×103kN。D柱轴力变化趋势与A柱类似，但其最大值比A柱小。

图3 第2层墙体拆除后主应力迹线

图4 第2层墙体拆除后重力荷载作用下的变形

图5 A柱轴力分布图

3 加固措施

在拆除墙体的上下各两层范围内，均存在较大的应力重新分布现象。重构结构传力体系，形成框支抗震墙，如图6所示。基础为2.5 m厚筏板，通过下面4层(1层至-3层)墙体的传导，筏板受力状况几乎不因拆除墙体而改变，基础无需加固处理；而框支柱、转换梁和楼板由于应力重布而变形，需要加固。

图6 改造后形成框支抗震墙(单位：mm)

3.1 框支柱加固

特一级框支柱宜采用型钢混凝土柱、钢管混凝土柱[1]，结合本工程特点，A柱采用外包矩形钢管混凝土加固，如图7所示。钢板在遇到楼层的位置需要断开而不能连续传力，忽略钢板对竖向承载力的直接贡献，仅按照外包钢筋混凝土柱计算。外包加固后，形成一个二次受力的组合构件，由于加固过程无法卸荷，新增截面与原有截面应力应变均不同步，原荷载由原有截面独立承担，新增荷载由新老截面共同承担。原截面混凝土应变超前，在其达到极限压应变时新增混凝土尚未达到极限承载力，故应对新增截面钢筋和混凝土强度进行折减；考虑到原有截面处于三向受压状态，极限压应变有所提高；徐变的存在是一个有利作用，有助于原截面将其首先承受的一部分荷载转移至新增截面。综合考虑，A框支柱截面承载力按式(1)计算 ：

(1)

式中：N——构件加固后的轴向压力设计值，kN；

φ——构件稳定系数，根据加固后截面尺寸确定，为1.0；

Ac0——构件加固前混凝土截面面积，为1.5×106mm2；

fc0——原构件混凝土抗压强度设计值，取19.1 N/mm2；

fc——加固后新增混凝土抗压强度设计值，取23.1 N/mm2；

Ac——构件加固后新增部分混凝土截面面积，为1.4×106mm2；

αcs——新增截面强度折减系数，取0.8[2]。

根据式(1)计算得，A框支柱截面承载力为49.1×103kN，而轴压力设计值为28.0×103kN，轴压比约为0.57，满足规范[1]不宜大于0.6的要求。

E角点处墙体轴压比满足要求，但为了在转换梁两侧均形成框支柱以明确传力路径，在E角点处增补钢筋混凝土形成框支柱,如图8所示。

图7 A框支柱(单位：mm)

图8 E角点框支柱(单位：mm)

图9 转换梁(单位：mm)

3.2 转换梁加固

转换构件由原抗震墙两侧贴钢板构成。在剪力作用下钢板有可能发生扭曲，导致胶体逐步撕裂后与墙体脱离，为此，在两块钢板之间采用梅花状布置的M16对拉螺栓拉结，如图9所示。该转换梁位于“拱脚”部位，主要承受偏心拉力作用，设置钢板后，“拱脚”水平位移由0.9 mm降至0.6 mm。为简化计算，忽略原钢筋混凝土墙体，仅考虑钢板作用，拉力设计值1 138 kN，弯矩设计值仅为270 kN·m，则钢板最大拉应力为式(2)：

(2)

式中：σ——钢板拉应力，N/mm2；

N——钢板所受轴心拉力，kN；

A——钢板截面积(bh)，mm2；

M——钢板所受弯矩，kN·m；

b——转换梁两侧钢板厚度之和,40 mm；

h——钢板截面高度，1 150 mm。

根据式(2)计算得，铜板最大拉应力为55 N/mm2。

3.3 楼板加固

部分框支抗震墙结构中，框支转换层楼板厚度不宜小于180 mm[1]。该构件是重要的水平力传递构件，将不落地抗震墙根部的剪力传递至相邻落地抗震墙。转换层位置原楼板150 mm厚，叠合现浇100 mm厚，总厚度250 mm，叠合面凿毛处理，形成凹凸差不小于4 mm的粗糙面。原楼板配筋充裕，叠合楼板施工时，原楼板下部不设支撑。对于地震(风荷载)水平剪力的传递，原有楼板并不存在应力超前的现象，新增楼板与原有楼板处于同等地位。叠合面仅承受由使用荷载及二期恒载(面层、吊顶等)引起的剪力。剪力的限制按式(3)计算[3]：

(3)

式中：V——叠合板所受剪力，N；

b——叠合板宽度，mm；

h0——叠合板截面有效高度，mm。

3.4 施工顺序

施工时，应先加固框架柱、转换梁及转换层楼板，待柱、梁及板加固完毕，且新增柱混凝土强度达到设计值后，再凿除抗震墙。

4 工程造价估算

针对上述方案对工程造价进行大致估算如下：

1)拆除与加固工程直接费380万元。

2)工程特殊措施费用(静态爆破拆除、化学植筋、渣土倒运、防噪声等)100万元。

3)工程检测、鉴定、评估、评审、设计、监理、工程保险等费用80万元。

4)工程不可预见费用80万元。

故工程总造价估算为640万元。此造价不包含装修、给排水、通风、电力、电讯等管线及设备重新安装费用，也不包含大楼2层以下空间停用带来的损失。同时，施工方案的选取，施工中遇到不确定的困难，对周围环境造成污染等因素均会造成工程造价的变化。

5 结束语

高层建筑底部抗震墙拆除，需要重构结构传力体系，形成框支抗震墙，一般均会给结构带来较大的应力重分布，甚至带来较大的破坏。新增截面与原有截面应力应变均不同步，使新增材料不能充分发挥作用。加固过程繁琐，改造费用包含内容较多，故此类工程应权衡利弊，采取充分措施，慎重处理。