地下改建、地上新建工況下的超高層鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

李福榮

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

博華中心項目位于上海市靜安區(qū)，地塊西至慈溪路，東至大田路，南至山海關(guān)路，北至新閘路，由1幢高250 m的超高層塔樓和高22.6 m的商業(yè)裙房組成（圖1）。項目地下4層，塔樓地上54層，裙房地上4層，總建筑面積182 839.62 m2。

圖1 博華中心

因功能改變，需對主樓區(qū)域已施工完成的地下室結(jié)構(gòu)（原上部結(jié)構(gòu)未施工）進行大規(guī)模改建，改建范圍共計4層（地下），內(nèi)容涉及：核心筒剪力墻的拆除與新增；外圍巨型鋼骨混凝土柱節(jié)點改建與新增；混凝土梁及樓板的拆除與重建（圖2、圖3）。

圖2 主樓區(qū)域地下室頂板拆除平面

圖3 主樓區(qū)域地下室頂板新建平面

塔樓地下室原結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土外框架＋核心筒體系，改建后的結(jié)構(gòu)為鋼框架＋核心筒體系。塔樓周邊新增14根SRC柱，鋼骨柱采用“十”字形截面，截面尺寸為1 350 mm×450 mm×25 mm×40 mm。新增鋼構(gòu)件利用后置埋件、鋼抱箍等措施同老結(jié)構(gòu)連接。

在改建后的地下室上部新建高250 m的塔樓（標準層層高4.5 m），塔樓采用鋼筋混凝土核心筒＋鋼框架結(jié)構(gòu)，其鋼結(jié)構(gòu)部分由核心筒勁性鋼柱、外圍勁性鋼柱、樓層鋼梁、桁架（含環(huán)帶桁架及勁性桁架）、樓承板及頂部塔冠組成，其中桁架層設有斜向水平支撐（圖4～圖6）。

圖4 地上（典型）標準層平面

圖5 地上桁架層（38層）平面

圖6 塔樓結(jié)構(gòu)立面

2 工程特點、難度分析

1）本工程地下室需進行大范圍的改建，涉及到大量的新老銜接構(gòu)件，對鋼結(jié)構(gòu)施工定位及質(zhì)量控制提出了較高要求。

2）項目地處鬧市中心，場地狹小且又緊鄰地鐵，工期緊迫且塔樓地上結(jié)構(gòu)新建與周邊地下室改建需同步進行，施工場地組織要求高。

3）項目因功能變化導致原有塔式起重機械無法滿足新建結(jié)構(gòu)施工需要，新布置的重型塔吊基礎的處理對起重機械的安全使用至關(guān)重要[1-6]。

3 總體施工流程

主樓地下室分區(qū)改建（見圖3）。A區(qū)（塔樓區(qū)域）自上而下拆除完畢后利用2臺80 t汽車吊在塔樓周邊地下室頂板上安裝該區(qū)B1～B4層新建結(jié)構(gòu)及新布置的2臺重型外附著式塔吊（圖7）。

A區(qū)進入上部結(jié)構(gòu)施工后，自下而上改建B區(qū)地下室結(jié)構(gòu)并保留C區(qū)作為A區(qū)上部結(jié)構(gòu)施工作業(yè)面，待B區(qū)改建完畢后，改建C區(qū)地下室結(jié)構(gòu)并以B區(qū)作為A區(qū)上部結(jié)構(gòu)施工作業(yè)面。塔樓上部結(jié)構(gòu)利用2臺重型外附著式塔式ZSL500和ZSL750作為主要施工機械。

圖7 地下室階段場地布置平面

4 地下室改建部分鋼結(jié)構(gòu)施工

4.1 老結(jié)構(gòu)偏差復核

由于地下室是部分改建，新老結(jié)構(gòu)需要連接，為消化老結(jié)構(gòu)本身存有的“合理”偏差，現(xiàn)場施工前利用全站儀對老結(jié)構(gòu)進行復測，獲取實際數(shù)據(jù)以指導新增鋼結(jié)構(gòu)的深化設計，確保施工順利實施。

