采用预应力技术抽除承重墙改造房屋的应用

上海某 3 层局部框架的混合结构顶层平面布置

如图 1 所示。业主希望将第 3 层 2 间会议室中间的

承重墙(轴线 C) 抽除 ,需对建筑物进行加固改造。

1 改造方案如图 1 所示 ,轴线 1Π2 (和 1Π5) 上的主梁 L6 支承在轴线 C、A、E 的承重墙上 ;次梁 L5 边支承为轴线1、8 的承重墙 ,中间支承为主梁 L的承载力、裂宽、挠度做到心中有数 ; 

②研究确定改造后结构的传力路线及计算简图 ,制定预加应力方案 ,并计算预应力和改造后荷载作用下的结构内力 ;

③根据改造后结构的内力 ,设计托梁并对有关梁、柱及节点、基础一并进行加固设计 ; 

④确定结构改造的施工方案 ,对施工过程中的构件强度和稳定性进行验算。 

图 1 中 2 间办公室改成 1 间大会议室后 ,使用面积加大 ,要求提高建筑净高 ,因此 ,改造方案不宜在屋面下进行。经研究 ,确定采用在屋顶上增设预应力混凝土梁 ,梁与原屋顶之间增设预应力吊杆的加固改造方法 ,

如图 2 所示。在屋面新增梁和连接吊杆中施加预应力可保证原屋面在墙体抽除后基本上不产生过大的挠曲变形 ,从而 ,满足建筑设计使用要求。为使屋面结构传力均匀、明确 ,在轴线 B、C、D 上各增设 1 根预应力混凝土梁(见图 3) 。

         原轴线 1 和 8 的窗间墙的宽度 (112m) 较小 ,既无扶壁柱亦无构造柱 ,无法承受拆墙改造后的新增荷载因此 ,在窗间墙中部均增设钢筋混凝土扶壁柱 ,柱下设桩基 ,以承受新增荷载。由于扶壁柱与轴线 1 和8 的承重墙紧密相连 ,为避免预应力张拉时柱产生较大的侧向变形而使承重墙受损 ,将扶壁柱与屋面上预应力混凝土梁做成铰接。原地基为淤泥质软弱土 ,拆墙后会产生较大的沉降变形 ,为此在新增柱下采用压力灌注树根桩进行加固 ,既提高基础承载力 ,也可减少沉降 采用此方案的优越性是 : ①每根新增梁受荷面积较小 ,梁截面高度较小 ; ②若仅在轴线 C 上采用 1 根预应力梁 ,则梁两端的竖向构件受力过大 ,且基础加固难度

