某大型商业中庭托梁拔柱改造设计

魏志强

（佛山南方建筑设计院有限公司 广东佛山528000）

1 工程概况

某大型商业体原设计为购物中心，主要经营模式为大型百货。商业体为地下4 层（B4 层～B1 层），地上6 层（Lg 层、L1～L5 层）。基础采用独立基础，持力层为中风化岩石。原设计的楼层功能如下：地下室B1 层以下为停车库，B1 层为超市，Lg～L4 层为百货商场，L5层为会所的大空间宴会厅。

商业体未改造之前已投入使用3年，由于近些年电商等线上销售模式的冲击，运营商根据市场需求把该商业体业态调整为餐饮、儿童娱乐场所，为了符合新的定位调整，商业体大规模增改了中庭动线，具体的建筑改造方案如图1 所示。其涉及主体结构方面的改造主要为拔柱、增扩中庭洞口、局部洞口封堵、厨房区域荷载等。

2 改造重点、难点

从图1 可知，中庭洞口增扩范围已包含了原结构柱Z1（A-7 轴交A-K 轴）、Z2（A-10 轴交A-K 轴）,故需要拆除这两根柱。由于建设方要求L4～L5 层楼屋盖不能拆除，且不得影响中庭上方宴会厅的正常营业，因此不能采取“拆除改造涉及区域内全部结构梁板柱后新浇”的方案。受限于上述条件，本工程存在以下几个改造难点和重点：⑴在不破坏中庭洞口周边支撑柱的情况下，如何实现新方案中庭洞口形成的近10 m 悬挑；⑵如何保证中庭上方L5 层会所在拔柱后的正常使用；⑶如何设计改造加固施工顺序以确保改造的可行性。

图1 中庭改造前后建筑方案Fig.1 Architectural Plan before and after the Atrium Reconstruction

另外由于中庭洞口周边支撑柱的受荷范围增加，造成Lg 层部分型钢转换梁截面不满足计算要求，需考虑如何在尽量不影响B1 层超市运营的情况下，完成型钢转换梁的加固设计。

针对改造加固中的重点、难点，本文进行了分析设计，具体详见第3 节。

3 主要改造构件的改造加固方法

3.1 基础的加固

本工程基础由于部分支撑柱受荷范围增加，造成部分独立基础存在地基承载力满足要求，但抗剪截面不满足规范要求的情况。结合上述特点，采用增大柱截面的方式进行加固，该方案不但便于施工，还可避免扰动原地基持力层。经计算，柱每侧加大约100～200 mm 即可满足计算要求，也能满足建筑使用功能要求。

3.2 梁板柱的加固

梁板柱加固方式[1-3]主要有：增大截面加固法、置换混凝加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法、外包型钢加固法和体外预应力加固法等。

根据工程特点，本工程框架柱采用增大截面加固法以保证加固构件的可靠性和耐久性；对于普通结构梁的加固，根据实际情况分以下情形实施：⑴箍筋不足、截面不足、框架梁面筋不足时采用增大截面加固法；⑵框架梁底筋、次梁纵筋不足时，优先采用粘贴钢板加固法以便施工，根据文献[1]要求，当加固后正截面承载力提高幅度需大于40%时，改用增大截面加固法。⑶对楼板采用粘贴钢板加固法。

3.3 中庭新增大跨度悬挑梁的改造设计

中庭洞口形成的约6～10 m 悬挑，由于支撑柱不能凿掉重做，如采用常规植筋方式，会存在以下问题：⑴植筋胶耐久性差，用于受拉纵筋锚固时可靠性差，业内一般不用于结构梁受拉纵筋的锚固，悬挑梁由于是静定结构更应慎用植筋锚固；⑵如采用植穿结构柱+紧固螺帽的锚固方式，由于内侧结构梁的存在会导致现场施工困难；⑶植筋锚固对结构柱节点损伤大，按800 mm×1 600 mm 截面试算9～10 m 跨悬挑梁，其支座面筋计算值约100 cm2，约21 根φ25 钢筋，在满足植筋间距要求[1]的条件下，面筋层数多达4 层，其相应的钻孔将对结构柱节点带来很大损伤。

