功能置換背景下既有商業(yè)建筑的改造與加固
——以武漢中央文化區(qū)K8電影樂園改造工程為例

王建勇

上海三凱工程咨詢有限公司 上海 200000

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，有大量的建筑其原設(shè)計使用功能跟不上經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一味的拆除必然會造成資源的浪費，合理的升級改造是必然的趨勢。大型公共建筑是城市的核心功能區(qū)，其功能豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在對其功能改造前必須進(jìn)行技術(shù)、安全、成本等方面綜合分析，采用合理的結(jié)構(gòu)改造加固措施，在保證其功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性的前提下對其大面積的改造[1]。

1 工程概況

武漢中央文化區(qū)K8電影樂園地處武漢市煙霞路，改造前總建筑面積為10.16萬m2，其中地上建筑面積為4.90萬m2，地下建筑面積為5.26萬m2，建筑總高度約60m。地上共四層，一層層高10.0m，二層層高8m，三層層高8m，四層層高為11.0m（局部影院層高達(dá)23m)。改造前業(yè)態(tài)為4D、5D、極限體驗影院等電影樂園，改造后建筑功能為商業(yè)綜合體，主要業(yè)態(tài)為酒吧、餐飲、體育等娛樂業(yè)態(tài)。由于業(yè)態(tài)功能的變化，改造過程中需對原結(jié)構(gòu)部分梁、板、柱、墻和基礎(chǔ)進(jìn)行加固和拆除，同時新增加部分結(jié)構(gòu)。改造后建筑面積為13.31萬m2，新增加面積3.15萬m2。

2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

該項目主體結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，加氣混凝土砌塊填充墻砌體，主要柱網(wǎng)尺寸8.4m*8.4m。建筑抗震設(shè)防類別為乙類建筑，上部結(jié)構(gòu)框架梁、柱抗震等級為二級，剪力墻及連梁抗震等級為二級。原基礎(chǔ)形式為灌注樁承臺+筏板基礎(chǔ)，灌注樁樁徑800mm，筏板厚度700mm。

3 加固改造方案的重點和難點

錨桿樁施工質(zhì)量是基礎(chǔ)加固施工的重點。基礎(chǔ)采用靜壓錨桿樁+擴(kuò)大承臺進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，共有樁數(shù)948根，采用φ400預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，管樁型號PHC-A400-95，樁端持力層為（8-1）強(qiáng)風(fēng)化泥巖，有效樁長為22-24m左右，樁端進(jìn)入持力層深度不小于0.5m。錨桿樁施壓完畢后需施加一定預(yù)壓力然后封樁。

新增擴(kuò)大承臺施工是基礎(chǔ)加固施工的一個難點。承臺擴(kuò)大施工需將原承臺范圍以外部分的底板及面層破除，并預(yù)留鋼筋與新增承臺基礎(chǔ)進(jìn)行錨固。新增承臺最大開挖深度達(dá)2.5m，基坑內(nèi)存有大量淤泥及積水需對基坑進(jìn)行支護(hù)、排水，原承臺為雙樁、三樁、四樁承臺等多種形式，由于空間狹小，鋼筋綁扎及植筋操作非常困難。

因功能業(yè)態(tài)的改變，需要將三層24-25/G軸框架柱在標(biāo)高25.9m-42m范圍內(nèi)拆除，框架柱拆除后原結(jié)構(gòu)受力體系完全改變，為保證結(jié)構(gòu)的安全，需先對周圍的梁板柱采取擴(kuò)大截面法進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。該部位層高為16.1m，施工難度較大。

4 加固改造方案的實施

4.1 基礎(chǔ)加固

(1) 錨桿樁施工

錨桿樁設(shè)計單樁豎向承載力特征值Ra=800KN，單樁極限承載力為1600KN，最終壓樁力不小于2000KN。錨桿樁施工工藝流程為：開孔→安裝反力架→壓樁→接樁→封樁。

開孔：在正式開孔前應(yīng)在靠近承臺處預(yù)鉆φ25孔，深度1m（筏板厚度700mm），以驗證樁孔位于承臺外側(cè)。確認(rèn)無誤后，利用水鉆在筏板上開內(nèi)切直徑為450mm的壓樁孔，孔壁用風(fēng)鎬鑿毛（起伏高度不小于6mm），并對壓樁孔擴(kuò)底，形成上口450mm，下口550mm的坡口狀?？變?nèi)側(cè)涂刷界面劑，使封樁時新老混凝土結(jié)合更加密實。

