大型工業(yè)廠房建筑改造中的高低跨托架置梁施工關(guān)鍵技術(shù)的研究*

周華林 朱海定 朱曉棟 周 偉 李紅梅 王 浩 朱 杰 王連青 李正媛 許文華

1.上海建工（集團(tuán)）總公司 上海 200080；2.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072 3.上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200041；4.上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司 上海 200041；5.上海交通大學(xué)東方藝術(shù)交流中心 上海 200030

1 工程概況

上海船廠浦東（區(qū)域）2E1-1地塊舊廠房改造工程是上海浦東陸家嘴金融城在建、改建項(xiàng)目的重點(diǎn)。該裝配式鋼筋混凝土橫向排架結(jié)構(gòu)舊廠房為20世紀(jì)70年代初按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的大型單層工業(yè)廠房，采用鋼筋混凝土雙肢柱、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土多腹桿拱形屋架、預(yù)制大型屋面板結(jié)構(gòu)。原舊廠房東西長(zhǎng)198 m，柱距12 m；南北長(zhǎng)45 m，其中南北又分為2跨，北跨長(zhǎng)30 m，檐口高21 m，南跨長(zhǎng)15 m，檐口高16 m。原舊廠房建筑面積8 910 m2，本次改建后為地下1層、地上5層，建筑面積擴(kuò)大至31 626 m2，其屋面和外墻全部改為幕墻，建成后，在燈光的烘托下熠熠生輝，似黃浦江畔“月光寶盒”，將成為集旅游、餐飲、音樂和文化娛樂為一體的現(xiàn)代化城市觀光新景點(diǎn)。舊廠房?jī)?nèi)新建建筑與舊廠房老結(jié)構(gòu)的處理主要通過設(shè)置抗震縫使其完全脫離，從而實(shí)現(xiàn)“換骨脫胎”的改造。本研究主要介紹前期舊建筑的切割、改造、加固和托架置梁施工中的關(guān)鍵技術(shù)（圖1、圖2）。

圖1 舊廠房改造前

圖2 改造后建筑景觀

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

2.1 工程特點(diǎn)

2.2 施工難點(diǎn)

1）新增南北XGL1、XGL2鋼梁的架設(shè)位置平靠于原托架即錯(cuò)位托換，又因其梁面緊貼老廠房軸/①～③軸屋架端頭下弦，梁底擱置在高低跨牛腿上，吊裝空間幾近于無，施工環(huán)境要求必須進(jìn)行橫向鑲嵌式吊裝鋼梁[1-2]。

（1）南側(cè)低跨新增的H型鋼XGL1梁，跨度12 m，梁高度為1.20 m，尺寸為1 200 mm×350 mm×14 mm×32 mm；架設(shè)梁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為15.83 m；總質(zhì)量約3.70 t。

（2）北側(cè)高跨新增的H型鋼XGL2梁，跨度12 m，梁跨中高度為1.2 m，尺寸為1 200 m×350 m×14 m×32 m；架設(shè)鋼梁頂標(biāo)高為20.52 m；總質(zhì)量約3.70 t。

2）由于老廠房原結(jié)構(gòu)時(shí)間悠久，加之結(jié)構(gòu)安裝誤差、受力變形、不均勻沉降等因素影響，屋架與支座的高度，①軸和③軸排架柱的間距，①軸、②軸和③軸屋架的高度位置關(guān)系等都不符合現(xiàn)設(shè)計(jì)圖尺寸，亦要求在施工中加以調(diào)正。

4）南側(cè)低跨屋架之上還保留有高約4 m的磚墻，在此磚墻之上又疊加著圈梁、磚墻、鋼排窗、遮陽板過梁及女兒墻等結(jié)構(gòu)，給屋架頂升及卸載落架施工帶來了一定的技術(shù)難度。

3 施工方案與關(guān)鍵技術(shù)路線

3.1 施工總體方案

施工總體以拆除、加固、改建為主線，遵循原則為：拆除需置換的構(gòu)件先高跨，后低跨；施工改建先加固，后頂升卸載落架。

在屋架頂升和卸載落架階段遵循的原則為：

1）頂升和卸載落架的過程實(shí)際就是荷載轉(zhuǎn)移的過程，在荷載轉(zhuǎn)移的過程中，必須遵循“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”的原則[3-4]。

2）“精確計(jì)算，嚴(yán)格監(jiān)控”。在頂升和卸載落架過程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求或計(jì)算結(jié)果，在關(guān)鍵部位，應(yīng)放置檢測(cè)裝置（如貼應(yīng)變片）等，檢測(cè)施工全過程中的屋架軸力變化，確保臨時(shí)支架和屋架的安全。

