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【摘要】本文作者结合工业厂房抽柱改造设计与施工的工程实例,主要介绍了工业建筑抽柱改造设计的施工工序、要求及安全控制方法等。
【关键词】工业建筑;抽柱设计;施工技术
引言
当前,大多数工业企业在考虑进一步扩大企业规模,需要对建筑用房进行改造时,一般都会想到通过抽除某些楼层的柱或墙来扩大使用空闯,这种方法就称为抽柱改造,它在目前的对工业建筑的改造中被应用得最为普遍。
一、工业建筑抽柱改造的环境分析
被改造的工业建筑一般都是既有建筑,具有稳定的承载结构体系。改造将破坏既有传力结构体系,通过新增结构构件再造承载结构体系。改造建筑现场空间有限,并受到工艺,设备的限制,再造结构体系的几何尺寸,形状必须适应环境建造,导致再造后的承载结构体系不能完全满足新设计结构标准,是非标准结构体系,包括结构形状、尺寸与支改造建筑实施过程的形状随时间变化,最终改造产品是确定性结构体系,可以按现行设计规范设计过程产品是时变性结构体系,必须按实施过程和时间,满足《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068--2001)的规定进行承载能力极限状态设计和必要时的正常使用状态验算,其设计验算结构按时问冻结法,将施工过程时变结构简化为最危险的几个状态的典型结构。
二、工业建筑抽柱改造设计
某工业厂房为两跨不等高厂房,因生产工艺革新,需要将中列立柱的12 m混凝土托架拓展为18 m跨。由于生产过程的连续性,改造要求少停产、不停产实施。显然,设计施工方案的原位施工性能至关重要,必须在满足企业生产工艺的前提下,综合考虑对原结构和生产的影响以及施工方便性,选择安全经济的结构设计与施工方案。
由于受现场条件限制,改造期间的工业建筑结构是随现场环境条件而逐渐变化、逐渐完善的时变结构,因此,厂房结构改造涉及改造最终产品的结构设计和施工过程设计。基于工业建筑改造环境条件,在调查研究现有结构状况基础上,本文分析研究了其设计施工技术,提出了原位制作18 m托架,然后抽柱的设计施工方案。下图2.1为该工业厂房的局部示意图。
图2.1 某厂房平面局部示意/mm
(1)抽柱后的18 m托架结构形式选择
现有12 m通道处,支撑屋架的为12m钢筋混凝土托架(图2.2)。原12 m托架不能拆除,所以设计利用原12 m托架改造为18 m钢筋混凝土与钢结构组合托架(图2.3)。
图2.2 12 m钢筋混凝土托架/m
图2.3 18 m钢筋混凝土与钢组合托架/m
(2) 18 m钢筋混凝土与钢组合托架设计
设计利用原12 m钢筋混凝土托架,通过外包钢的方式形成钢筋混凝土与钢组合18 m托架。18m托架理论计算模型为铰接杆系模型 (图2.3)。但由于该改造结构为型钢与原钢筋混凝土结构组合,支座制作现场实施,由此带来模型的不确定性,为控制由于模型不确定性带来的巨大风险,其设计采用最不利准则:设计模型=MAX{模型1,模型2,……模型n}。
三、施工工序要求与控制
3.1 施工工序要求
施工按照从下到上的顺序,依次进行基础加固。柱间支撑移位、柱扩截面加固、托换粱施工、柱切除等工序施工。托换梁施工是本工程的难点。由于托换梁是后加的,需待托换梁施工并能够完全承载时方可切除。施工托换梁时,梁纵筋、吊筋及预应力束均须穿过带抽立柱。由于穿孔钢筋较多,如一次性钻孔将对带抽立柱处截面造成较大的削弱。所以,在施工时采用分批跳跃穿孔植筋的方法,即按设计钢筋位置在柱侧面定位后,按每批3—4根进行穿孔植筋。钻孔时应跳孔进行,并立即穿过钢筋,钢筋穿孔后用植筋胶灌实,待植筋胶养护期满后再进行下一批植筋。托换梁纵筋穿过带抽立柱,两端钻孔植筋干相鄰的加固柱中。如果三根柱上相应的钢筋孔位不在一条直线上,则只能采用三根柱分别植筋并焊接的方法,必然影响托换梁的受力性能。本工程对钢筋孔进行了精确定位,实现了梁底纵筋连续无焊接。体外预应力施工要求比较高,施工时应严格遵守预应力张拉安全操作规程。此外该加固改造工程尚应注意以下几方面的要求:
(1)粱上钻孔采用取芯钻孔,孔径为60mm;
(2)粱上钻孔时应先测出粱内钢筋的位置,这样可以避免割断钢筋;
(3)张拉采用一端逐根张拉,群锚体系,张拉时应注意在粱两侧均匀张拉,这样才能避免出现偏心;
(4)工工序应该为先张拉钢绞线,然后再抽掉柱子。
3.2 抽柱改造施工控制
该工业厂房的建筑抽柱改造施工要严格按照施工工序要求,控制结构安全。
1、施工过程
(1)根据厂房改造的需要,首先要加固丙01线、丙04线立柱。
(2)做施工不完整托架及03线屋架临时支杆,如下图3.1所示。
图3.1制作不完整的18m托架
(3)截丙03上柱,完善托架,成带临时支杆托架,如下图3.2所示。
图3.2 带支杆的18m托架
(4)卸载拆除临时支杆,18 m托架承受荷载(图3.3)。
(5)拆除吊车梁后截丙03下柱。
(6)安装18m钢吊车梁。
图3.3 承载的18m托架
3.2 施工过程设计
施工过程设计计算模型如图3.4。采用前述设计施工方法,该项目施工完成后实测18m托架最大变形2mm,小于理论值5.9mm,达到钢结构工程施工质量验收规范要求。一年来的使用表明,该工业建筑抽柱改造效果较好。
图3.4 施工过程计算模型
四、结束语
工业建筑抽柱改造是集设计与施工一体的工程技术,需要从最终建筑产品设计和施工过程设计两个角度进行控制。在利用原有结构的基础上,选择可行的设计、施工方案。工业建筑抽柱改造施工过程是时变结构,选择最不利的结构状态、最不利荷载组合控制;工业建筑抽柱改造最终建筑产品设计,考虑现场制作的非标准支座类型,选择最大荷载效应的结构模型分析。
参考文献
[1]朱伯龙,刘祖华.建筑改造工程学[M].上海:同济大学出版社,1998.
[2]王光远.变结构力学[J].土木工程学报,2000,33(6).
[3]申跃奎等.某重型工业厂房的抽柱改造设计.建筑结构,2005,35(10).
注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
【关键词】工业建筑;抽柱设计;施工技术
引言
当前,大多数工业企业在考虑进一步扩大企业规模,需要对建筑用房进行改造时,一般都会想到通过抽除某些楼层的柱或墙来扩大使用空闯,这种方法就称为抽柱改造,它在目前的对工业建筑的改造中被应用得最为普遍。
一、工业建筑抽柱改造的环境分析
被改造的工业建筑一般都是既有建筑,具有稳定的承载结构体系。改造将破坏既有传力结构体系,通过新增结构构件再造承载结构体系。改造建筑现场空间有限,并受到工艺,设备的限制,再造结构体系的几何尺寸,形状必须适应环境建造,导致再造后的承载结构体系不能完全满足新设计结构标准,是非标准结构体系,包括结构形状、尺寸与支改造建筑实施过程的形状随时间变化,最终改造产品是确定性结构体系,可以按现行设计规范设计过程产品是时变性结构体系,必须按实施过程和时间,满足《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068--2001)的规定进行承载能力极限状态设计和必要时的正常使用状态验算,其设计验算结构按时问冻结法,将施工过程时变结构简化为最危险的几个状态的典型结构。
二、工业建筑抽柱改造设计
某工业厂房为两跨不等高厂房,因生产工艺革新,需要将中列立柱的12 m混凝土托架拓展为18 m跨。由于生产过程的连续性,改造要求少停产、不停产实施。显然,设计施工方案的原位施工性能至关重要,必须在满足企业生产工艺的前提下,综合考虑对原结构和生产的影响以及施工方便性,选择安全经济的结构设计与施工方案。
由于受现场条件限制,改造期间的工业建筑结构是随现场环境条件而逐渐变化、逐渐完善的时变结构,因此,厂房结构改造涉及改造最终产品的结构设计和施工过程设计。基于工业建筑改造环境条件,在调查研究现有结构状况基础上,本文分析研究了其设计施工技术,提出了原位制作18 m托架,然后抽柱的设计施工方案。下图2.1为该工业厂房的局部示意图。
