改建工程豎向構(gòu)件力系轉(zhuǎn)換施工

孫云飛

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

為實(shí)現(xiàn)既有舊商辦建筑體使用功能的更新升級(jí)，滿足內(nèi)部空間的改變，結(jié)構(gòu)改造中通過使用新受力構(gòu)件替代原有受力構(gòu)件，最終完成既有建筑結(jié)構(gòu)的部分力系轉(zhuǎn)換[1-3]。

本文以上海華潤(rùn)時(shí)代廣場(chǎng)標(biāo)志性的小尖塔頂蓋下力系轉(zhuǎn)換為依托，介紹了力系轉(zhuǎn)換施工中，新增受力體系進(jìn)行豎向分段同時(shí)施工的技術(shù)，通過在力系轉(zhuǎn)換過程中對(duì)主要受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終達(dá)到安全高效地完成新力系的構(gòu)建和新舊力系的轉(zhuǎn)換的目的。

1 工程概況

華潤(rùn)時(shí)代廣場(chǎng)改造工程主要功能定位為購(gòu)物中心（含零售商業(yè)、餐飲），改造工程包括地下2層（局部3層），地上11層。

為了實(shí)現(xiàn)建筑布局及部分區(qū)域使用功能的改變，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造。結(jié)構(gòu)改造主要涉及部分樓板拆除、局部剪力墻拆除，新增框架柱、剪力墻、框架梁、部分樓梯拆除等內(nèi)容。

2 力系轉(zhuǎn)換概況

小尖塔頂蓋形狀為棱錐體，原頂蓋由6根結(jié)構(gòu)柱＋兩面剪力墻（原觀光電梯兩側(cè)豎向受力結(jié)構(gòu)）支撐，所有豎向受力構(gòu)件均自頂蓋下方至基礎(chǔ)底部貫通。為使新中庭有更加寬闊的空間進(jìn)行改造，需在頂蓋下新增2根結(jié)構(gòu)柱，頂住小尖塔頂蓋，并拆除剪力墻，實(shí)現(xiàn)力系轉(zhuǎn)換，達(dá)到替換原受力構(gòu)件的目的（圖1、圖2）。

圖1 力系轉(zhuǎn)換平面示意

圖2 待拆除剪力墻實(shí)景

替換原剪力墻的2根立柱，7層以下采用柱加大截面的加固方式，7層以上為柱接長(zhǎng)及轉(zhuǎn)換梁柱施工。加固范圍為－10.7～57.7 m。立柱在中庭31.5 m（10層樓面）高空處有一次轉(zhuǎn)換，2根立柱之間新澆筑1根截面為1 000 mm×1 200 mm、跨度為16.5 m的轉(zhuǎn)換梁，梁上再起2根立柱直至小尖塔頂部（圖3）。

圖3 加固柱頂升剖面示意

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 頂升柱分段施工

結(jié)合此2根立柱的施工工況，7層以下為加固，7層以上為新建，本工程將此關(guān)鍵線路分為3段，B2—2層為一個(gè)施工段，從基礎(chǔ)底板起依次加大柱截面；3—7層為一個(gè)施工段，從3層中庭樓板起依次加大柱截面，8層—小尖塔頂為一個(gè)施工段，此段往上無柱加固工況，均為柱接長(zhǎng)及新建梁等，可單獨(dú)依次往上施工。

3.1.1 分段連接處鋼筋處理

施工上下分段處，因?yàn)槭悄嫘蚴┕?，下部混凝土未澆筑時(shí)，上部混凝土已先行澆筑，鋼筋的連續(xù)性必然成為問題。常規(guī)工序豎向結(jié)構(gòu)往上逐層施工，在每次澆筑墻柱時(shí)，分段澆筑完成后混凝土面均會(huì)留置插筋，以便下一段澆筑時(shí)鋼筋可以進(jìn)行搭接。

而根據(jù)本工程工況，剪力墻加大截面分段施工，下部混凝土為后施工，只不過是將常規(guī)工藝換了個(gè)方向，向上預(yù)留插筋變成了向下預(yù)留插筋，預(yù)留出足夠的搭接長(zhǎng)度，待下部加固混凝土施工到達(dá)預(yù)留位置時(shí)，再以焊接連接，保證鋼筋的連續(xù)性。

3.1.2 分段連接處混凝土澆筑

按照分段施工的思路，分段處的混凝土澆筑密實(shí)度是非常重要的，若幾處分段位置不能澆筑密實(shí)，結(jié)構(gòu)無法將上部荷載順利傳導(dǎo)至基礎(chǔ)底板，則整個(gè)加固都應(yīng)視作是無效的。