3.2 施工關(guān)鍵技術(shù)路線

拆除大型預(yù)制屋面板→保護(hù)性拆除魚腹式行車梁→結(jié)構(gòu)原位測(cè)量→節(jié)點(diǎn)加固施工→南側(cè)低跨搭設(shè)施工腳手架→南側(cè)低跨牛腿之上新增混凝土柱→北南高低跨鑲嵌吊裝XGL2、XGL1鋼梁→北側(cè)高跨單榀屋架頂升及卸載落架→北側(cè)高跨拆除W支撐→北側(cè)高跨安裝X形鋼支撐和XGL3鋼梁→南側(cè)單榀屋架落架→切割拆除混凝土托架→新建內(nèi)構(gòu)和外觀改造

4 托架置梁施工

4.1 南側(cè)低跨托架換梁

4.1.1 南側(cè)低跨15 m跨區(qū)的拆除

在屋面大型預(yù)制板拆除后，接著拆除混凝土魚腹式行車梁（圖3）。

圖3 南側(cè)低跨區(qū)擬拆除結(jié)構(gòu)

4.1.2 高低跨交界部新增結(jié)構(gòu)

因原高低跨交界部低跨一側(cè)的中柱上，承載屋架梁的牛腿較小，無法安裝新梁，遂決定在中柱下牛腿之上，即在低跨雙肢柱身南側(cè)±14.95 m處（原承載行車梁部位）緊貼舊柱（圖4），新增至±19.90 m上牛腿平面的混凝土柱，再在柱間安裝新的XGL1鋼梁，以支承低跨區(qū)域屋架。

圖4 高低跨交界部新增結(jié)構(gòu)剖面

因低跨托架置梁支座須擴(kuò)大，且要待中部雙肢柱上的新增混凝土柱達(dá)到一定強(qiáng)度后才可安裝新鋼梁，所以在工期安排上，先進(jìn)行低跨部位托換施工，后進(jìn)行高跨部位托換施工。

4.2 低跨托架置梁施工

4.2.1 精確測(cè)量

由于老廠房原結(jié)構(gòu)年代悠久，受結(jié)構(gòu)安裝誤差、受力變形、不均勻沉降等影響，屋架與雙肢柱牛腿支座的高度、①軸和③軸排架柱的間距、①軸、②軸和③軸屋架的高度位置關(guān)系等都不符合原設(shè)計(jì)圖尺寸。

對(duì)原結(jié)構(gòu)精確測(cè)量主要分新置鋼梁吊裝前、吊裝后2步，第1步確定為新增混凝土柱和鋼梁加工的具體尺寸，第2步在鑲嵌吊裝鋼梁后為控制屋架頂升、漸趨卸載落架設(shè)計(jì)數(shù)值。

根據(jù)測(cè)量，確定了新置鋼梁端部尺寸、鋼梁長(zhǎng)度。最后確定鋼梁頂面與②軸屋架（包鋼后）間的凈間距，再結(jié)合頂升高度確定鋼墊塊的厚度。

另?yè)?jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果：

15 m跨屋架下弦桿①軸屋架標(biāo)高為-0.032 m，15 m跨屋架下弦桿③軸屋架標(biāo)高為-0.004 m。

從計(jì)算結(jié)果知屋架略呈北高南低狀態(tài)，由此決定在低跨北側(cè)“托架換梁→托架置梁”施工中減少頂升3 mm，以減小屋架變形。

4.2.2 屋架加固及節(jié)點(diǎn)施工

在測(cè)量的同時(shí)，對(duì)已拆除大型屋面板的屋架進(jìn)行加固和端頭包鋼作業(yè)，以及對(duì)低端預(yù)頂升3 mm的施工（圖5）。

圖5 屋架加固及端頭四周面包鋼

4.2.3 搭設(shè)施工腳手架

腳手架材料為φ483 mm×5 mm圓鋼管。綜合考慮安全、作業(yè)面及現(xiàn)場(chǎng)條件，施工腳手架搭設(shè)高度為3排，橫距1.20 m，縱距1.50 m，步距1.80 m。其中，在混凝土柱施工期間，中排立桿讓出3步暫不搭設(shè)，以便混凝土柱有足夠的作業(yè)面施工。在柱模拆除后再搭設(shè)[5-6]。

由于腳手架可連墻的僅有排架柱，但又不便在柱上設(shè)置錨固件，因此連墻件只得用鋼管四面緊箍排架柱，每2步距設(shè)置1道，并在腳手架兩側(cè)加設(shè)拋撐以增強(qiáng)腳手架的穩(wěn)定性。

