沈榮飛 鄭 偉
1. 蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖城市發(fā)展有限公司 江蘇 蘇州 215000;2. 蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215001
蘇州中心廣場項目位于蘇州工業(yè)園區(qū)湖西CBD核心區(qū)域(圖1),項目總占地面積約15.4 hm2,規(guī)劃地上總面積約1 300 000 m2,地下總建筑面積約500 000 m2,共分為外圈H、D、E街區(qū)和內(nèi)圈A、B、C街區(qū)。
圖1 蘇州中心現(xiàn)場
本次蘇州中心廣場蘋果公司店鋪(下稱“蘋果店”)改造工作涉及到的區(qū)域位于已建結(jié)構(gòu)的B區(qū),本項目的基本改造內(nèi)容是:梁、柱加固,抽柱,樓面開洞形成中庭等改造。在蘋果店范圍內(nèi)拔除Z5、Z8兩根柱(S03軸線位置/SE1、SD1),抽柱剖面見圖2,柱位如圖3所示。柱位圖在L2樓層相關(guān)區(qū)域開洞形成中庭,同時考慮后期L2層此處中庭樓板的恢復設計。
圖2 拔除柱剖面示意
圖3 托換梁平面示意
本次托梁抽柱施工共提出了3種技術(shù),方案1為預應力托換技術(shù),方案2為梁柱增大截面及梁柱節(jié)點加固技術(shù),方案3為原結(jié)構(gòu)增加鋼桁架形成組合受力結(jié)構(gòu)。
預應力托換技術(shù)是目前一種新興的施工技術(shù)[1-4],考慮到蘇州中心蘋果店作為綜合商業(yè)體,其加固設計年限要求高,預應力技術(shù)考慮后期的預應力損失和失效問題可能會縮短使用年限,因此該方案僅可用作比較方案;原結(jié)構(gòu)增加鋼桁架形成組合受力方案存在二次受力問題,其加固傳力體系目前計算理論尚無明確的標準規(guī)范,因此,該方案也只能作為備選方案;增大截面技術(shù)主要為:在梁4個方向增設鋼結(jié)構(gòu)圍套,2個方向主梁均采用增大截面加固法加固。原主梁四周再布置抗剪焊釘剪力鍵,增加新老混凝土結(jié)構(gòu)的連接,保證新老混凝土的共同受力,該方案技術(shù)成熟可靠,加固效果明顯。
綜合上述分析,以增大截面施工技術(shù)作為多層整體抽柱改造的最終推薦方案。
在加固結(jié)構(gòu)的強度和力學性能不滿足設計指標要求時,不得強行抽柱。對于設計要求先加固后拆除的,必須按照設計要求進行加固;先拆除板,再拆除次梁,最后拆除主梁;對于拆除后保留結(jié)構(gòu)需要臨時支撐的,必須采取臨時支撐措施。
本工程加固的重點和難點是梁柱節(jié)點位置,現(xiàn)場實施方案:在梁4個方向增設鋼結(jié)構(gòu)圍套,并采用連接鋼板將圍套焊接成整體,以保證原梁在節(jié)點位置4個方向上力的傳遞,增加傳力路線,增大梁端的截面剛度。梁柱節(jié)點位置采取圍套施工加強(圖4)。
圖4 圍套施工
蘇州中心改造施工期間,室內(nèi)無大型吊裝設備,格構(gòu)柱的拆除層間運輸困難,為此,創(chuàng)新性地提出了工具式格式柱的設計思想。可拆卸式格構(gòu)柱標準節(jié)自重在2 000~3 000 N范圍,長度0.6~1.0 m,在大型塔吊和吊裝設備不具備施工作業(yè)條件的情況下,可以采用施工電梯、卷揚機吊裝即可,能適應復雜的施工邊界條件。可拆卸式格構(gòu)柱材料采用M20高強螺栓連接,可以按照建筑標高做成標準節(jié)和調(diào)高節(jié)段,方便組裝和拆除。格構(gòu)柱頂部和底部均采用厚度2 cm、高度20 cm的Q235鋼板做成加勁肋,防止在托換荷載的作用下局部應力集中而出現(xiàn)變形。設計時兼顧考慮了下一層梁體的抗剪驗算,對下一層梁體的附加荷載最小。底部采用化學錨栓和原梁連接為整體,可以防止平面內(nèi)的失穩(wěn)傾覆(圖5)。
圖5 可拆卸式托梁換柱支撐總體布置
切割采用最新的無損切割中的鏈式切割技術(shù)。
室內(nèi)大型施工設備受限制的吊裝方法:考慮到結(jié)構(gòu)內(nèi)部大型吊裝設備無法作業(yè),吊裝能力有限,故必須對置換下來的節(jié)段進行精細化分解,綜合考慮吊裝能力,最終確定切割節(jié)段的長度,分塊質(zhì)量應根據(jù)吊裝能力以1.0~1.5 t較佳。選取在切割柱體總高兩端1/3處采用鉆孔機各鉆出吊裝孔,孔徑25~30 mm為佳。被拆除的構(gòu)件應避免因集中堆放造成樓板應力集中而影響結(jié)構(gòu)安全。
由于是在既有結(jié)構(gòu)上進行局部改造加固,致結(jié)構(gòu)體系發(fā)生了一定改變,使得整個總體結(jié)構(gòu)體系發(fā)生內(nèi)力重分布,對鄰近原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。所以在整個改造加固過程中,需要對改造加固區(qū)域和原有建筑區(qū)域進行應力應變和變形監(jiān)測。