本工程采用自密實(shí)混凝土＋頂部灌漿料的組合方式，解決分段交界處的密實(shí)度問題，先澆筑高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土至兩端交界處100～200 mm范圍，而后相接段則采用灌漿料澆筑（圖4），使得分段處相連接。灌漿料具有流淌性佳、強(qiáng)度高，但是收縮較大的特點(diǎn)，不適宜大面積澆筑，但是僅僅在交界處澆筑不超過200 mm高度，完全適用于本工程分段施工密實(shí)度的要求。

圖4 分段處混凝土澆筑示意

3.1.3 7層以上新建梁柱施工方法

由于力系轉(zhuǎn)換新增的結(jié)構(gòu)柱7層以上是新建結(jié)構(gòu)，7層以下是原柱加大截面，若采用分段施工的方式，在下部結(jié)構(gòu)柱未全部加固完成的情況下，依次往上順作，需考慮到原結(jié)構(gòu)柱的受力是否能承受新增加的混凝土梁的自重。

在下部原結(jié)構(gòu)柱未完全加固完成的情況下，如需規(guī)避新增混凝土結(jié)構(gòu)自重的傳遞，只有在加固全部完成后，方可對(duì)柱子進(jìn)行加載，這是此方案施工的底線。所以在施工中，現(xiàn)場(chǎng)考慮7層以上新增梁結(jié)構(gòu)，部分依靠模板支撐架受力，將模板支撐架拆除時(shí)間延長(zhǎng)，逐層往上施工時(shí)將新增梁自重通過模板支撐架往下傳遞，盡量避免未加固完成的結(jié)構(gòu)柱過多受力，在下部結(jié)構(gòu)柱加固完成且強(qiáng)度達(dá)到要求后，再拆除上部新增結(jié)構(gòu)的模板支撐架，此時(shí)再將全部力傳遞到加固柱上。

3.2 原受力構(gòu)件拆除施工

3.2.1 剪力墻拆除方式的確定

原受力構(gòu)件剪力墻的拆除，是原結(jié)構(gòu)逐漸釋放應(yīng)力、新增立柱逐漸受力的過程。在拆除過程中，如何將兩面剪力墻的應(yīng)力緩慢、均勻、有效地進(jìn)行轉(zhuǎn)移是此施工工序的關(guān)鍵。

常規(guī)的拆除方式分為破碎和靜力切割，此工況采用物理破碎肯定不合適。物理破碎振動(dòng)較大，且豎向受力構(gòu)件的強(qiáng)度一般較高，需要大功率的破碎機(jī)械才能完成拆除工作，萬一有突發(fā)情況，振動(dòng)過大可能會(huì)造成力系轉(zhuǎn)換過程中結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，且鑿除過程中施工人員須在剪力墻旁打鑿，危險(xiǎn)系數(shù)過大。

綜合考慮，此次剪力墻與上部尖塔結(jié)構(gòu)的分離，宜采用鏈鋸切割的方式。相比物理破碎，鏈鋸切割有進(jìn)度可控、振動(dòng)小、對(duì)原結(jié)構(gòu)破壞小等優(yōu)點(diǎn)，且若轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生坍塌事故，鏈鋸切割的縫隙（約10 mm）還可以作為回頂受力的著力處，從而避免大范圍的坍塌。

3.2.2 施工安排及切割分段

由于力系轉(zhuǎn)換的過程較為重要，故轉(zhuǎn)換過程的時(shí)間不宜過短：一是需要時(shí)間進(jìn)行應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移、重分布的過程；二是力系轉(zhuǎn)換過程中需要留有充分的時(shí)間進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)關(guān)注結(jié)構(gòu)的變形數(shù)據(jù)，防止突發(fā)事件的發(fā)生。

根據(jù)此思路，并結(jié)合監(jiān)測(cè)單位的剪力墻切割監(jiān)測(cè)方案，將整個(gè)切割過程分為若干段，共計(jì)3 d完成。第1天切除小尖塔頂蓋框架斜梁下以外部分的剪力墻截面，第2、第3天切除小尖塔頂蓋框架斜梁下的剪力墻截面，直至切割完成（圖5）。

圖5 切割分段示意

3.3 過程監(jiān)測(cè)及結(jié)果

3.3.1 監(jiān)測(cè)的意義

在剪力墻拆除、力系轉(zhuǎn)換的過程中，相關(guān)受力構(gòu)件的卸載及加載，相關(guān)構(gòu)件的變形是否在可控范圍內(nèi)，是否出現(xiàn)異常，都需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且這在剪力墻切割期間尤為重要，一旦出現(xiàn)意外情況，觀測(cè)數(shù)值可以成為提前預(yù)警的信息，供現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)人員作出應(yīng)有的判斷。就本工況而言，涉及的構(gòu)件多且復(fù)雜，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包含各個(gè)方面。