4.2.4 新增混凝土柱

由于新增混凝土柱離地14.45 m，在下牛腿與上牛腿之間，且緊貼舊柱新建，故采用了植筋、木夾模等技術(shù)措施：

1）植筋。先施工新混凝土柱與原排架柱連接面的抗剪鍵，在植筋前須查出原結(jié)構(gòu)鋼筋分布，以便鉆孔時(shí)避開鋼筋（也可通過鑿“十”字鑿的方式辨別鋼筋分布）。由于新增柱一側(cè)是原雙肢柱，無法通過對(duì)拉螺栓固定模板，因此植筋前應(yīng)先將對(duì)拉螺栓（φ14 mm）與剪力鍵焊接好，再進(jìn)行植筋。

2）鋼筋綁扎。由于牛腿上部均已滿覆鋼板，因此鋼筋綁扎前要先對(duì)原鋼板進(jìn)行除銹處理，縱筋也只能穿孔塞焊。施工前先進(jìn)行放線布點(diǎn)，然后使用磁力鉆開孔，孔徑21 mm。新混凝土柱總高4.40 m，柱縱筋可不作搭接，施焊時(shí)應(yīng)有人員輔助穩(wěn)定鋼筋，確保焊接質(zhì)量。由于有剪力鍵的阻礙，故箍筋應(yīng)在內(nèi)排縱筋施焊前按位置排布好，在縱筋全部焊接完成后再進(jìn)行綁扎。

3）模板安裝。支模前應(yīng)先清理柱底及側(cè)面灰塵、雜物、焊渣等。模板使用厚18 mm夾心板，龍骨使用50 mm×100 mm木方。寬度375 mm側(cè)面加2根主龍骨，長(zhǎng)800 mm側(cè)面使用3根主龍骨。次龍骨使用圓鋼管通過對(duì)拉螺栓進(jìn)行連接固定。安裝完成后要校驗(yàn)垂直度，并每面用鋼管作斜撐進(jìn)行輔助校定。與剪力鍵焊接的對(duì)拉螺栓不得使用塑料套管。

4）混凝土澆筑。本工程使用現(xiàn)場(chǎng)攪拌機(jī)配制的灌漿料進(jìn)行澆筑，澆筑前原混凝土柱壁柱底鑿毛，清去雜物。澆筑時(shí)先往柱底澆筑厚5 cm灌漿料，以利于接觸面結(jié)合牢固。澆筑時(shí)必須使用串筒或溜槽（澆筑高度超3 m），避免灌漿料發(fā)生離析。采取分段澆筑，每次澆筑高度不超過500 mm。澆筑至柱頂時(shí)置入預(yù)埋鐵件。振搗棒應(yīng)放在柱中，應(yīng)遵循快插慢拔的原則，每次振搗以15～20 s為宜。振搗時(shí)應(yīng)避免振搗棒直接接觸鋼筋或模板。澆筑時(shí)應(yīng)有木工在現(xiàn)場(chǎng)看模，發(fā)現(xiàn)模板傾斜或漏漿的，應(yīng)暫停澆筑，待糾正后方可繼續(xù)。

5）混凝土拆模及養(yǎng)護(hù)?；炷林鶟仓?4 h后方可拆模，拆模后要立即進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，前3 d以確保柱表面始終濕潤(rùn)為宜，安排專人定時(shí)灑水。3 d后每天灑水2遍。在柱澆筑混凝土達(dá)到強(qiáng)度后方可進(jìn)行上部鋼梁安裝。

4.2.5 鑲嵌吊裝XGL1鋼梁

1）鋼梁安裝前先完成①、②、③軸屋架端頭的包鋼，并局部拆除①～③軸緊鄰軸的原有水平“X”形支撐。

2）考慮到既有屋架影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，經(jīng)項(xiàng)目體和專家討論，決定采用雙機(jī)抬吊、橫向“鑲嵌”的方式吊裝XGL1鋼梁。經(jīng)計(jì)算，鋼梁質(zhì)量為3.70 t，使用250 kN汽車吊，作業(yè)半徑9 m，吊臂伸出屋架，長(zhǎng)度控制在25 m，每臺(tái)吊機(jī)吊重可達(dá)9 t＞鋼梁質(zhì)量3.70 t，滿足要求。

