大跨度連續(xù)托梁換柱施工技術(shù)

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

1 工程概況

蘇州中心廣場(chǎng)項(xiàng)目位于蘇州工業(yè)園區(qū)湖西CBD核心區(qū)域（圖1），項(xiàng)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(chǎng)

本次蘇州中心廣場(chǎng)蘋(píng)果公司店鋪（下稱“蘋(píng)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(xiàng)目的基本改造內(nèi)容是：梁、柱加固，抽柱，樓面開(kāi)洞形成中庭等改造。在蘋(píng)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(jiàn)圖2，柱位如圖3所示。柱位圖在L2樓層相關(guān)區(qū)域開(kāi)洞形成中庭，同時(shí)考慮后期L2層此處中庭樓板的恢復(fù)設(shè)計(jì)。

圖2 拔除柱剖面示意

圖3 托換梁平面示意

2 大跨度多層整體抽柱改造加固方案的選擇

本次托梁抽柱施工共提出了3種技術(shù)，方案1為預(yù)應(yīng)力托換技術(shù)，方案2為梁柱增大截面及梁柱節(jié)點(diǎn)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(yù)應(yīng)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(píng)果店作為綜合商業(yè)體，其加固設(shè)計(jì)年限要求高，預(yù)應(yīng)力技術(shù)考慮后期的預(yù)應(yīng)力損失和失效問(wèn)題可能會(huì)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(wèn)題，其加固傳力體系目前計(jì)算理論尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)方向增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)圍套，2個(gè)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。

3 大跨度連續(xù)托梁換柱施工實(shí)施方案

3.1 大跨度連續(xù)托梁換柱抽柱前結(jié)構(gòu)加固

在加固結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和力學(xué)性能不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求時(shí)，不得強(qiáng)行抽柱。對(duì)于設(shè)計(jì)要求先加固后拆除的，必須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加固；先拆除板，再拆除次梁，最后拆除主梁；對(duì)于拆除后保留結(jié)構(gòu)需要臨時(shí)支撐的，必須采取臨時(shí)支撐措施。

本工程加固的重點(diǎn)和難點(diǎn)是梁柱節(jié)點(diǎn)位置，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案：在梁4個(gè)方向增設(shè)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(diǎn)位置4個(gè)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(diǎn)位置采取圍套施工加強(qiáng)（圖4）。

圖4 圍套施工

3.2 大跨度連續(xù)托梁換柱抽柱結(jié)構(gòu)托換支撐系統(tǒng)

蘇州中心改造施工期間，室內(nèi)無(wú)大型吊裝設(shè)備，格構(gòu)柱的拆除層間運(yùn)輸困難，為此，創(chuàng)新性地提出了工具式格式柱的設(shè)計(jì)思想。可拆卸式格構(gòu)柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)自重在2 000～3 000 N范圍，長(zhǎng)度0.6～1.0 m，在大型塔吊和吊裝設(shè)備不具備施工作業(yè)條件的情況下，可以采用施工電梯、卷?yè)P(yáng)機(jī)吊裝即可，能適應(yīng)復(fù)雜的施工邊界條件。可拆卸式格構(gòu)柱材料采用M20高強(qiáng)螺栓連接，可以按照建筑標(biāo)高做成標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力集中而出現(xiàn)變形。設(shè)計(jì)時(shí)兼顧考慮了下一層梁體的抗剪驗(yàn)算，對(duì)下一層梁體的附加荷載最小。底部采用化學(xué)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

3.3 大跨度連續(xù)托梁換柱抽柱結(jié)構(gòu)切割

切割采用最新的無(wú)損切割中的鏈?zhǔn)角懈罴夹g(shù)。

室內(nèi)大型施工設(shè)備受限制的吊裝方法：考慮到結(jié)構(gòu)內(nèi)部大型吊裝設(shè)備無(wú)法作業(yè)，吊裝能力有限，故必須對(duì)置換下來(lái)的節(jié)段進(jìn)行精細(xì)化分解，綜合考慮吊裝能力，最終確定切割節(jié)段的長(zhǎng)度，分塊質(zhì)量應(yīng)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(jī)各鉆出吊裝孔，孔徑25～30 mm為佳。被拆除的構(gòu)件應(yīng)避免因集中堆放造成樓板應(yīng)力集中而影響結(jié)構(gòu)安全。

