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摘要：针对新疆八一钢厂因工艺要求，加大柱距，应用托梁拔柱技术将厂房柱距由6米扩大为18米。提出托换工程中相应的厂房加固方案，施工措施，完成18米抗扭托架设计，解决了托换时应变形能释放及变形控制问题和新结构与原结构协同工作问题。其设计思路可供同类工程设计参考。
关键词：卸荷，托架，加固，协同工作，托换，断柱
一、引言
在老厂房内新增生产线，大多数情况为原有厂房柱距较小，需要在不影响生产的情况下在特定位置扩大柱距以放置新的生产线。扩大柱距基本方法有两种。一、拆除扩大柱距范围的屋盖系统后拔除中间柱子，最后再恢复屋盖及其它厂房系统，完成扩大柱距。二、不拆除屋盖系统，新增托架承受被拔柱竖向力，最后拔除被拔柱，完成扩大柱距。即通常所说的托梁拔柱法。
第一种方法，由于要拆除屋盖系统，虽设计简便，但工程费用较高，工期较长，生产企业一般难以接受。托梁拔柱法投资少，工期较短，对生产影响不长，是在原厂房内实现扩大柱距较为有效的方法。
二、工程概况
新疆八一钢厂转炉炼钢厂厂房有18米炉子跨，13.5米钢水接受跨，21米连铸跨，5米过渡跨，24米精整跨。因生产规模扩大，需在厂房内增加两台连铸机，据工艺要求需将精整跨厂房C1，D1轴线215，216及308，309轴处柱抽掉，使6米柱距扩大为18米。
精整跨跨度24米，柱顶标高12.32米，梯形钢屋架，大型屋面板，无天窗。内设三台20t/5重级工作制吊车，6米钢筋混凝土吊车梁，轨顶标高9.5米（见图1）。
四、托换及加固方案
1.拔柱两侧的基础及柱子采用加大基础及柱断面的方式加固；
2.在拔柱范围内增加屋面支撑，并在拔柱两侧柱距内增加柱间支撑，保证拔柱时屋面及厂房纵向刚度和横向刚度，减小屋面变形；
3.在屋面荷载作用下，采取保留原屋盖系统和上段柱，截掉下段柱，用新的托架作为上段柱的支承，并用托架夹柱的整体工作方案，实现托梁拔柱；
4.拔柱前，在拔柱屋架端头地面设置特制顶承钢架，在钢架上用千斤顶承屋架，将断柱时屋架荷载传递至顶承钢架上，在断柱完成后再放松千斤顶，将屋架缓慢传递到托架上，用千斤顶系统完成可控卸荷，以缓慢释放断柱时瞬间应变能量，保证托换工程安全可靠。
5.托换设计设计程序
①．计算拔柱前的荷载及原结构内力；
②．将被拔柱所受的全部竖向力转由托架承受，并以此进行托架设计；
③．进行拔柱范围内屋架支撑体系设计，保正形成具有较大水平刚度的空间体系，以承受被拔柱的水平力，并形成新增托架稳定的侧向支承体系；
④．按托梁拔柱后的荷载传递途径计算结构内力；
⑤．根据托梁拔柱后计算所得内力，对有关柱子及地基基础进行加固设计；
⑥．进行托换过程的荷载转换设计，即卸荷顶升设计，确定顶升荷载；并提出顶升技术及安全要求；
⑦。根据具体施工方案和实际受力情况，对结构的施工阶段的强度和稳定性进行验算。
五、拔柱两侧的基础及柱加固设计施工
（一）基础
原厂房柱为天然独立柱基，经托换结构计算，将被托换柱的荷载传至两边柱，增加荷载由扩建基础承受。据地质情况及控制基础沉降要求，采用扩大基础底面积方法加固基础（见图4）。
由图4看出植入老混凝土的锚固钢筋以抗拉和抗剪为主，其被新浇混凝土包裹且不焊接其它钢筋，不用考虑植筋材料的耐火、耐高温、抗腐蚀等性能，仅考虑植筋材料的抗拉性能及可满足基础加固要求。 设计前使用CMG-3灌桨料作了植筋抗拉性能实验，其性能完全满足植筋技术要求。在设计中选用了CMG-3灌桨料作为植筋材料。
（二）柱