4.2 首節(jié)勁性鋼柱安裝

新增14根勁性鋼柱通過后置錨栓與已完成的地下室底板連接（圖8）。利用鉆孔機對底板進行鉆孔，鉆孔的深度以及垂直度通過附著在鉆機上的刻度表以及糾偏構(gòu)造來進行檢驗。鉆孔結(jié)束后，拆卸鉆頭，將φ50 mm的錨栓伸入孔內(nèi)并通過鉆機上的糾偏器進行垂直度校正，校正結(jié)束后植筋并對錨桿采取保護措施。鋼柱安裝前利用地腳螺栓上的螺母調(diào)節(jié)柱底標高，利用80 t汽車吊進行吊裝，鋼柱復測無誤后設置側(cè)向穩(wěn)定措施，擰緊地腳螺栓螺母并對柱底進行二次灌漿。

圖8 首節(jié)勁性鋼骨柱與底板關(guān)系立面

4.3 新增鋼梁與老柱連接抱箍安裝

老結(jié)構(gòu)外框柱直徑為2 100 mm，利用“兩片式”環(huán)形抱箍連接新結(jié)構(gòu)鋼梁與該柱。抱箍單片半環(huán)與半環(huán)之間采用全熔透焊對接，抱箍與老柱之間采用后置錨栓連接（圖9）。利用土法對抱箍進行分片安裝，通過后置錨栓使其固定在老柱上。鋼梁安裝完畢后全熔透對接抱箍。利用微膨脹水泥對抱箍與老柱之間的間隙進行灌漿密實處理（圖10）。

圖9 典型首層框架梁與已建成塔樓柱連接

4.4 轉(zhuǎn)換桁架安裝

勁性鋼骨轉(zhuǎn)換桁架共涉及2處，均在B1層，最大尺寸為H2 500 mm×1 300 mm×60 mm×60 mm（圖11）。

圖10 現(xiàn)場抱箍安裝實景

圖11 地下室轉(zhuǎn)換桁架立面

施工桁架時剛好進入冬季施工，為確保厚板焊接質(zhì)量，現(xiàn)場搭設保溫棚并進行焊前預熱。鋼板焊接完成后，在焊縫兩側(cè)進行焊后熱處理，其熱處理的范圍為鋼板厚度的2～3倍，加熱溫度控制在150～300 ℃，并持續(xù)1～2 h。熱處理結(jié)束后，采取保暖措施使焊縫緩慢冷卻，冷卻的速度控制在≤10 K/min。

4.5 車庫坡道鋼梁施工

新建坡道結(jié)構(gòu)采用鋼梁＋樓承板形式，主梁通過后置埋件與老結(jié)構(gòu)（混凝土）連接。受主樓上部結(jié)構(gòu)同步施工的影響，坡道鋼結(jié)構(gòu)無法采用地面起重機進行吊裝，因此采用土法安裝。利用塔樓塔機將坡道鋼梁通過吊裝孔吊運至地下施工樓層，利用手推液壓小車將鋼構(gòu)件水平駁運至作業(yè)點。主梁利用固定在兩側(cè)柱子上的電動葫蘆就位，次梁則通過在主梁上設置提升架，利用固定在提升架上的手拉葫蘆吊裝。由于坡道設計為雙向傾斜面，為便于樓承板鋪設，鋪板方向平行于主梁。

4.6 B區(qū)及C區(qū)地下改建部分鋼梁施工

B區(qū)、C區(qū)原結(jié)構(gòu)為混凝土框架，改建后為鋼框架。鋼梁均通過后置埋件與原混凝土結(jié)構(gòu)連接，改建順序由下而上進行，利用塔樓塔機將鋼構(gòu)件通過吊裝孔吊運至地下施工樓層，利用手推液壓小車將其水平駁運至作業(yè)點。通過固定在周邊結(jié)構(gòu)上的手拉葫蘆對其進行安裝。

5 塔樓地上新建鋼結(jié)構(gòu)安裝

塔樓采用2臺自升式外附著塔吊作為主要起重機械，其中1臺ZSL500塔吊布置在塔樓外框東側(cè)，1臺ZSL750塔吊布置在塔樓外框西側(cè)。由于項目東側(cè)緊鄰在建車站（車站結(jié)構(gòu)已施工完畢），東區(qū)ZSL500塔吊堆場（位于塔樓東側(cè)地下室結(jié)構(gòu)上方）限載1 t/m2（圖12）。