3.3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

1）柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)。為了直觀反映加固柱加載受力情況，在加固柱最后一段（標(biāo)高42.25 m—小尖塔頂蓋）施工時(shí)，在柱鋼筋中預(yù)埋應(yīng)力片，待澆筑后可實(shí)時(shí)測(cè)量柱鋼筋所受軸力。每根柱共埋設(shè)應(yīng)力片10處，分別取柱的3處截面（圖6）。一處截面位于柱下1/3處，埋設(shè)于柱的4個(gè)角點(diǎn)；一處截面位于柱上1/3處，埋設(shè)于4個(gè)柱面；最后一處截面位于頂部柱托處，分別埋設(shè)2個(gè)方向。

圖6 柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布

2）加固柱傾斜度監(jiān)測(cè)。上部結(jié)構(gòu)逐漸加載后，2根新建立柱柱受力狀態(tài)發(fā)生變化，分別對(duì)加固柱B2層、3層、8層和10層進(jìn)行傾斜觀測(cè)。

3）轉(zhuǎn)換梁撓度。由于整個(gè)力系轉(zhuǎn)換體系于10層有一次轉(zhuǎn)換，所以在上部結(jié)構(gòu)不斷增加荷載的時(shí)候，10層大跨度梁跨中逐漸受力，必然會(huì)產(chǎn)生撓度甚至裂縫，如果產(chǎn)生的變形過大，勢(shì)必會(huì)對(duì)頂部小尖塔頂蓋的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以10層大跨度轉(zhuǎn)換梁的監(jiān)測(cè)也尤為重要。

4）裂縫觀測(cè)。對(duì)于有較大可能產(chǎn)生新裂縫，或者原有裂縫擴(kuò)大的構(gòu)件，進(jìn)行裂縫觀測(cè)，選定主要觀測(cè)對(duì)象為小尖塔頂部各框架斜梁及10層轉(zhuǎn)換梁。

5）沉降觀測(cè)。此次沉降觀測(cè)的布置分為三大類型，一是對(duì)小塔尖屋蓋的監(jiān)測(cè)，在剪力墻切割過程中及過程后，觀測(cè)整個(gè)屋蓋有沒有重大的位移變形；二是對(duì)受力加固柱子的監(jiān)測(cè)，在完全受力后，柱子的最終沉降是否在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)；三是對(duì)觀光梯剪力墻的監(jiān)測(cè)，觀察其在應(yīng)力釋放后的沉降變化。

3.3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)3 d切割過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析（圖7、圖8），在力系轉(zhuǎn)換過程中，雖然應(yīng)力整體上可以緩慢釋放、逐漸轉(zhuǎn)移，但還是有一個(gè)相對(duì)明顯的突變過程，做不到完全的緩慢釋放。在突變過程中，受力構(gòu)件的軸力、沉降、轉(zhuǎn)換梁的撓度等指標(biāo)發(fā)生顯著的變化且周邊相關(guān)結(jié)構(gòu)也會(huì)有相應(yīng)的變形。而受力構(gòu)件的傾斜度與原結(jié)構(gòu)裂縫觀測(cè)這2個(gè)數(shù)值未表現(xiàn)出較大變化，這表明整個(gè)力系轉(zhuǎn)換過程較為穩(wěn)定，對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響可控。

圖7 應(yīng)力變化代表點(diǎn)曲線

圖8 撓度變化代表點(diǎn)曲線

在力系轉(zhuǎn)換完成后，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均趨于穩(wěn)定，且變化趨勢(shì)逐漸變緩。新增立柱的軸力在突變至最大值后有短時(shí)間的反彈，初步分析是置換后短時(shí)間內(nèi)，加固柱內(nèi)部有一個(gè)應(yīng)力重分布的過程，而軸力也遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)算的報(bào)警值，說明在置換后，原來剪力墻的應(yīng)力大部分都轉(zhuǎn)移到小尖塔其他3個(gè)方向的柱子中，新的加固柱只分擔(dān)了設(shè)計(jì)預(yù)想的其中一部分應(yīng)力。

4 結(jié)語

結(jié)合上海華潤(rùn)時(shí)代廣場(chǎng)改造工程，介紹了改造工程力系轉(zhuǎn)換工況中的新受力構(gòu)件分段施工的施工方式、原受力構(gòu)件的拆除方式及轉(zhuǎn)換過程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過一系列施工優(yōu)化及管控措施，將力系轉(zhuǎn)換這一重大工序控制在高效、安全的環(huán)境下進(jìn)行。所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)可為同類型的加固工程提供借鑒。