被托换柱两边柱的加固根据计算及构造同时考虑施工操作要求，采用外包混凝土法。牛腿之上用钢板套法（方便与新增钢托架连接）；下柱为混凝土加大断面加固。新增荷载为托换柱通过托架传至上柱的荷载，吊车梁跨度增至18米增加的荷载。
设计时根据计算及构造和施工要求确定加固柱的几何尺寸，钢筋数量的配置，为减少变形，提高柱的配筋率，选用了直径较大的钢筋。施工时凿除厚柱抹灰及保护层，露出柱的主筋及箍筋，用Φ25@500形状为“Z”短钢筋连接原柱纵筋及新加柱纵筋；加箍筋与原有箍筋用Φ6@500形状为“Z”的短钢筋焊接在一起，使钢筋共同受力，协同工作（见图5）。
（一）托架计算假定及内力分析
抗扭托架计算是一个较为复杂的问题，尤其托架同时承受两个偏心荷载；需考虑托架本身的刚度，两榀托架间的连接杆件的布置，变位，托架空间工作状况等很多因素。
从图7看出，托架承受两个550KN偏心集中荷载。就抗扭托架计算而言，平面外的稳定计算对托架断面确定起控制作用。如按普通设计理论进行计算，其水平计算长度为18米，经计算托架内力很大。为满足托架变形要求，托架上下弦宽度经计算为0.9米，而为满足行车运行要求，托架宽度不能大于 0.6米，0.9米宽托架影响行车通行，托梁拔柱无法实施。
在设计中在拔柱范围内屋盖上下弦均设置了水平支撑（见图10，图11），屋盖系统具有较大整体刚度，断柱位置完全可作为托架计算侧向支撑点，托架平面外计算长度可按6米取值。按平面外计算长度6米进行计算，托架含钢量大大降低了；且托架高度仅为2.4米，宽度为0.6米，对吊车系统无影响，托梁拔柱可以实施。
1.本工程托架承受屋面N=550KN的偏心集中荷载，其偏心距e = 0.27米，因此其外扭距M=148.5KN·m，（见图8）。
2.抗扭托架计算假定
① 在竖向荷载作用下，按简支静定的普通桁架的内力分析；
② 抗扭托架的计算，按以下简化方法进行
a.将外扭矩简化为作用于上下弦的一对力偶（T1），在此力偶作用下按刚接的横向梁计算，其内力组合值为 1+a（见图9）。
b.为了抵抗作用在上下弦的这对力偶，则在两辊桁架间又产生了一对力偶（T2），这对力偶由桁架腹杆承担，不与上下弦内力组合（1+b），另外为了加强抗扭能力，桁架的所有竖杆处用整块钢板代替，其计算按普通钢结构抗剪公式计算（见图9）。
c.考虑到此计算为简化计算，施工中还有难以预料的荷载（如屋架下落的冲击，水平地震效应的分配难以确定等），上下弦的计算中乘以1.3的冲击系数；
d.考虑桁架之间加了抗扭钢板，腹杆内力减小，整个托架的挠度减小，所以腹杆及挠度计算不考虑1.3的系数。
③因增加了拔柱范围内上下弦水平支撑，该范围内屋盖系统具有较大整体刚度。两断柱处可作为托架侧向支承点，托架计算时其平面外计算长度按6米计算。（屋盖水平支撑加固图见图10，图11）
3.竖向荷载作用下内力分析（见图10）
4.扭矩引起的内力
⑴偏心竖向荷载向截面形心简化，结果见图9，在M 的作用下可用作用在上下弦的一对水平力偶T1替代，见图9，为平衡这对力偶，在左右片桁架上将产生相反的一对力偶T2，见图9。
⑵上下弦杆在扭矩作用下的内力，求扭矩内时，支承条件为刚接，见图11。
⑶腹杆在扭矩作用下的内力
求弯矩时边界条件同上下弦，则托架1的T2力应向上，通过结构力学两端刚结梁的弯矩计算方法求出支座弯矩=1080KN.m。计算求斜腹杆的内力。见图12。
由实测数据可以看出，托换完成后第二天变形达到最大，第三天观测时托架变形已经稳定。托架中点最大变形11mm，而计算变形值为12.8mm，为86%，说 明：
① 荷载估算准确；
② 托架各节点按铰接进行内力及变形分析，假设与实际吻合；