3）鋼梁吊裝分2步，先將鋼梁吊至安裝高度，再使用10 kN葫蘆吊將鋼梁水平牽引至安裝位置（圖6）。鋼梁頂距離包鋼后的屋架底只有50 mm，為確保吊裝安全，使鋼梁提升過程中不至于碰撞屋架下弦桿，汽車吊的提升速度必須控制在1 m/min，使指揮人員在50 mm提升高度中有50/（1 000/60）=3 s反應(yīng)時(shí)間。施工時(shí)，應(yīng)在低處進(jìn)行試吊，測(cè)試并調(diào)整2部吊車的起吊速度至1 m/min。起吊時(shí)，在屋架下弦桿下80 mm處設(shè)置警戒線，在鋼梁吊至此高度時(shí)指揮應(yīng)倒計(jì)時(shí)3 s后叫停。

圖6 鑲嵌吊裝XGL1鋼梁

4）鋼梁焊接固定：鋼梁放置平穩(wěn)后，按照設(shè)計(jì)要求將鋼梁兩端頭與柱頂進(jìn)行焊接固定，鋼梁與屋架之間空隙采用高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行填充至縫隙密實(shí)。

4.2.6 屋架落架

新增XGL1鋼梁之上支承有3榀屋架，其中部②軸屋架和鋼梁的節(jié)點(diǎn)處理有點(diǎn)特殊：因?yàn)楦鶕?jù)設(shè)計(jì)要求，該榀屋架需要適度地頂升3 mm，但其上部還有約4 m疊加著圈梁、磚墻、鋼排窗、遮陽板過梁及女兒墻，施工方考慮到②軸屋架豎向不易頂升且存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，故決定直接采用“落架”類似換撐施工方法（保留擬拆除的倒三角形混凝土托架上部橫梁），即從側(cè)向兩面填塞鋼楔墊板楔緊②軸屋架與鋼梁之間空縫，并與其焊接，然后采用高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行縫隙填充至密實(shí)（圖7）。這不僅對(duì)②軸屋架的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用，而且也使托架換梁→托架置梁施工過程中的穩(wěn)定性有了可靠保證。

4.2.7 切割、拆除原有混凝土托架

新梁安裝后，即可對(duì)原有混凝土托架進(jìn)行拆除，拆除作業(yè)按圖8所示①、②、③順序切割。實(shí)測(cè)證明，拆除混凝土托架后產(chǎn)生上部橫梁的彎曲變形很小，可以忽略不計(jì)，屋架漸趨落架轉(zhuǎn)移至新增鋼梁直到構(gòu)件受力平衡，實(shí)現(xiàn)低跨托架換梁→托架置梁的平穩(wěn)過渡[7-8]。

圖7 屋架落架固定

圖8 拆除三角形托架順序

4.3 北側(cè)高跨托架換梁

有了南側(cè)低跨托架換梁的經(jīng)驗(yàn)，北側(cè)高跨區(qū)域的托架換梁也就相對(duì)容易了些。但因其結(jié)構(gòu)較高，且建造年代較久，經(jīng)精密度測(cè)量，原屋架結(jié)構(gòu)呈北高南低的狀態(tài)，須以頂升校正之，而原托架又為“W”形鋼支撐，使梁中部之上承載的屋架在換梁期間失去依托，故施工技術(shù)也就有了相應(yīng)的改變。

4.3.1 主要施工流程

拆除屋面板→拆除魚腹式行車梁→精確測(cè)量→軸屋架加固及節(jié)點(diǎn)施工→吊裝XGL2鋼梁→屋架頂升、落架→拆除“W”形鋼支撐→安裝新增“X”形鋼支撐和XGL3鋼梁

4.3.2 測(cè)量統(tǒng)計(jì)

經(jīng)測(cè)量數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算：

30 m跨屋架下弦桿①軸屋架標(biāo)高為-0.018 m，30 m跨屋架下弦桿③軸屋架標(biāo)高為-0.006 m。從計(jì)算值得知屋架略呈北高南低狀態(tài)，須給高跨南側(cè)“托架置梁”施工頂升3 mm，以使屋架呈水平狀態(tài)。

4.3.3 屋架加固及節(jié)點(diǎn)施工

30 m跨屋架同樣因年代久遠(yuǎn)，須給予維護(hù)及加固。主要內(nèi)容為上、下弦桿表面噴涂有機(jī)硅保護(hù)劑，在兩端全部包鋼加固。

4.3.4 鑲嵌吊裝XGL2鋼梁

同南側(cè)低跨吊裝方法，置換的XGL2鋼梁同樣以雙機(jī)抬吊方式鑲嵌吊裝，并予以臨時(shí)固定。

4.3.5 屋架頂升、落架

由于原屋架存在高低架，且跨度較大，經(jīng)研究，決定從地面安裝臨時(shí)支架，在適當(dāng)?shù)牟课豁斏菁?，與托架置梁協(xié)同作業(yè)。