安裝反力架：壓樁的反力架由可移動橫梁、立柱、底座、升降系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、調(diào)整墊塊等組成。在壓樁孔兩側(cè)各預(yù)埋4根φ36三級螺紋鋼制作的錨桿，植入筏板深度600mm，用灌漿料進(jìn)行粘結(jié)，待強(qiáng)度達(dá)到要求后安裝固定反力架并進(jìn)行壓樁施工。安裝時，利用線錘進(jìn)行垂直度調(diào)整。

壓樁：管樁采用平底十字型封閉樁尖，采用鋼板焊接而成。第一節(jié)管樁內(nèi)全長灌注C30微膨脹混凝土，樁頂最后一節(jié)管樁采用φ377×10鋼管樁(Q235B)。受地下室層高限制，中間樁節(jié)采用2m樁段。壓樁時不宜數(shù)臺壓樁機(jī)同時在一個獨立柱基上施工，采用跳打方式，以防止破壞原結(jié)構(gòu)。整根樁應(yīng)一次連續(xù)壓到設(shè)計標(biāo)高，中途不得停頓。如遇壓力急劇增加，可能遇到地下障礙物或壓入較硬土層，可采用稍壓入、持荷、再壓入、再持荷，直至達(dá)到設(shè)計深度或承載力。壓樁最終控制標(biāo)準(zhǔn)，以設(shè)計最終壓樁力2000KN控制為主，樁長控制為輔。

接樁：每根樁段連接采用焊接，焊縫應(yīng)連續(xù)、飽滿，且焊好的焊縫應(yīng)在自然冷卻大于1分鐘后方可繼續(xù)施壓。接樁時上下段應(yīng)順直，中心線偏差不大于1mm，焊縫高出焊接斷面1mm左右，焊縫飽滿。

封樁：為充分發(fā)揮錨桿樁作用，減少對原大直徑灌注樁承載力影響，錨桿樁封樁前采用千斤頂施加預(yù)壓力。在鋼管樁上方安置帶端板的HW200×200×8×12的熱軋寬翼緣H型鋼用來支撐千斤頂。

管樁與型鋼施工完成后，對已施工的管樁施加800KN預(yù)壓力，每個承臺錨桿樁逐根預(yù)加，預(yù)加載量800KN，間隔時間為3天。待預(yù)壓力施工完成后，坡口采用C40早強(qiáng)自密實微膨脹混凝土澆筑至底板面，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，切除底板面上部型鋼端頭并撤除壓樁設(shè)備。在錨桿上交叉焊接4根φ36螺紋鋼，然后采用摻有微膨脹早強(qiáng)外加劑的 C40混凝土，與錨桿同時澆筑形成200mm厚的樁帽梁,以加強(qiáng)封口的錨固能力使樁與承臺形成一個整體[2]。

（2）新增擴(kuò)大承臺施工

總體加固方案：測放原承臺輪廓線→對原承臺四周破除→開挖、清淤→支護(hù)、磚胎膜施工→鋼筋安裝、鋼護(hù)筒安裝→混凝土澆筑→封樁。

根據(jù)原設(shè)計圖紙放出承臺輪廓線，在四個角點用水鉆預(yù)鉆800mm，確定是否與實際施工承臺存在誤差，無誤后測放出需要外擴(kuò)后的輪廓線及工作面的邊線。筏板的破除采用水鉆和風(fēng)鎬相結(jié)合辦法，破除過程中應(yīng)保留好預(yù)留的鋼筋。筏板切除后用小型挖機(jī)開挖至設(shè)計深度，采用鋼管支護(hù)樁進(jìn)行支護(hù)，鋼管采用φ146×5間距400mm。

混凝土墊層和磚胎模施工完后，使用切割機(jī)將外露樁頭切割至筏板底，再對剩余樁身涂刷三遍脫模劑，再包裹三層塑料薄膜，避免后期施加預(yù)壓力所得數(shù)值不準(zhǔn)。