圖12 塔樓地上結(jié)構(gòu)施工平面

5.1 重型塔機使用方案

5.1.1 塔吊基礎施工

由于起重機安裝前，原地下室底板已施工完畢，現(xiàn)場新布置的2臺塔吊無法預埋在底板上，因此塔吊采用后置基礎，解決方案如下：底板上設置后置埋件，利用角焊縫連接路基箱與埋件。路基箱下方鋪設黃沙用以墊實路基箱與底板之間的空隙。路基箱上鋪支座板與轉(zhuǎn)換鋼梁作為后置塔吊基礎，轉(zhuǎn)換鋼梁之間通過連系鋼梁連接。利用肋板固定轉(zhuǎn)換鋼梁及支座板，路基箱端部設置配重壓鐵（圖13）。塔吊初始安裝高度為24 m，在B1層上設置第1道附墻，附墻通過后置埋件與原外框柱連接（圖14）。

圖13 塔吊基礎做法

5.1.2 塔吊附墻施工

塔樓受改建影響，上部核心筒同外框存在進度偏差（一般相差10層左右），為滿足核心筒施工吊裝高度的需要，ZSL500塔吊設置長附墻，附墻通過預埋件直接與核心筒相連（見圖14）。通過MIDAS對長附墻及核心筒主要受力構(gòu)件進行整體建模計算（圖15）。

圖14 塔吊附墻立面布置

核心筒施工至27層，翼墻墻體由原先的1 000 mm降至800 mm，豎向鋼筋為4排φ18 mm@150 mm（HRB400），水平鋼筋為4排φ12 mm@150 mm（HRB400）。通過模型計算，在長附墻作用下核心筒x軸方向的彎矩值無法滿足要求，故在27層后，對涉及到長附墻的樓層區(qū)域采取增強水平鋼筋的措施（水平鋼筋增強至4排φ12 mm@150 mm＋φ12 mm@150 mm），以滿足核心筒的內(nèi)力要求。

塔機常規(guī)附墻設置在塔樓外框勁性柱上，利用MIDAS GEN對常規(guī)附墻、外框架等主要受力構(gòu)件進行整體建模計算（圖16）。在塔機附著的工況下，附著層的樓面鋼梁不僅需要承受本身的橫向荷載（梁內(nèi)力主要表現(xiàn)為彎矩和剪力），還需要承受塔機對其造成的軸向力（此與設計狀態(tài)不符）。經(jīng)計算，原設計鋼梁截面無法滿足塔吊附著要求，故需進行加固處理。加固方法如下：增加受力鋼梁截面面積（但不變鋼梁高度）；在受力區(qū)域加設圓形水平支撐；受力鋼梁與核心筒連接的埋件由原先的“單剪”改為“雙剪”構(gòu)造（圖17）。為便于附墻與外框勁性柱的連接，在附墻位置的勁性鋼柱上設置鋼牛腿，鋼牛腿設計如下：在節(jié)點區(qū)域加設2塊橫向肋板，肋板外側(cè)設置附墻連接板，塔吊附墻采用矩形鋼管，附墻鋼管與連接板之間采用角焊縫相連（圖18）。

圖15 核心筒內(nèi)力云圖

圖16 外框架內(nèi)力云圖

考慮到附墻作用在勁性鋼骨柱上（截面形式采用十字形），會對其造成平面扭矩。為保證結(jié)構(gòu)安全，在附墻附著的這一層勁性鋼柱上設置相關(guān)綴條板，并對其進行單獨建模計算（圖19）。計算結(jié)果表明，經(jīng)上述加固措施后的鋼骨柱端部最大應力小于材料屈服強度，平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)最大位移僅為6.4 mm，滿足要求。

圖17 外框架加固平面

圖18 外框柱附墻區(qū)域節(jié)點

圖19 外框柱計算云圖

5.2 主樓上部結(jié)構(gòu)施工

5.2.1 鋼框架施工

塔樓上部鋼框架，外框鋼柱除設備層以外（2層/節(jié)）均為3層/節(jié)進行分段。鋼結(jié)構(gòu)主梁單件吊裝，部分邊梁、次梁采用“地面擴大組裝，高空單位整體吊裝”就位。塔樓因建筑需要，局部樓層鋼柱呈單邊傾斜狀，單根柱子傾斜最大角度為7°。鋼柱就位后，利用裝配板臨時固定柱子，吊機不松鉤，待現(xiàn)場作業(yè)人員對鋼柱底焊施工完畢后再進行松鉤。

