内框架结构托梁换柱设计与施工方法浅析

摘要：本文以一个工程为实例，阐述了将内框架结构变为全框架结构的托梁换柱技术，对其中的支撑设置、构件加固思路进行了讨论，并对设计与施工中需要注意的问题进行了分析，使用该方法取得了良好的效果。

关键词： 托梁换柱；加固；设计；施工

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1、引言

建筑物在使用过程中适用性和可靠性会随时间处长而降低，但同时，随着时代的发展，人们对建筑功能的要求却会越来越高，有些房屋需要对功能进行扩展才能满足使用者更高的使用要求，因而越来越多的房屋在使用过程中需要进行加固和改造。本文以一个内框架房屋改造成全框架结构的设计和施工过程来进行实例说明

2、工程概况。

台州市某建于20世纪90年代的二层内框架结构房屋，建成后一直出租，承租者多将其用作为居住和办公场所。在新的承租者接手后，要用其底层作为汽车销售店，而将上层作为办公用房，出于安全和使用上的考虑，承租者要求将外墙也改为框架结构，从而整个房屋成为框架结构。

该房屋内部框架纵横向柱距均为6m，层高3.6m，楼板均为现浇120mm厚钢筋混凝土板，内框架柱尺寸500mm×500mm，柱底为钢筋混凝土独立基础。外墙均为带壁柱砖墙，壁柱尺寸为370mm×490mm，壁柱间距3.0m，每层砖墙顶部楼盖处为圈梁，墙下为钢筋混凝土无肋带形基础，厚度300mm，宽度600mm，基础顶标高-0.600m。内框架梁高550mm，内框架梁端部与圈梁相接处，由于圈梁高度比内框架梁小，在圈梁与内框架梁相交处，内框架梁下部纵向受力钢筋均向上弯入圈梁内锚固。

台州市抗震设防烈度为六度，该建筑按丙类抗震设防。但该建筑建成时间较早，且地质资料缺失，在本次加固设计之前对整个结构进行了检测，并对地下土层情况进行了勘测。经检测，一、二层框架梁柱强度均符合受力要求，上部结构的框架部分基本完好，而外墙由于受力不合理及局部沉降，在与内框架梁交接处有较多裂缝，多条裂缝宽度超过了4mm，因而在加固过程中需要特别注意保持墙体的稳定直至墙体被拆除；经勘测，基础下部土层分布：①表土，平均厚度0.65m，承载力特征值为80KPa；②含粘性土粗砂，平均厚度1.40m，承载力特征值为150KPa；③含粘性土砾砂，平均厚度3.44m，承载力特征值为250KPa；④砾砂，平均厚度2.52m，承载力特征值为330KPa；⑤粘土，该层未揭穿。

3、加固设计

加固后，原有间距3m的壁柱全部更换为间距为6m的框架柱。外墙处在浇注主体结构之前，应先完成基础加固工作，以便将梁柱及其节点统一整浇，增加结构的整体性以满足抗震构造要求，这个过程需要考虑整个结构的卸荷，故在基础和托梁设计之外，还要对卸荷用的支撑进行设计。

3.1 抬墙梁法处理基础及内框架梁支撑设计

基础上部承重结构由原来通长的承重墙变为独立柱且柱距由3m变为6m，基础处荷载会有较大的增加，故必须对基础进行加固。而如果新建柱下独立基础，则要扰动原基础下的地基土，造成结构产生附加沉降。所以本项目加固基础时考虑保留原有基础承载力，采用抬墙梁法[1]进行基础加固。在原带形基础内外两侧做平面尺寸为800mm×1000mm的支护墩，墩底位于承载力较高的含粘性土砾砂层顶面，支护墩顶设置抬墙梁。支护墩顶标高同原带形基础顶标高，为-0.600m，抬墙梁高500mm，其顶部标高为-0.100m。经计算，基础底最大压应力满足承载力要求。对支护墩按柱下独立基础设计，对抬墙梁按深梁设计，均满足要求。