鋼筋安裝前對原承臺表面進(jìn)行鑿毛處理，用高壓水槍對表面進(jìn)行清理，并在原承臺四周側(cè)壁植入抗剪鋼筋，鋼筋型號為C20@400×400，植筋深度16d，伸入新承臺20d。鋼筋綁扎完畢后，為后期H型鋼施加預(yù)壓力（詳見錨桿樁施工方案）及混凝土澆筑做準(zhǔn)備，需要在鋼管樁頂部至筏板面需設(shè)置鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒采用1cm的鋼板現(xiàn)場制作，上口450mm下口500mm園形，上窄下寬形式，下口采用鋼板進(jìn)行焊接封堵，避免混凝土倒灌至護(hù)筒內(nèi)，護(hù)筒高度為筏板厚度（700mm）。護(hù)筒為一次性投入，在內(nèi)部焊接三道φ8鋼筋以提高摩擦力。

新增擴(kuò)大承臺混凝土采用C35微膨脹自密實混凝土澆筑，澆筑完畢后及時做好養(yǎng)護(hù)工作，避免混凝土出現(xiàn)裂縫。待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，進(jìn)行預(yù)壓封樁。

4.2 梁、柱加固

本工程梁柱采用增大截面法進(jìn)行加固，此方法能充分發(fā)揮鋼材和混凝土整體工作性能，加固效果好。為保證新舊混凝土很好的粘結(jié)，應(yīng)把構(gòu)件表面的抹灰層鏟除，對砼表面存在的缺陷清理至密實部位，對原混凝土表面進(jìn)行鑿毛，要求打成溝槽狀，槽深不小于6mm，然后用無油壓縮空氣除去粉塵將表面清理干凈，再涂刷一層高粘結(jié)性能的結(jié)合劑。

采用高壓吹風(fēng)機(jī)清孔，注入植筋膠插入鋼筋。柱的豎向受力鋼筋植入基礎(chǔ)或梁內(nèi)的深度為鋼筋設(shè)計錨固長度Ld，縱向受力鋼筋穿過樓板，采用直螺紋套筒連接通長布置，新增的縱向受力鋼筋遇框架梁時上端植入縱橫梁中。新增梁底鋼筋、側(cè)面抗扭筋、上部支座鋼筋均錨入兩側(cè)框架柱或主梁內(nèi)，錨入深度要滿足設(shè)計規(guī)定的框架梁縱向鋼筋在支座內(nèi)的錨固長度要求。新增加外圈箍筋與原有結(jié)構(gòu)梁箍筋焊接連接，焊接長度10d，其他新增加箍筋和拉筋均應(yīng)植入原結(jié)構(gòu)梁內(nèi)，植入深度18d。

柱的灌漿孔沿柱高間隔2m設(shè)置，新增梁從兩側(cè)樓板開槽處灌漿，對于只對截面加高的梁，在模板側(cè)邊設(shè)置灌漿孔，采用小型振動棒振搗。

4.3 24-25/G軸25.9m-42m抽柱加固

由于業(yè)態(tài)的改變，本工程改建中需要將24-25/G軸，標(biāo)高25.9m-42m范圍內(nèi)的一根框架柱拆除，以擴(kuò)大空間尺寸。柱拆除前先對周邊柱、梁進(jìn)行加固，梁柱加固方法為擴(kuò)大截面法（具體詳見梁柱加固）。待梁柱加固完成達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后架體暫不予拆除，一是為了應(yīng)對在拆除框架柱過程中出現(xiàn)突發(fā)狀況可隨時恢復(fù)支撐，二是作為鋼胎架施工、框架柱拆除以及位移監(jiān)測裝置的操作平臺。

梁下安裝300×300×10方管立柱、250×250×10方管橫梁、帶斜撐的鋼支撐胎架及位移控制觀測千分表，鋼支撐胎架從42.5m梁梁底連續(xù)傳遞至9.9m標(biāo)高樓面處，胎架立柱頂部焊接400×400×20的鋼板，且需與梁底留出300-500mm的距離，用來放置千斤頂（如圖1）。

