摘要：结合工程实例，原结构为南斯拉夫（IMS）结构体系，根据现建筑使用功能需求对原结构进行“托梁拔柱”改造。采用板顶粘钢、柱截面增大与增设预应力梁相结合的加固方法，介绍该方法施工准备阶段、施工阶段、全过程监测关键步骤的施工技术。实践效果表明该“托梁拔柱”方法合理有效。
关键词：南斯拉夫（IMS）结构体系；托梁拔柱；加固；板顶粘钢；柱截面增大
一、引言
城市体育场馆改造与翻新，成为了目前既有结构施工的主旋律，北京冬奥会申报倡导廉洁办奥运、绿色办奥运理念，如何在现有体育场馆中进行科学、有效保护进行施工，是我们施工遇到的主要难题之一。场馆加固改造形式多样，如何合理扩大使用空间，托梁拔柱的做法为我们在此类问题的解决提供了一个思路。
二、工程概况
本体育场馆为2022年北京冬奥会配套场馆，原为1990年亚运会滑冰馆场地。场馆整体成椭圆形，东西向长187.3m，南北向宽115m，地下室顶板结构采用南斯拉夫IMS板柱体系，地上结构为预应力钢筋混凝土柱（后张预应力）托架结构，顶部采用现浇钢筋混凝土环梁连接，室内采用150mm环形看台楼板将预应力钢筋混凝土柱连接成为框架结构。场馆整体高度17.8m。
根据北京冬奥会场馆建筑格局和使用功能要求，需要对原结构进行加固改造设计，主要采取以下改造方式：1）需要对拔柱部位两端支座处顶板进行粘钢加固；2）需要对场馆东侧南斯拉夫楼板多跨弧形环向梁拔去14根柱；3）需要对多跨弧形环向梁的径向进行张拉；4）场馆东侧南斯拉夫楼板进行增加预应力梁加固；对加固后改造后期使用年限为30年。
三、“托梁拔柱”工况分析
托梁拔柱施工后，与柱子相连的梁跨度有2跨变成了1跨，同时上部结构改造为冰场和陆上训练区，结构外荷载的作用也将发生较大变化。本身南斯拉夫（IMS）体系属于预应力柱板结构，板与板之间仅有预应力肋梁，拔柱前南斯拉夫（IMS）结构体系两侧截面的承受较大的负弯矩，托梁及粘钢后承受加大正弯矩。
设计托梁拔柱的施工方法后，对拔除柱体两端支座处进行板顶粘钢加固，并对原始南斯拉夫（IMS）顶板进行监测数据采集。对拔柱部位采用脚手架进行回顶卸荷。卸荷完成后将需拔除的柱体顶端以下700mm剔凿并保留直径为250mm柱芯，为防止顶板出现严重下挠。（见图1）改造加固环向梁（A’～T’轴/M1～G1轴），8根，同时径向梁分别按照轴线进行一次加固，并进行预应力张拉。
图1 “托梁拔柱”工况图
四、加固改造与施工技术
（一）加固方案设计深化
为满足现使用功能的空间需求，故采用采用板顶粘钢+柱截面增大+增设预应力梁的加固方案。粘钢加固及环向预应力梁张拉顺序设计：预应力深化明确粘钢加固尺寸及张拉端、锚固端位置。由于本工程预应力存在圆弧环梁和相交的径向梁经情况，经过受力计算得出如下张拉顺序。
加固方案环向预应力钢绞线线性控制：因地上结构荷载增大导致柱体拔除后负弯矩增大故深化此线性控制图。控制预应力值：单根梁中预应力筋张拉分为两个阶段，第一阶段每根钢绞线张拉两次，第二阶段每根钢绞线张拉一次。第一阶段、第二阶段张拉顺序及达到控制应力百分比。每根钢绞线张拉力为195.3KN。
（二）加固梁、柱截面设计
原IMS板柱体系，仅有密肋预应力暗梁，需在暗梁下侧增加预应力梁，梁的截面尺寸（600mm*700mm及700mm*700mm），截面在设计时，考虑以下因素：
1）梁在柱顶端部进行每侧加宽 350 mm，加腋处理后预应力钢绞线在此部位可以顺利穿过，不穿过柱，避免对原结构柱子进行损伤。
2）加固梁配筋设计：
①材料 混凝土采用自密实混凝土，强度等级为C40，新加非预应力钢筋为 HRB400E，预应力钢绞线采用高强低松弛1x7标准型钢绞线，直径15.2mm，fptk=1860Mpa。
②配筋设计原则 原南斯拉夫（IMS）体系为“五柱一板”拔柱后改变为“四柱一板”且该体系（南斯拉夫IMS）年代久远，板内预应力钢绞线应力损失较大，通过专业第三方检测机构进行现场检测。故计算取值为原设计张拉控制应力的55%-60%进行设计改造的预应力钢绞线及非预应力钢筋的配筋。