監(jiān)測內(nèi)容:
1)加固改造施工前的加固區(qū)域內(nèi)及相鄰周邊梁、柱應力應變測點的布置,構(gòu)件初始值讀取。
2)加固改造施工過程中,加固區(qū)域內(nèi)及相鄰周邊梁、柱的應力應變值定期采集和構(gòu)件的外觀和裂縫檢查,梁撓度的定期監(jiān)測。
3)截柱前后,加固區(qū)域內(nèi)及相鄰周邊梁、柱的應力應變值實時采集和構(gòu)件的外觀變形和裂縫檢查檢測,梁撓度的實時監(jiān)測。
4)加固施工完成后,加固區(qū)域內(nèi)及相鄰周邊梁、柱的應力應變值定期采集和構(gòu)件的外觀和裂縫檢查,梁撓度的定期監(jiān)測。
撓度釋放采用PLC控制液壓同步系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)實施。所述PLC控制液壓同步系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)(油泵、油缸等)、檢測傳感器、計算機控制系統(tǒng)等幾個部分組成,可以全自動完成同步移位,實現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖、過程顯示、故障報警等多種功能。
撓度分為N級釋放,每級釋放撓度的20%為佳。
現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:抽柱瞬間結(jié)構(gòu)的撓度變化遠小于設計預警值,撓度發(fā)生時,內(nèi)力重分布在瞬間發(fā)生,表明梁柱及梁柱節(jié)點區(qū)域加固設計施工具備足夠的安全系數(shù)。體系在瞬間轉(zhuǎn)化,梁的撓度釋放后荷載安全傳遞到兩側(cè)的梁柱節(jié)點。
在施工前,我們即對格構(gòu)柱的支撐傳力模式進行了建模分析,同時考慮了加固梁失效和不失效兩種狀態(tài),其中加固梁失效為更不利的受力狀態(tài),建模時將2層懸臂梁和格構(gòu)柱斷開,格構(gòu)柱和梁的抗剪驗算均滿足要求(圖6~圖8)。
圖6 支撐軸力計算
圖7 位移計算
圖8 柱軸力分布和變形
計算表明,抽柱Z5后S02-S04/SE1梁的彎矩發(fā)生了重分布,且峰值較大,主要是該梁承受了了x、y雙向荷載的影響,這與實際加固是一致的,其中,梁的支撐系統(tǒng)的設計和安全控制是抽柱的關(guān)鍵。
采用通用有限元軟件對B梁進行局部應力分析,結(jié)構(gòu)梁局部應力偏大,因此在拆除2層柱時,支撐設置在2、1、B1、B2層。其間,著重對B1頂板梁新澆筑疊合梁進行截面抗剪復核:主節(jié)點富余剪力400 kN,截面700 mm×400 mm;次節(jié)點富余剪力340 kN,截面700 mm×350 mm,最大軸力傳遞到B1梁的剪力為284.5 kN,實際荷載存在不均勻分布。按偏保守考慮,認為一個格構(gòu)柱傳遞569 kN剪力,則梁的富余剪力已經(jīng)不滿足,因此需要支撐到B2層(下部有剪力墻結(jié)構(gòu),可以滿足傳力要求)。
1)提出了狹小空間支撐系統(tǒng)的設計和安裝技術(shù),提出了一種可拆卸式化整為零的工具式格構(gòu)柱支撐。
2)托梁換柱體系轉(zhuǎn)換復雜,我們針對梁柱節(jié)點加固提出了圍套加固方案:梁4個方向增設鋼結(jié)構(gòu)圍套,并采用連接鋼板將圍套焊接成整體,保證原梁在節(jié)點位置4個方向上力的傳遞,增加傳力路線,增大了梁端的截面剛度。
3)復雜空間結(jié)構(gòu)施工階段的體系轉(zhuǎn)換模擬分析:采用有限元軟件模擬了支撐結(jié)構(gòu)底部抗剪梁的力學效應,分析了小剪跨比梁的撓度應力,保證了支撐的承載力要求,同時對格構(gòu)柱的支撐傳力模式進行了建模分析,同時考慮了加固梁失效和不失效兩種狀態(tài),其中加固梁失效為更不利的受力狀態(tài),保證了結(jié)構(gòu)在最不利情況下的失效概率和結(jié)構(gòu)的承載力最優(yōu)化。我們認為:為了節(jié)省工期和節(jié)省材料,可以間隔布置支撐,即根據(jù)有限元數(shù)值模擬計算,支撐不必一次性設置到地下室底板??紤]到材料的循環(huán)利用和周轉(zhuǎn),本次工程提出了用連續(xù)3層的3道梁來承擔1層柱切斷瞬間釋放的荷載。抽柱施工期間支撐結(jié)構(gòu)和支撐梁的應力撓度均滿足規(guī)范要求;撓度釋放采用PLC同步頂升系統(tǒng)控制、分級釋放技術(shù),偏于安全。
4)從支撐體系創(chuàng)新、監(jiān)測體系創(chuàng)新、加固體系創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)傳力體系創(chuàng)新等多方面提出了可靠的、通用性強的、經(jīng)濟環(huán)保的施工技術(shù)。
本工程的成功應用可為同類工程提供參考借鑒。