圖1 胎架平面布置圖

鋼胎架所有鋼柱、鋼橫梁均與框架柱、框架梁剛性連接，立柱從底到頂垂直度偏差控制在25mm以內(nèi)。

22個支撐點處，設(shè)置22個千斤頂，千斤頂與梁底頂緊，使待拆除柱軸向壓力為0，具體每個千斤頂回頂力大小如下表。

表1 千斤頂回頂力數(shù)值

為了監(jiān)測柱拆除后KL1的下?lián)现担柙贙L1下與待拆除接頭處安裝4個位移千分表，以測量KL1結(jié)構(gòu)變形的位移。

采用水鉆對需拆除柱梁柱接頭處切割，先切除端部混凝土及鋼筋，注意觀察位移監(jiān)測裝置讀數(shù)做好記錄。如讀數(shù)未有變化，則加固及胎架支撐體系能達(dá)到受力狀態(tài)，按照上述步驟直至柱與梁完全斷開。斷開高度控制在150mm，保證出現(xiàn)突發(fā)情況時可立即采取措施將柱與梁頂緊。

位移監(jiān)測分兩個階段：第一階段，斷開梁柱連接后，千斤頂卸載不能一次卸完，需分四次卸載，第一次卸載 10個千斤頂，然后依次卸載四個千斤頂，通過布置的4個位移觀測點，觀察梁僅在混凝土自重情況下的撓度值，各點位撓度限值≦28mm。

此階段觀測時間不少于48小時，當(dāng)出現(xiàn)下列情況時應(yīng)立即將所有支撐點回頂，確保設(shè)備及人員安全：A、托換柱周圍板及KL1出現(xiàn)明顯裂縫；B、點撓度大于結(jié)構(gòu)撓度限值的70%。

第二階段，堆載實驗。加載試驗采用注水加載，在托換結(jié)構(gòu)承載范圍周邊砌筑寬200mm高1000mm擋水墻形成蓄水池，池底及周邊采用滿布防水油布密封。

堆載荷載為7kN/m2，分5級施加，每級荷載分別為2kN/m2、1.5kN/m2、1.5kN/m2、1kN/m2、1kN/m2，前二級堆載后觀測時間不得少于36小時，中間二級堆載后觀測時間不得少于24小時，最后一級堆載后觀測時間不得少于100小時。當(dāng)出現(xiàn)下列情況時應(yīng)立即停止加載，并卸除所有荷載：A、托換柱周圍板及KL1出現(xiàn)明顯裂縫；B、該級荷載下點撓度增加量大于前級荷載的兩倍，且總撓度大于35.2mm；C、點撓度大于結(jié)構(gòu)撓度限值的70%。加載階段撓度限值≦35.2mm。

位移監(jiān)測過程的注意事項：1、監(jiān)測梁位移變化同時，施工過程中應(yīng)不斷觀察周圍梁板外觀狀況，若出現(xiàn)裂縫，應(yīng)對出現(xiàn)裂縫的長度、寬度、形態(tài)進(jìn)行測量和記錄。2、為保證現(xiàn)場監(jiān)測工作的順利進(jìn)行，應(yīng)對現(xiàn)場監(jiān)測人員做好安全交底及配備必要的安全防護(hù)措施。

堆載試驗完成后，即可進(jìn)行鋼管架體的拆除。待拆除柱周圍架體及鋼胎架暫緩拆除，用做柱拆除施工時的操作架?？蚣苤鸪捎美K鋸進(jìn)行切割，柱分割成500mm長的立方體，并在分割好的每個混凝土塊上鉆一個吊裝孔（孔徑110mm）。利用搭設(shè)好的鋼胎架，在鋼橫梁處設(shè)置手動葫蘆吊，每一切割塊必須通過吊裝孔預(yù)先臨時起吊固定，防止切割塊突然塌下。整個柱體切割拆除要遵循由上到下的順序，逐塊拆除，切完立即吊至樓面，叉車轉(zhuǎn)運至轉(zhuǎn)運平臺。

5 結(jié)語

通過合理的加固設(shè)計，在充分聽取各級專家論證意見基礎(chǔ)上，精心策劃全方位組織施工，嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，保證了武漢中央文化區(qū)K8電影樂園改建順利施實，建筑功能分區(qū)得到合理調(diào)整，安全性與適用性均達(dá)到預(yù)期效果。通過該項目的實施，對于大空間、大跨度的結(jié)構(gòu)改造有一定的借簽意義。