? 天津某厂“托梁拔柱”的改造设计及施工监测汤庆轩1 张 溯1 田亚军1 陈志华2 梁绍强2 林 毅3 (1.中国京冶工程技术有限公司， 北京 100088； 2.天津大学， 天津 300072； 3.中冶京诚工程技术有限公司， 北京 100176) 摘 要：“托梁拔柱”是一种扩大柱距的有效方法。通过某工程实例，详细介绍“托梁拔柱”的设计及施工监测的过程。根据原有厂房的情况，选择可行的托换方式、屋面支撑布置、钢柱加固、节点改造等形式，对施工监测的顶升高度、支顶反力以及抽柱榀柱顶应力等指标进行计算分析，可为类似工程提供参考。 关键词：托梁拔柱；设计； 施工监测 1 工程概况天津某厂因生产需求欲把现有物流库厂房改造为生产车间。原厂房结构体系采用门式刚架结构，为四跨双坡，每跨跨度相同，均为24 m，柱距相同，均为12 m，纵向总长度为192 m。因生产工艺需要，原物流库厂房内有10根柱子需抽掉，厂房抽柱改造平面见图1，立面见图2。  1—抽柱。  图2 厂房抽柱改造立面 2 厂房“托梁拔柱”改造设计2.1 “托梁拔柱”改造托换形式选择 根据生产工艺需要和现有物流库的结构形式，可供选择的“托梁拔柱”方案有3种：第1种方案是在加固柱(抽纵向两侧的柱)的柱顶增加托梁，使抽柱榀的刚架梁与新增托梁连接，完成托换，拆除原有刚架柱；第2种方案是在加固柱的上柱增加托架，保留抽柱位置上柱，使抽柱的上柱作为托架的腹杆，完成托换，拆除抽柱的下柱；第3种方案是利用加固柱柱间新增吊车梁支承抽柱上柱，完成托换，拆除下柱。经施工方法和经济综合比较，确定选用第3种方案。 2.2 厂房结构体系改造方案 2.2.1 屋面水平支撑 屋面水平支撑是屋面结构系统的重要组成部分之一，其作用是保证屋面系统结构的水平刚度，增强刚架梁的侧向稳定，传递墙面水平荷载。对“托梁拔柱”改造厂房，抽柱部位横向刚度变弱，通过增加屋面水平支撑，增强结构的整体刚度是非常必要的。由于本工程抽柱较多，局部(抽柱附近)设置屋面水平支撑满足不了增强整体刚度的需要且不美观。经比较分析采用在厂房屋脊部位增加一道纵向水平支撑的方案，与现有屋面水平支撑形成封闭体系，保证“托梁拔柱”后结构的整体刚度，见图3。  1—新增屋面支撑。 2.2.2 钢柱加固 加固柱除承担自己负荷范围内的荷载外，其下柱还要承担新换吊车梁传来的抽柱负荷范围屋面荷载和因吊车梁跨度增加而增加的吊车荷载，经结构计算可知：抽柱纵向两侧钢柱的下柱平面外稳定不满足要求，结合现场施工条件，选用图4的方式对钢柱下柱进行加固。  图4 钢柱下柱加固节点 2.2.3 节点处理 由于抽柱处承担的屋面荷载由新吊车梁通过牛腿传给加固柱，加固柱的牛腿受力增大，需加大截面，采用加焊T形板的方式，可满足其承载力要求，见图5。抽柱的牛腿是实现荷载转移的关键构件，对抽柱原有牛腿进行改造处理，切除牛腿的多余长度，在其端部焊接连接端板，端板通过高强螺栓与新增吊车梁腹板连接，形成上柱的下端铰接节点，见图6。对于门式刚架厂房梁柱连接节点为刚接，为了减少上柱传给吊车梁的弯矩，把抽柱上柱刚性连接改造为铰接，见图7。  图5 加固柱牛腿改造形式  图6 抽柱牛腿改造形式  图7 抽柱上柱铰接改造节点 2.3 厂房加固改造设计 为得到“托梁拔柱”改造后厂房结构每个构件的最不利内力，采用通用有限元计算软件ANSYS对“托梁拔柱”改造后的结构进行三维整体分析，计算模型见图8。刚架梁、柱采用Beam 188单元，主梁、次梁采用两端释放弯曲自由度的Beam 44单元，屋盖支撑和柱间支撑采用Link 8单元、抽柱上柱的节点采用节点耦合来模拟与刚架梁的铰接。  图8 厂房“托梁拔柱”改造后三维计算模型 经计算分析和构件承载力验算，厂房结构的各项指标和加固改造选用的截面形式均能满足CECS 102∶2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》和CECS 77∶96《钢结构加固技术规范》的有关要求。 3 厂房“托梁拔柱”施工监测3.1 “托梁拔柱”施工监测项目 “托梁拔柱”施工是一个比较复杂的过程，主要包括钢柱加固、吊车梁更换、抽柱顶升、抽柱上柱及新吊车梁连接、落架、截柱等。为了保证“托梁拔柱”施工安全顺利进行，主要对顶升高度、支顶反力、抽柱榀柱顶应力变化等进行现场监测。 3.2 测点布置 3.2.1 顶升高度  图9 位移测点和压力传感器测点布置 为了控制施工过程中的顶升高度及回落位移，在抽柱的柱脚位置布置位移测点，为避免四角设置千斤顶可能出现的不均匀误差，在柱脚的两侧各设置一个位移测点，位移测点设置在两支顶千斤顶之间，用于控制抽柱顶升高度，见图9。 3.2.2 支顶反力 为了监控顶升过程中支顶反力的实时大小，保证施工过程的安全，在每个支顶千斤顶与钢柱柱脚之间各布置1个压力传感器，用于监测千斤顶顶升与卸载过程中的压力。 3.2.3 抽柱榀柱顶应力 为了监测抽柱榀柱顶的应力变化，在计算受力比较大部位设置应变片，以便比较施工模拟过程与实际“托梁拔柱”施工过程是否吻合。本次监测共布置应变测点18个，详细的布置位置及编号见图10。  图10 ⑨/?轴、⑨/ 3.3 监测结果及分析 3.3.1 顶升位移及支顶反力监测 在抽柱顶升和落架过程中，用电子位移计控制顶升和落架高度，顶升高度为18 mm，分5次完成，落架过程按每级1 mm进行。根据压力传感器的读数，控制4个千斤顶的压力值大小，使每个千斤顶受力均匀，4个千斤顶的顶升压力值详见表1。 表1 拆除⑨/  阶段位移/mm实测压力/kN理论值/kN0722235227229顶升阶段1023223615243242192492481820917817162108落架阶段1612339158301444—130— 从表1可以看出：在顶升阶段压力逐渐增大，顶升⑨/ 通过有限元软件计算分析得出：自重荷载作用工况所引起的挠度值为5 mm左右。