3）框架柱加固配筋设计：
①材料 采用高强度灌浆料，强度为60MPa。新加钢筋为HRB400E钢筋。
②配筋设计原则 因新增设预应力梁及地上新增结构较多导致原结构柱截面尺寸偏小及轴压比偏高。根据新增设预应力梁张拉后状态及地上新增结构的荷载经验算需将原结构截面增大。
（三）“托梁拔柱”设计与施工技术
本施工技术分为四大阶段：
1）施工前准备阶段
①采用有限元软件midas-gen进行建模分析，根据模型试算分阶段柱体拔除并得出最大竖直向下位移预警值取5mm。
根据拔柱施工方案，综合考虑本工程特点，制定预应力张拉分级的原则。
②根据施工方案将“托梁拔柱”区域南斯拉夫（IMS）体系板采用钢管脚手架进行卸荷，并开始监测顶板挠度值；
③进行该区域板顶粘钢加固作业；
④截面增大柱开始施工作业；
⑤待板顶加固强度满足要求后，对需拔除的柱子自板顶以下700mm范围进行剔凿，并保留直径为250mm柱芯；
2）施工阶段
①新增预应力梁、柱截面增大的钢筋工程开始施工；
②铺设预应力筋，梁预应力筋为曲线布筋，为保证曲线形状，梁中反弯点处应用钢筋支架将预应力筋定位并绑扎牢靠，严格控制反弯点的位置，将预应力筋支起。无粘结预应力筋铺设时，应保证每根筋走向顺直，至端部再散开。
③模板工程施工，由于南斯拉夫（IMS）结构体系的原因，模板支设与其他改造工程有所不同，由于新增量截面比原结构暗梁大，而截面大出去的部分板为南斯拉夫（IMS）板。故需将模板伸至南斯拉夫（IMS）板空腔内，板顶上部并留置混凝土浇筑口；
④梁柱混凝土浇筑，柱采用同混凝土C60强度等级相同强度等级的灌浆料、梁采用C40自密实混凝土进行浇筑，浇筑过程中配备专业人员对模板进行轻轻敲打，避免出现孔洞；
3）预应力张拉阶段
①预应力张拉，张拉控制应力为钢绞线的抗拉强度的75%，即σcon=1395MPa，张拉设备在使用前应进行标定，未经标定不得使用。张拉前应对张拉端混凝土质量进行检查，不符合要求不得张拉。预应力张拉时采取双控法，即控制张拉力的同时校核预应力筋的张拉伸长值。实际伸长值与理论伸长偏差超过±6%时应暂停张拉，查明原因并采取措施后方可继续张拉。
②张拉及柱体拔除完成后将卸荷架体与梁底支撑拆除；
（四）“托梁拔柱”施工重难点
1）混凝土原材及浇筑要求高：自密实混凝土扩展度和骨料粒径要求高，需搅拌站进行反复调配后确定拓展度需≥550，骨料粒径10-25mm。混凝土浇筑施工难，因地下室顶板为南斯拉夫（IMS）板，原结构暗梁截面尺宽为450mm，新增预应力梁截面尺寸为700mm。施工前需在暗梁两侧顶板进行开洞浇筑，孔洞直径大小为100mm。浇筑时采用小型混凝土螺旋输送机进行多点位同时浇筑，以免出现冷缝，孔洞现象。
2）预应力张拉：本工程存在环向与径向交叉张拉，需严格按照张拉顺序分阶段张拉。并控制阶段张拉预应力设计值百分比。
五、结语
本项目共拔柱14根，局部拔柱对结构影响及抗震指标满足现行规范要求，采用增大截面＋粘钢＋增设预应力梁的方案，共增大柱截面28根、粘钢97米、新增预应力梁17根，取得良好的经济效益，且加固方法具有一定创新性。
参考文献：
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[2]吴丙华，程国慧.某酒店附属楼的抽柱加固方法[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2016，16（3）：25-26，47.
作者简介：李兆祺、质量工程师、中国建筑第八工程局有限公司华北分公司、天津市滨海新区响螺湾商务区滨河路2599号。
论文作者:李兆祺,刘博,许翔
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/8
标签：预应力论文; 南斯拉夫论文; 截面论文; 结构论文; 柱体论文; 顶板论文; 混凝土论文; 《基层建设》2019年第22期论文;