另外由于设备管线走线的要求，悬挑梁梁高应控制在800 mm 以内。拟采用方案如下：⑴预应力悬挑梁；⑵端部加高的普通钢筋混凝土变截面悬挑梁。考虑到800 mm 梁高所能布置的预应力筋角度小会导致预应力筋效率低、预应力施工困难等因素，本工程采用施工较简单的方案2。方案2 变截面做法如下：梁端部约3～4 m 范围梁高800 mm 以便设备管线铺设；当悬挑跨度为6～8 m 时，梁根部约3～4 m 范围加高至1 500 mm；当悬挑跨度为8～10 m 时，梁根部约3 m 范围加高至1 600 mm，中间约3 m 范围加高至1 200 mm。改造前后典型的中庭结构布置图如图2 所示。

图2 中庭改造前后典型结构布置Fig.2 Typical Structural Arrangement before and after the Atrium Reconstruction

对于悬挑梁面筋锚固问题，经调研和借鉴以往其他设计人员经验后，采用支撑柱端两侧加柱托后伸出双悬挑次梁的改造方式。双悬挑次梁以及柱托的做法如图3 所示。此做法优点如下：⑴悬挑梁面筋少，方便施工；⑵面筋锚入新增混凝土内，可靠性高；⑶对支撑柱损伤小。

图3 支撑柱柱托和悬挑次梁改造平面及剖面图Fig.3 Reconstructive Plane Diagram and Profile Sample of Column Cap and Cantilever Secondary Beam

长悬挑构件[4]除应按承载力设计钢筋外，还须重点验算其挠度，根据文献[4]3.4.3 条悬挑梁挠度应小于l0/400（l0按实际悬臂长度2 倍计算）。本工程中庭长悬挑构件的编号和弹性挠度如图4所示。从计算结果可知，XL1～XL7 中弹性挠度与跨度的最大比值约为4.3/11 000=1/2 558。

图4 准永久组合工况下中庭悬挑构件的弹性挠度图Fig.4 Elastic Deflection Diagram of Cantilever Members in Atrium Area under Quasi-permanent Combination Conditions

根据文献[4]7.2.3-1 式，偏保守取钢筋应变不均匀系数ψ=1.0，受拉钢筋配筋率ρ=0.02，rf′=0，得BS=EsAsh02/2.15，结合文献[4]7.2.2 以及7.2.5 条，不考虑受压纵筋有利影响，悬挑构件的长期挠度约为有限元计算弹性挠度的2.4×2.15=5.16 倍。综上悬挑梁挠度与跨度的最大比值约为1/495，满足规范要求，可知本工程采用的长悬挑构件的设计是安全合理的。

为限制长悬挑构件的挠度绝对数值，参考文献[5]3.4.3 条，本工程对外挑长度大于4 m 的新增悬挑梁均要求按l0/600 进行起拱（含施工起拱）。此外为了施工安全，中庭洞口周边悬挑梁均要求拆模后回顶。

3.4 转换构件的加固

由于中庭洞口周边支撑柱的受荷面积增加，造成Lg 层有1 根变截面型钢转换梁KZL5a 截面尺寸、纵筋不满足计算要求。KZL5a 梁原截面900 mm×1 200 mm，变截面加高范围为900 mm×1 500 mm, 内埋800 mm×400 mm×35 mm×50 mm 的Q345 型钢。为尽量不影响B1 层超市净高和运营，对其采用如下加固方式相结合的方案[6-8]：⑴增大截面，梁宽每侧加宽150 mm，梁高统一加高至1 800 mm。⑵为控制梁底裂缝，在保证新增底部钢筋满足计算条件的情况下，对梁底部、侧下方增设钢板。具体的加高方案如图5 所示。由于增加了梁高，混凝土内型钢布置由对称变为非对称，原混凝土内纵筋受力变小。为了考虑上述变化影响，安全经济的设计新增底部纵筋和钢板，本文采用SAP2000[9]截面设计器进行了设计复核，并依据文献[5-8]对梁底抗剪连接件承载力以及柱边梁底受拉承载力进行了验算。SAP2000 截面设计器是基于有限元的分析方式，能准确分析复杂截面（含组合截面）在各弯矩下的钢筋、钢材、混凝凝土应力应变，并给出截面的极限弯矩、设计弯矩。为节省篇幅，本文仅列出转换梁原1 500 mm 高的梁端底筋的加固计算简图（见图6）和复核结果（见图7）。