1）安裝臨時(shí)支架。根據(jù)需要頂升的計(jì)算荷載和現(xiàn)場(chǎng)施工工況，我們?cè)跇?biāo)高-0.40 m的1層底板上鋪設(shè)路基箱，路基箱與其上臨時(shí)支架焊接，使荷載均勻分布在底板上。臨時(shí)支撐布置采用3根φ609 mm鋼管組合成三角架，三角架平面上呈高3 m、底邊長(zhǎng)4 m的三角形，3根鋼管由20#槽鋼兩兩相連。三角架中較高的1根鋼管為支撐管，其余2根起輔助作用（圖9）。φ609 mm鋼管分段運(yùn)輸?shù)焦さ?，現(xiàn)場(chǎng)拼接，用汽車吊依次把3根鋼管吊裝就位。

圖9 30 m跨頂升三角架立面示意

2）千斤頂選用規(guī)格的確定。30 m跨需頂托的質(zhì)量分別為14.43 t，千斤頂需滿足頂托屋架質(zhì)量要求。為保障千斤頂頂托屋架處混凝土安全，應(yīng)盡量增大千斤頂提升桿的截面面積。盡量提高千斤頂?shù)恼{(diào)節(jié)精度，頂升時(shí)加載速度盡量放慢。綜合以上因素，考慮到計(jì)算偏差以及實(shí)際風(fēng)荷載等活荷載，最終選用1 000 kN千斤頂。由千斤頂規(guī)格表可知活塞桿截面積為7.85×10-3m2，由泵站壓力表可知壓力表每格為2 MPa，即1.57 t。滿足要求。

3）屋架頂升準(zhǔn)備工作和應(yīng)變片布設(shè)。30 m跨②軸線屋架下弦桿每隔500 mm布設(shè)1個(gè)應(yīng)變片，由于屋架頂升受力部位為屋架端頭，所以此處應(yīng)變片應(yīng)多布設(shè)并重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，在頂升部位下弦桿兩側(cè)面每隔50 mm再布設(shè)1個(gè)應(yīng)變片。貼應(yīng)變片屬于高空懸空作業(yè)，采用升降機(jī)輔助作業(yè)。

4）屋架頂升、卸載落架。頂升位置在屋架端部（靠近下弦桿附近），屋架受力點(diǎn)處變形較大，應(yīng)設(shè)置鋼墊板擴(kuò)大受力面積，以減小屋架變形。千斤頂施加3.14 kN力后自鎖，與屋架緊密接觸。千斤頂緩慢減壓，使得新增鋼梁完全支撐屋架，卸載完成。焊接屋架端部包鋼與新增鋼梁上的鋼墊板、加勁板[9]。

4.3.6 拆除“W”形鋼支撐

在屋架落架的同時(shí)，即可切割和拆除“W”形支撐及其與屋架間的墊板，由于拆除施工空間十分狹窄，故拆除工作采用手拉葫蘆的方式卸載，以便于施工（圖10）。

圖10 30 m跨拆除“W”形鋼支撐

4.3.7 安裝“X”形鋼支撐和XGL3

按照設(shè)計(jì)要求安裝新增的“X”形鋼支撐和下橫梁XGL3，由于施工空間限制，故“X”形鋼支撐和XGL3吊升亦采用手拉葫蘆的方式，特別是“X”形鋼支撐，應(yīng)先分塊提升，然后在空中拼裝并用螺栓連接。完成后拆除臨時(shí)支架和操作腳手架（圖11）。

圖11 30 m跨新增XGL3和“X”形鋼支撐

5 結(jié)語

上海船廠2E1-1地塊舊廠房的高低跨托架置梁關(guān)鍵施工技術(shù)在各有關(guān)單位的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新并輔用當(dāng)前國(guó)內(nèi)建筑領(lǐng)域先進(jìn)的“結(jié)構(gòu)安全預(yù)警”技術(shù)——結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（Structural Health Monitoring，簡(jiǎn)稱SHM）施工，按既定方案實(shí)施得到圓滿成功[10]。

據(jù)檢測(cè)報(bào)告：屋架在頂升、卸載落架過程中，屋架桿件、XGL1、XGL2新增鋼梁的應(yīng)力指標(biāo)均處于安全范圍，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。該項(xiàng)改造為建筑功能的轉(zhuǎn)換打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工得到統(tǒng)一并取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，亦為今后舊廠房改建施工技術(shù)的開發(fā)積累了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。