图2.1 某厂房平面局部示意/mm
(1)抽柱后的18 m托架结构形式选择
现有12 m通道处,支撑屋架的为12m钢筋混凝土托架(图2.2)。原12 m托架不能拆除,所以设计利用原12 m托架改造为18 m钢筋混凝土与钢结构组合托架(图2.3)。
图2.2 12 m钢筋混凝土托架/m
图2.3 18 m钢筋混凝土与钢组合托架/m
(2) 18 m钢筋混凝土与钢组合托架设计
设计利用原12 m钢筋混凝土托架,通过外包钢的方式形成钢筋混凝土与钢组合18 m托架。18m托架理论计算模型为铰接杆系模型 (图2.3)。但由于该改造结构为型钢与原钢筋混凝土结构组合,支座制作现场实施,由此带来模型的不确定性,为控制由于模型不确定性带来的巨大风险,其设计采用最不利准则:设计模型=MAX{模型1,模型2,……模型n}。
三、施工工序要求与控制
3.1 施工工序要求
施工按照从下到上的顺序,依次进行基础加固。柱间支撑移位、柱扩截面加固、托换粱施工、柱切除等工序施工。托换梁施工是本工程的难点。由于托换梁是后加的,需待托换梁施工并能够完全承载时方可切除。施工托换梁时,梁纵筋、吊筋及预应力束均须穿过带抽立柱。由于穿孔钢筋较多,如一次性钻孔将对带抽立柱处截面造成较大的削弱。所以,在施工时采用分批跳跃穿孔植筋的方法,即按设计钢筋位置在柱侧面定位后,按每批3—4根进行穿孔植筋。钻孔时应跳孔进行,并立即穿过钢筋,钢筋穿孔后用植筋胶灌实,待植筋胶养护期满后再进行下一批植筋。托换梁纵筋穿过带抽立柱,两端钻孔植筋干相鄰的加固柱中。如果三根柱上相应的钢筋孔位不在一条直线上,则只能采用三根柱分别植筋并焊接的方法,必然影响托换梁的受力性能。本工程对钢筋孔进行了精确定位,实现了梁底纵筋连续无焊接。体外预应力施工要求比较高,施工时应严格遵守预应力张拉安全操作规程。此外该加固改造工程尚应注意以下几方面的要求:
(1)粱上钻孔采用取芯钻孔,孔径为60mm;
(2)粱上钻孔时应先测出粱内钢筋的位置,这样可以避免割断钢筋;
(3)张拉采用一端逐根张拉,群锚体系,张拉时应注意在粱两侧均匀张拉,这样才能避免出现偏心;
(4)工工序应该为先张拉钢绞线,然后再抽掉柱子。
3.2 抽柱改造施工控制
该工业厂房的建筑抽柱改造施工要严格按照施工工序要求,控制结构安全。
1、施工过程
(1)根据厂房改造的需要,首先要加固丙01线、丙04线立柱。
(2)做施工不完整托架及03线屋架临时支杆,如下图3.1所示。
图3.1制作不完整的18m托架
(3)截丙03上柱,完善托架,成带临时支杆托架,如下图3.2所示。
图3.2 带支杆的18m托架
(4)卸载拆除临时支杆,18 m托架承受荷载(图3.3)。
(5)拆除吊车梁后截丙03下柱。
(6)安装18m钢吊车梁。
图3.3 承载的18m托架
3.2 施工过程设计
施工过程设计计算模型如图3.4。采用前述设计施工方法,该项目施工完成后实测18m托架最大变形2mm,小于理论值5.9mm,达到钢结构工程施工质量验收规范要求。一年来的使用表明,该工业建筑抽柱改造效果较好。
图3.4 施工过程计算模型
四、结束语
工业建筑抽柱改造是集设计与施工一体的工程技术,需要从最终建筑产品设计和施工过程设计两个角度进行控制。在利用原有结构的基础上,选择可行的设计、施工方案。工业建筑抽柱改造施工过程是时变结构,选择最不利的结构状态、最不利荷载组合控制;工业建筑抽柱改造最终建筑产品设计,考虑现场制作的非标准支座类型,选择最大荷载效应的结构模型分析。
参考文献
[1]朱伯龙,刘祖华.建筑改造工程学[M].上海:同济大学出版社,1998.
[2]王光远.变结构力学[J].土木工程学报,2000,33(6).
[3]申跃奎等.某重型工业厂房的抽柱改造设计.建筑结构,2005,35(10).
注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。