2 设计计算

211 基础

上述加固改造方案考虑了原墙下条基和新墙树

根桩的共同工作。基础按以下要求设计 : ①拆墙后 ,

由扶壁柱传给树根桩基础的新增荷载应小于树根桩

基础的承载力 ; ②原有条基和新增的树根桩基础的

承载力之和应大于建筑物的总设计荷载。

经计算每个新增扶壁柱下设 3 根树根桩 ,每根

树根桩的桩径 200mm ,桩长 21m ,配 4<12 的纵向钢

筋和 <6 @100Π200 的箍筋 ,混凝土强度等级 C25 ,树

根桩的单桩承载力 190kN。

212 预应力梁

采用有粘结预应力混凝土梁。梁跨度 12m ,梁

截面高 800mm ,宽 400mm ,混凝土强度等级 C40。预

应力梁通过两组预应力吊杆将屋面梁 L6 上的屋面

恒载传递至两端的新增扶壁柱上 ,如图 3 所示。

预应力梁可按等效荷载法设计 ,即考虑预应力

折线筋形成的等效集中力在梁中产生的弯矩和梁上

恒载产生的弯矩相等。经计算 ,每根预应力梁选用

12<15124mm 的 1860 级低松驰预应力钢绞线 ,预应

力张拉控制应力σcon = 0165f ptk

( f ptk = 1860MPa) 。梁

顶面和底面的非预应力钢筋分别为 6 18 和 6

25。

此外 ,为确保预应力梁具有较好的抗裂性能 ,所

设计的预应力梁跨中梁底面的预压应力σpc大于外

荷载作用下梁底面拉应力σsc ,即在正常使用荷载作

用下 ,预应力跨中梁底面处于受压状态。

213 预应力吊杆

预应力吊杆 (见图 4) 的承载极为重要 ,吊杆的

失效会引起整个屋面甚至整个建筑物的倒塌。因此

要求吊杆的安全系数在 210 以上。实际选用 <28mm

的螺杆作吊杆 ,其承载力安全系数 218。

3 施工技术

311 施工顺序

(1) 移去楼面上不必要的物品以减轻结构荷载。

并在 1～3 层架设顶撑 ,以进一步卸去部分荷载。

(2) 开挖基础 ,树根桩钻孔 ,吊放钢筋笼 ,投石 ,

注浆 ,浇筑承台(承台上预留扶壁柱主筋) 。

(3) 扶壁柱钢筋笼绑扎 ,支模 ,由下至上逐层浇

筑扶壁柱混凝土。

(4) 制作扶壁柱与预应力梁的铰接点。

(5) 预应力梁钢筋笼绑扎、波纹管布设、锚固端

安装。

(6) 埋设吊杆装置。

(7) 浇筑预应力梁混凝土。

(8) 待预应力梁的混凝土强度达到设计要求后 ,

进行预应力张拉。

(9) 最后 ,逐段对称拆除墙体。

312 预应力张拉与沉降观测

由于预应力张拉后 ,房屋结构内将发生较大的

内力重分布 ,本工程又是软弱地基 ,因此 ,房屋的沉

降非常重要 ,应进行严密观测。

对预应力混凝土梁每束预应力筋采用一端张

拉 ,每批张拉 2 束 ,其中 1 束的张拉端在梁左端 ,1

束的张拉端在梁右端。2 束张拉力要求保持同步增

长。在预应力张拉前 ,将吊杆下的螺母充分拧紧 ,保

证预应力梁与原混凝土梁的紧密连接 ,变形一致。

预应力张拉及沉降观测步骤 : ①预应力张拉准

备工作结束后 ,对房屋进行第 1 次沉降观测 ; ②先张

拉预应力至 0145f ptk ,然后锚固预应力筋 ,进行第 2

次沉降观测 ; ③稳定 4h (期间进行预应力孔道灌浆

的准备工作) 后 ,进行第 3 次沉降观测 ; ④比较前 3

次沉降记录 ,如符合设计要求 ,则继续进行预应力张

拉 ,应力拉至 0165f ptk ; ⑤张拉结束锚固后 ,进行第 4

次沉降观测 ; ⑥预应力孔道灌浆 ,然后在预应力梁端

部锚具及预应力吊杆装置处用细石混凝土严密封

裹 ,并配以构造钢筋。

313 施工技术要点

(1) 要保证新旧混凝土结构构件间的可靠连接 ,

因此扶壁柱与窗间墙间采用带螺杆的 U 形筋可靠

连接 ;扶壁柱与每层楼盖梁板界面均需凿毛 ,清洗 ,

并用结构胶在原混凝土构件中植入连接钢筋 ;每层

扶壁柱上部与原楼屋盖连接段 ,必须采用微膨胀细

石混凝土浇筑密实。

(2) 在预应力梁底部与原屋面结构间设置滑移

层 ,这样在预应力张拉时 ,不会在窗间墙和新增扶壁

柱中产生不良的附加内力 ,同时 ,可在预应力混凝土

梁中建立明确的预压应力。

(3) 预应力吊杆受力至关重要 ,吊杆预应力应明

确 ,可用扭力扳手或传感器或应变计对吊杆中的应

力进行监控 ,吊杆下端应采用双螺母 ,并应与吊杆可

靠焊连。

(4) 树根桩纵筋应可靠锚入承台内 35 d ( d 为纵

筋的直径) 。桩基施工时 ,不应损伤原有基础 ,否则 ,

应予以补强。

(5) 加固前 ,必须采用顶撑装置卸去部分楼屋盖

的荷载 ,这可有效减少原结构应力超前的不利影响。

(6) 墙体拆除时 ,应先在墙体的顶部 ,屋面梁底 ,

间隔分段对称分离 ,同时 ,继续做好房屋的沉降观

测 ,当墙体顶端凿出纵向通缝 ,即墙体与屋面梁完全

分离后 ,再将余下的墙体间隔分段凿除。