③ 受扭空间桁架与实际接近。
从实测数据可知，托换效果与计算分析结果非常吻合，托换成功，托换工期为12d。
十一、结语
1．在旧厂房改造中应用托梁拔柱技术扩大柱距，以新建生产线或改变生产工艺，技术上是安全可靠的；对工业企业降低建设成本，缩短建设周期并有效利用已有配套设施具有普遍意义。
2．托梁拔柱法理论上属于改变传力途径加固法，各种加固规范并无具体的计算理论及施工要求。其前提是建立正确的计算模型，在设计中需解决的关键问题为：
（1）新增托架设计
a：因厂房柱多为偏心受压构件，在断柱处屋架荷载对新增托架为偏心荷载，即托架多为抗扭托架。在设计中建立与实际吻合的抗扭托架计算假定和计算模型是设计托架的前提。并有利于简化计算，加快设计进度。
b：由于受原结构及生产需要限制，托架断面尺寸一般均有所限制，而通过有效技术措施加大拔柱范围内屋盖刚度，使其成为托架稳定的侧向支撑体系，从而减小抗扭托架水平方向计算长度（一般计算长度为未拔柱前柱距），是减小托架断面尺寸，降低托架含钢量最有效的方法。
（2）断柱时的应变能释放及变形控制
为避免断柱瞬间较大的冲击能量及断柱时同时进行的生产引起屋盖及厂房系统的较大变形，保证托换工程安全可靠的进行。采取完善的卸荷措施是保证托梁拔柱技术成功实施的必要条件。
其方法为：采用可靠的顶承装置，顶承屋架，将断柱处屋架荷载传递到顶承装置上，待拔柱后缓慢放松顶承装置，将荷载传递至新增托架上。
顶承要求：
a：顶承装置自身具有一定侧向刚度，可抵抗侧向变形，并应设计为组合结构，以适应不同高度及不同工程的顶承要求。
b：顶承装置使用千斤顶应带自锁装置，顶承后可固定，不会自然使去顶承力。以适应施工中较长时间的顶承和突发情况的发生。
c：顶承用千斤顶必须带读数装置，保证按设计荷载施加顶承力，使顶承在安全可控状态下进行。
d：必须进行顶承施工的屋架内力重分布验算以确定屋架是否需进行加固。
3.托梁拔柱一般施工程序
⑴对原有屋盖系统的屋面板及其搁置点、屋架及其端部、屋盖支撑系统等进行全面检查，凡不符规定者，应先进行加固处理；
⑵根据设计，进行拔柱范围内屋盖支撑体系的加强设置；
⑶根据设计，加工制作新增托架或托梁；
⑷加固旁柱及地基基础，增设支承托架牛腿；
⑸处理待拔柱上段柱，安装托架，将托架与上段柱连接为整体；
⑥安装顶升设施，顶升屋架，转换安放固定于顶升设施；
⑺断柱并撤除待拔柱和顶升设施，转换于托架。
4．完善构造设计是保证设计质量的重要环节。重点是托架与柱连接点的构造措施及保证旧混凝土共同工作的构造措施。
5．采用新材料，新的施工工艺可确保施工质量达到设计要求。重点是保证较小断面混凝土的浇注质量及新旧砼的有效结合协同工作。
6．通过施工过程的实时监控，可充分了解结构构件的反应，以积累数据，完善托架工作。
参考文献
[1]《结构可靠性签定与加固技术》 作者：曹双寅、邱洪兴等中国水力水电出版社 2002
[2]《混凝土结构加固技术规范》 中国计划出版社 2003
[3]《钢结构加固技术规范》
[4]《建筑抗震设计规范（GB5011-2001）》中国建筑工业出版社 2001
[5]《钢结构设计规范（GB50017-2003）》中国计划出版社 2003
论文作者:段旭1,常涌2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第26期
论文发表时间:2018/1/31
标签：托架论文; 荷载论文; 屋架论文; 内力论文; 力偶论文; 下弦论文; 见图论文; 《建筑学研究前沿》2017年第26期论文;