由于内框架梁端部支撑在外墙砖壁柱上，在砖壁柱拆除之前，需要对内框架梁端部进行支撑，支撑杆采用圆钢管。

圆钢管支撑杆强度计算：

支撑杆距离砖壁柱轴线为1500mm（支护墩端部外侧），支撑设置参考文献[2]的做法，在对内框架梁进行支撑的同时，为防止内框架梁产生附加沉降，在支撑杆底部设置千斤顶对内框架梁进行顶升。

支撑杆采用公称直径为125mm的圆钢管，回转半径ix=47.9mm，截面面积为A=1915.6mm2。钢管长度计算：抬墙梁顶距地面为100mm，结构底层高度3600mm，框架梁高为550mm，故钢管长度（不考虑底部千斤顶对长度的减少）为：3600-550+100=3150mm。按钢管两端自由，取计算长度为2×3150=6300mm，故其长细比λ=6300/47.9=131.5＜[λ]=200。经计算，取内框架梁在钢管顶上施加荷载为185kN，由λ=131.5，查《钢结构设计规范》，稳定系数φ=0.921，取钢管强度为215N/mm2，故按稳定性钢管能承担的荷载N=φfA=0.921×215×1915.6=379315.5N=379.3kN＞185kN，同时按强度钢管能承担的荷载N=fA=215×1915.6=379315.5N=411.8kN＞185kN，满足要求。

内框架梁支撑完成后，砖壁柱即被卸荷，在原壁柱底部开凿出宽450mm，从基础顶向上高度为550mm的洞口以备抬墙梁从中穿过。在支护墩顶和原基础顶上浇注钢筋混凝土抬墙梁，在浇注混凝土前，将原带形基础与抬墙梁相交的部分凿毛和刷洗干净后，铺一层高强度等级水泥浆，以增加新老混凝土表面的粘结力，并在梁上预留立柱钢筋接头。抬墙梁截面尺寸为400mm宽、500mm高。立柱采用400mm×400mm，见图1：

图1 抬墙梁法加固基础

3.2 圈梁支撑设计

该建筑在楼层处原有240mm×240mm的圈梁，混凝土强度C25，在设计托梁时如果拆除不仅使设计施工变得复杂而且丢弃圈梁会造成浪费，因而在定方案时，考虑利用原有圈梁作为托梁的一部分，在圈梁下加大尺寸和配筋使其加固为托梁。

在设计和施工托梁时，除了考虑强度外，一个非常重要的工作是保证托梁施工过程中不造成附加圈梁及其上部结构的附加挠度，为此，我们在圈梁下预先设置支撑，在圈梁下每隔0.5m开凿平面尺寸240mm×240mm的洞口，洞口高度为托梁与圈梁的高度差，即托梁总高度为550mm，洞口高度为550-240=310mm，由于支撑布置较密，支撑下方墙体强度中不需要验算[3]，每打一个洞口，立即用支撑顶撑好。支撑须经过计算来决定所采用的材料及尺寸，本工程支撑体系要支撑建筑物的荷载，包括恒荷载和活荷载。恒荷载包括各层墙体、各层顶板或屋面板自重，按结构材料考虑，混凝土重度25kN/m3，砖墙重度按19kN/m3，活荷载包括使用活荷载和施工活荷载，故按2.0+1.0=3.0kN/m2考虑，本工程经计算采用420，上下端用200mm×200mm×12mm的钢板与4根钢筋的端部焊接，相邻两钢筋之间用12钢筋作为缀条以防止失稳。支撑就位后，在支撑下楔入钢垫片，使支撑与其上部圈梁接触处顶紧以防圈梁及其上部结构产生附加沉降。支撑安置好以后，将支撑之间的墙体隔段分批拆除，直至将托梁高度范围内的墙体全部拆完，浇注托梁时，支撑不用取出，可按正常程序绑扎钢筋并进行混凝土浇注。在施工过程中，对圈梁的挠度进行不间断监测，如有异常，立即停工处理。圈梁支撑做法见图2：