考虑施工误差和读数误差，将现场监测数据与理论分析结果比较，发现数据基本吻合，说明理论分析的正确性。 3.3.2 抽柱榀应力监测 在抽柱顶升和下落过程中，⑨轴各个截面的应变变化见图11—图14，各个截面的应力最大、最小值见表2、表3。 图11 ⑨/ 图13 ⑨/ 图12 ⑨/ 图14 ⑨/ 表2 ⑨/ MPa 位置A—A截面B—B截面C—C截面D—D截面上翼缘-11.9(-11.59)11.7(13.90)10.5(12.93)-14.1(-11.92)下翼缘7.9(11.59)-14.2(-13.90)-8.0(-12.93)8.7(11.92)腹板——6.0— 注：“+”代表拉应力，“-”代表压应力; 括号中的数值为理论值。下同。 表3 ⑨/ 位置A—A截面B—B截面C—C截面D—D截面上翼缘-10.0(-8.54)9.5(10.24)12.0(9.53)-13.0(-8.79)下翼缘7.0(8.54)-12.0(-10.24)-10.6(-9.53)7.0(8.79)腹板——5.5— 从监测结果可以看出：抽柱顶升时，与抽柱相连刚架梁的上、下翼缘及腹板应力最大，上翼缘受拉，下翼缘受压，与邻柱相连处的屋梁上翼缘受压，下翼缘受拉，但绝对值要小很多。下落阶段时，抽柱部位刚架梁截面上、下翼缘及腹板应力变化不大，托换对抽柱部位影响不大。监测结果与理论计算基本一致，进一步验证了理论分析的正确性。 4 结束语根据工程实例介绍了“托梁拔柱”改造从设计到施工监测的详细过程，可供类似工程参考借鉴。现该工程已投入使用9年，运行状况良好。 参考文献 [1] 张溯，汤庆轩，田亚军．托梁拔柱施工中“顶升技术”的应用[J]．工业建筑，2008,38(1)：117-119． [2] CECS 102∶2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]. [3] GB 50009—2001 建筑结构荷载规范[S]. [4] 王永焕，吴利权，晁祥谦.天津钢管公司四套管加工加固改造工程现场施工监测报告[R].北京：中冶集团建筑研究总院，2007. [5] 张溯，陈志华，田亚军.单层钢结构厂房托梁拔柱技术研究与应用分项技术研究报告[R].北京：中国京冶工程技术有限公司，2007. [6] 林毅，关晓松，刘会英. 天津某物流库厂房改造设计[J].工业建筑，2011，41(增刊)：931-933． REFORMATION DESIGN AND CONSTRUCTION MONITORING OF SUPPORTING BEAM AND REMOVING COLUMN FOR A PLANT IN TIANJINTang Qingxuan1 Zhang Su1 Tian Yanjun1 Chen Zhihua2 Liang Shaoqiang2 Lin Yi2(1.China Jingye Engineering Co.Ltd, Beijing 100088， China; 2.Tianjin University, Tianjin 300072, China;3.MCC Capital Engineering & Research Inco. Ltd, Beijing 100176, China) ABSTRACT：“Supporting beams and Removing Column(SBRC)” is an effective method for expanding column spacing. Thorugh an engineering example,the design and construction monitoring of SBRC in a plant were introduced in detail.According to the situation of original factory, the practicable mothods for reinforcement and reconstruction of the factory were selected, including underpinning type,roof support layout,steel column reinforcement,joint reformation and so on. The index of jacking height and topside counter force and the stress of column top were introduced in detail,which could provide references for other similar projects in terms of practical experience and construction monitoring method. KEY WORDS：supporting beam and removing column; design; construction monitoring DOI:10.13206/j.gjg201603023 收稿日期：2015-10-08 第一作者：汤庆轩,男,1978年出生，硕士，一级注册结构工程师。 Email:tqingxuan@126.com |
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