5.2.2 核心筒勁性桁架施工

勁性桁架位于38層，共涉及2處，桁架均貫穿于核心筒腹墻內(nèi)，構(gòu)件采用焊接H型鋼，截面最大尺寸為H800 mm×250 mm×50 mm×50 mm。由于勁性桁架在施工過程中與鋼柱筒架交替支撐式整體液壓爬升鋼平臺的支撐系統(tǒng)（以下簡稱鋼平臺）存在位置上的沖突，桁架吊裝分段在深化設計時結(jié)合鋼平臺爬升要求，進行吊裝分段的優(yōu)化（圖20）。

圖20 勁性桁架分段

勁性桁架下弦桿施工完畢后，核心筒混凝土澆筑至38層。用于鋼平臺提升的鋼立柱與桁架斜桿接頭相碰（鋼平臺通過鋼立柱頂升已施工完畢的核心筒實現(xiàn)整體提升），現(xiàn)場設置臨時頂升柱。頂升鋼柱采用門式支架（圖21）。

圖21 勁性桁架安裝立面

5.2.3 環(huán)帶桁架施工

環(huán)帶桁架位于24層及38層，構(gòu)件均采用焊接H型鋼，截面最大尺寸為H500 mm×600 mm×60 mm×80 mm。

桁架在吊裝過程中涉及高重心問題，利用矩形鋼管作為臨時支撐，節(jié)點與下段鋼柱底焊完成后松鉤?？紤]到高重心構(gòu)件在“懸臂工況”下時間相對較長，該層臨時支撐待環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)成型后再進行拆除（圖22）。

圖22 現(xiàn)場高重心構(gòu)件吊裝

5.2.4 剪力鋼板施工

核心筒勁性剪力鋼板位于南端翼墻內(nèi)且處于核心筒收分處末端，施工方法如下：核心筒施工至37層，鋼平臺南側(cè)機架拆除并繼續(xù)向上施工。待37層外框架施工完畢后對38層剪力鋼板進行安裝（鋼、板分別安裝，鋼柱與鋼板之間利用“靠碼”作為焊接臨時措施，減少鋼板在焊接過程中的變形）。在37層框架上搭設落地腳手架，作業(yè)人員在腳手架上對此處核心筒翼墻進行土建施工（圖23、圖24）。

圖23 勁性剪力鋼板鋼構(gòu)施工

圖24 勁性剪力鋼板土建施工

5.2.5 核心筒內(nèi)鋼構(gòu)件施工

核心筒內(nèi)的鋼構(gòu)件主要涉及井道梁、電梯分割梁及鋼樓梯。其中鋼樓梯滯后外框1～2層，其余鋼結(jié)構(gòu)滯后外框7～8層。井道梁與電梯分割梁利用塔吊將其駁運至外框N-7層后，用懸掛在鋼平臺上的電動葫蘆進行安裝，電梯分割梁在安裝過程中下方搭設硬隔離及其他安全措施確保施工人員安全（圖25）。核心筒內(nèi)鋼樓梯構(gòu)件通過鋼平臺上的吊裝孔進入施工作業(yè)層，利用懸掛在鋼平臺上的電動葫蘆進行安裝。

圖25 核心筒內(nèi)鋼構(gòu)件安裝立面

6 結(jié)語

行之有效的施工方案對于地下改建、地上新建的超高層來講至關(guān)重要。通過對現(xiàn)場老結(jié)構(gòu)的復測，修正新建鋼結(jié)構(gòu)的尺寸，以保證新老結(jié)構(gòu)匹配；利用后置塔吊基礎解決重型塔吊無法預埋在已施工完畢的地下室底板上的難題；采用長附墻的方式，解決了在外框結(jié)構(gòu)進度嚴重滯后于核心筒的工況下，吊裝高度不夠等問題。通過一系列的技術(shù)研究，解決了博華中心這一地下改建、地上新建工況下的超高層鋼結(jié)構(gòu)施工難題，確保了項目的順利實施。