图2 圈梁下墙体支撑做法示意

3.3托梁设计

托梁高度为550mm，由于继续采用原圈梁作为托梁的一部分，为便于同时浇注原圈梁和新加现浇梁的外侧保护层，故加大梁宽到300mm，经计算，托梁底部纵筋取425；同时，由于原圈梁的箍筋10@200，而考虑抗震后加密区箍筋间距为100，故在非加密区可以将原有箍筋下部加焊U形箍筋形成托梁箍筋，且在加密区除按非加密区加U形箍筋外，还要在原有箍筋间距的中点增加10@200封闭矩形箍作为托梁箍筋，与原有箍筋加起来，加密区总配筋量为10@100。托梁施工图如图3所示：

图3 圈梁加大为托梁做法示意

托梁浇注混凝土时，由于对邻近楼板需要凿掉混凝土，以便使楼板钢筋与托梁外侧混凝土浇注为一体，故加固施工中边跨楼板采用扣件脚手架进行满堂支撑以保证楼板受力安全。

3.3梁柱节点设计

由于原内框架梁与圈梁连接处并未按梁柱节点考虑，也未考虑抗震构造措施，故此时梁柱节点的加固变得非常重要。将节点处圈梁和内框架梁的混凝土凿去，保留其中的受力钢筋，并考虑节点处柱和托梁的纵向受力钢筋，按建筑抗震设计规范的要求对节点处梁柱纵向钢筋进行连接和锚固设计，并按抗震梁柱节点配置节点核芯区的箍筋最大间距、最小直径和最小配箍率，经计算，采用10@100，满足加密区配箍要求。

4、加固施工

4.1 施工程序：

内框架梁端部设置支撑抬墙梁法加固基础在底层圈梁下设置支撑拆除托梁范围内砖墙拆除砖壁柱支模绑扎柱和托梁钢筋浇注混凝土，底层成为框架结构体系混凝土养护混凝土达到设计强度同前方法将二层梁柱托换为框架结构体系由上向下拆除原有墙体。

4.2 施工注意事项:

①开挖支护墩基坑时，用人工开挖以免对基础和地基造成扰动，应禁止使用大型工程机械开挖；②拆墙体时，应从中部开始向两端部拆，反之，则容易导致中部突然失去支撑而挠度骤然增大，危及结构安全；③控制拆墙速度，避免出现挠度骤然增大的情况；④拆除砖墙过程中不能使用大锤，应使用小锤逐层向下凿掉墙体，全用大锤会造成整个结构的过大振动，对结构受力及稳定性不利；⑤在拆除墙体的过程中，指派专人对整个结构的变形及开裂进行不间断监测，出现异常则需要暂停施工，排除不安全因素后再继续施工；⑥浇注的混凝土既是受力部分又都是保护层，因此必须保证质量，可以采用和易性好的混凝土以避免蜂窝麻面，并可采用微膨胀混凝土，使混凝土内部致密结实。

5、结语

工程加固结束后已经经过近二年，期间经历过数次台风，该房屋外观及内部结构没有出现任何破损，表明托梁换柱是成功的。

托梁换柱属于加固工程，其与新建工程不同之处在于，加固时工作量更大，需要对整个结构进行充分检测，需要考虑的受力及变形因素更多，因而需要缜密的思维和细致的工作才能保证加固工作的顺利完成及后期使用的安全。

参考文献：

[1]宋.工程结构检测与加固[M].北京：科学出版社，2005.

[2]李军. 小型住宅顶升换柱的设计.工程建设与设计[J].2006(s1):68-70.

[3]贺大勇.砖混结构改造中墙梁托换技术的新方法.施工技术[J].2004(2)：189-190.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。