图5 KZL5a 梁加固方案示意图Fig.5 Schematic Diagram of KZL5a Beam Reinforcement Plan

图6 KZL5a 右侧跨中加固计算简图Fig.6 Calculation Diagram of Reinforcement at the Bottom of KZL5a Beam

结果表明，新增底部纵筋和钢板满足受弯要求，栓钉、梁柱节点设计满足受力要求。梁抗剪承载力验算以STAWE 计算结果为主，并根据规范验算截面尺寸的富裕度，结果表明转换梁加固后截面尺寸富裕度不小于1.2。

图7 KZL5a 梁跨中加固后受弯承载力复核结果Fig.7 Checking Results of Medium-span Flexural Bearing Capacity of KZL5a Beam after Reinforcing

3.5 屋盖的加固

在拆除中庭结构柱Z1 和Z2 之后，为确保上方L5 层楼盖形成的18 m 跨大梁（见图8）不出现影响使用和美观的过大挠度裂缝，本工程采用增加大截面法和体外预应力相结合的加固方法[10，11]。因原柱需待新梁施工完成后截断，故原柱范围内的纵筋和预应力筋需精心设计，采用原柱开圆孔穿筋的方式，具体做法如图9 所示。预应力筋、纵筋均按各自能满足承载力要求设计，预应力筋张拉应力按截断柱时待截断柱内力接近于零控制，且要求不得超张拉。

图8 中庭上方大跨度梁加固剖面示意图Fig.8 Section Diagram of Strengthened Long Span Beams Which is above the Atrium

图9 原柱开圆孔穿筋做法示意图Fig.9 Diagram of Drilling Round Holes and Reinforcing Bars on Columns

4 改造加固施工顺序设计

结构构件在建筑建成之后都已进入受力状态，对于主要受力构件的改造加固往往是牵一发动全身，甚至引发安全事故，因此有必要在充分考虑结构传力路径和施工条件的情况下，制定改造加固施工顺序。在框架结构、剪力墙结构以及框剪结构或框支结构中，主要的传力路径是自上而下：楼板→梁→墙柱→基础→地基；对于这类结构一般的改造加固顺序自下而上：地基→基础→墙柱→梁→楼板，横向则需要针对不同的对象特点来具体安排。对于复杂改造加固项目应制定改造加固施工顺序图，以正确指导施工，避免工程事故的发生。

5 结语

本工程商业体中庭目前已顺利完成结构主体改造加固。通过该改造工程的设计，得出几点建筑改造加固设计的心得，以供设计人员参考：

⑴由于现实条件制约，改造加固设计需综合既有建筑原设计条件（图纸）、建筑实际运营情况、建筑周边环境以及施工可行性等因素开展，其设计难度远大于新建建筑的设计，这就需要设计人员在熟悉现有改造加固技术基础上，结合客观条件充分发挥主观能动性去解决其中难点重点。

⑵本工程中庭新增大跨度悬挑部分，采用柱端两侧加柱托后伸出双悬挑次梁的改造方式，避免了支撑柱因大量植筋损伤结构柱节点、面筋植筋可靠性低的情况。经计算分析和现场施工反馈，该悬挑改造方式可行且可靠性较高。

⑶由于钢筋混凝土构件的受剪破坏往往是脆性的，作为关键构件转换梁的抗剪截面、新旧材料、不同材料之间界面抗剪承载力的验算应重点分析设计。对于特殊截面或组合截面的受弯承载力验算应采取有效分析方法复核。本文采用基于有限元的SAP2000 截面设计器进行受弯承载力分析复核，分析结果表明加固梁受弯承载满足要求。

⑷涉及竖向构件拆除的改造加固工程，设计人员应分析竖向构件拆除前后结构的传力顺序和路径，并在此基础上设计改造加固施工顺序。对于复杂项目的改造，建议绘制改造加固施工顺序图以指导施工，避免工程事故的发生。