3.4 大跨度連續(xù)托梁換柱抽柱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

由于是在既有結(jié)構(gòu)上進(jìn)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(gè)總體結(jié)構(gòu)體系發(fā)生內(nèi)力重分布，對(duì)鄰近原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。所以在整個(gè)改造加固過(guò)程中，需要對(duì)改造加固區(qū)域和原有建筑區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變和變形監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)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(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置，構(gòu)件初始值讀取。

2）加固改造施工過(guò)程中，加固區(qū)域內(nèi)及相鄰周邊梁、柱的應(yīng)力應(yīng)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(cè)。

3）截柱前后，加固區(qū)域內(nèi)及相鄰周邊梁、柱的應(yīng)力應(yīng)變值實(shí)時(shí)采集和構(gòu)件的外觀變形和裂縫檢查檢測(cè)，梁撓度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4）加固施工完成后，加固區(qū)域內(nèi)及相鄰周邊梁、柱的應(yīng)力應(yīng)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(cè)。

撓度釋放采用PLC控制液壓同步系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)實(shí)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(cè)傳感器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成，可以全自動(dòng)完成同步移位，實(shí)現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖、過(guò)程顯示、故障報(bào)警等多種功能。

撓度分為N級(jí)釋放，每級(jí)釋放撓度的20%為佳。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：抽柱瞬間結(jié)構(gòu)的撓度變化遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)預(yù)警值，撓度發(fā)生時(shí)，內(nèi)力重分布在瞬間發(fā)生，表明梁柱及梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域加固設(shè)計(jì)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(diǎn)。

4 大跨徑整體多層連續(xù)抽柱數(shù)值分析

在施工前，我們即對(duì)格構(gòu)柱的支撐傳力模式進(jìn)行了建模分析，同時(shí)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(shí)將2層懸臂梁和格構(gòu)柱斷開(kāi)，格構(gòu)柱和梁的抗剪驗(yàn)算均滿足要求（圖6～圖8）。

圖6 支撐軸力計(jì)算

圖7 位移計(jì)算

圖8 柱軸力分布和變形

計(jì)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(shí)際加固是一致的，其中，梁的支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安全控制是抽柱的關(guān)鍵。

采用通用有限元軟件對(duì)B梁進(jìn)行局部應(yīng)力分析，結(jié)構(gòu)梁局部應(yīng)力偏大，因此在拆除2層柱時(shí)，支撐設(shè)置在2、1、B1、B2層。其間，著重對(duì)B1頂板梁新澆筑疊合梁進(jìn)行截面抗剪復(fù)核：主節(jié)點(diǎn)富余剪力400 kN，截面700 mm×400 mm；次節(jié)點(diǎn)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(shí)際荷載存在不均勻分布。按偏保守考慮，認(rèn)為一個(gè)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）。

5 結(jié)語(yǔ)

1）提出了狹小空間支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(fù)雜，我們針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)加固提出了圍套加固方案：梁4個(gè)方向增設(shè)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(diǎn)位置4個(gè)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(fù)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(xué)效應(yīng)，分析了小剪跨比梁的撓度應(yīng)力，保證了支撐的承載力要求，同時(shí)對(duì)格構(gòu)柱的支撐傳力模式進(jìn)行了建模分析，同時(shí)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(rèn)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(jì)算，支撐不必一次性設(shè)置到地下室底板。考慮到材料的循環(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(lái)承擔(dān)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(yīng)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(jí)釋放技術(shù)，偏于安全。

4）從支撐體系創(chuàng)新、監(jiān)測(cè)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(qiáng)的、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的施工技術(shù)。

本工程的成功應(yīng)用可為同類工程提供參考借鑒。