同步顶升技术在复杂建筑物竖向移位中的运用

2017-09-15鲁海涛王春盈滕文川曹福明

城市道桥与防洪 2017年8期

关键词：移位建筑物布置

鲁海涛,王春盈,滕文川,曹福明

(甘肃土木工程科学研究院，甘肃兰州 730020)

同步顶升技术在复杂建筑物竖向移位中的运用

鲁海涛,王春盈,滕文川,曹福明

(甘肃土木工程科学研究院，甘肃兰州 730020)

以兰州市雁滩公园水榭及长廊整体顶升工程实例为研究背景，通过分析雁滩公园水榭及长廊整体各项技术参数，确定顶升设计与施工方案。结合对顶升过程中结构沉降与水平位移监测分析，确定按照建筑物各点的实际荷重，采用人工控制顶升量，可以安全平稳地顶举建筑物。

同步顶升；移位；人工控制；结构分区

0 引言

同步顶升（移位）控制技术，最早源于大型设备与建筑物移位（顶升、平移），在国外最早开始于20世纪的20年代，尤其在欧美国家应用较多。大型建（构）筑物同步顶升（平移）控制技术在国外应用很多，如法国米劳大桥的建造、希腊雅典的奥林匹克体育场的悬浮屋顶等。

随着城市建设的迅速发展，城市规划与老建（构）筑物保留这一矛盾成为目前城市建设面临的难题之一。建（构）筑物同步顶升（移位）技术可成功地解决这一矛盾。采用该技术完好无损地将优秀建（构）筑物保存下来，在保持建（构）筑物的结构性能和使用功能不变的情况下，使整个地块的规划布局更科学合理，从而使经济效益得到明显提升[1]。近年来，我国建（构）筑物顶升（移位）的工程越来越多，同步顶升控制技术已引起业内广泛关注，并将对全国的城市建设及老建（构）筑物保护起到积极的作用[2、3]。我国建筑行业标准《建（构）筑物移位工程技术规程》（JGJ/T 239-2011）的发布实施，为建筑物移位工程的设计、施工、质量检验与验收等提出规范与依据。

本文以兰州市雁滩公园水榭及长廊的同步顶升为例，介绍了同步顶升（移位）技术在复杂建（构）筑物移位中的运用。

1 项目概况

兰州市雁滩公园水榭及长廊建成于2003年，该建筑由甘肃省建工设计院设计，建筑型式为明清兰州风格仿古建筑。水榭由二层轩、重檐四角亭、单层轩、连廊及引桥组成，二层轩总高11.20 m2，水榭总建筑面积921 m2。该建筑主体部分为钢筋混凝土结构，上部瓦屋面采用木结构，围护部分为轻质加气混凝土砌块，部分古建筑装饰构件及门窗采用木材制作。该建筑结构使用柱下钢筋混凝土独立基础，基底持力层为卵石层。具体全貌图和基础平面图如图1和图2所示。

图1 兰州市雁滩公园水榭及长廊全貌图

图2 兰州市雁滩公园水榭及长廊基础平面图（单位：mm）

2012 年兰州市雁滩公园改造工程拟提升人工湖的蓄水标高至1 510.5 m，原水榭及长廊的室内地坪标高±0.000为1 510.2 m，水榭高度不能满足提升人工湖蓄水标高的要求。根据以往类似工程的估算，本项目拆除重建费用远高于将建（构）筑物顶升的费用，且目前临水水榭使用才10年左右，距设计使用寿命50年还有很长时间，在这种前提下将其拆除重建，不仅造成经济上的巨大浪费，也同时对环境、土地、能源等方面造成严重的破坏。因此拟对雁滩公园水榭及长廊整体同步顶升0.8 m，以保证建（构）筑物的正常使用。

1.1 岩土工程概况

兰州市雁滩公园水榭及长廊建筑场地地层自上而下依次为淤泥质粉土、卵石、砂泥岩层，以卵石层作为建（构）筑物基础持力层，卵石层厚度大于4 m，其下为第三系砂泥岩，厚度数百米。卵石层地基承载力特征值fak=500 kPa，场地内未发现其它不良地质现象。

场地内的地下水属潜水型，稳定地下水位埋深0.32～0.74 m，地下水位标高介于1 507.08～1 507.65 m之间，地下水年变化幅度不大。地下水流向自西向东。

1.2 结构概况

兰州市雁滩公园水榭及长廊已使用10年，可能存在材料老化、钢筋锈蚀、构件开裂等，因此有必要对其主体结构进行可靠性检测和鉴定。检测鉴定结果如下：

（1）原设计基础混凝土强度为C30，现场实测基础混凝土强度33.6～45.9 MPa，均大于C30，基础混凝土强度满足设计要求。

（2）现场实测建筑物基础进入卵石层深度均大于300 mm，满足设计要求。

（3）±0.000以下梁混凝土强度为C30，现场实测梁混凝土强度30.4～38.0 MPa，均大于C30，满足设计要求。

（4）原设计±0.000以下柱混凝土强度为C30，现场实测柱混凝土强度30.4～42.4MPa，均大于C30，满足设计要求。

（5）现场对±0.000以下的柱进行混凝土碳化深度测定，在原蓄水面以下的柱基础碳化深度为1.0～2.5 mm，水面以上的柱及梁碳化深度为5.0～8.0 mm。原柱的防腐措施部分老化，梁未发现抹灰层亦未采取任何防腐措施，板的油毡防腐基本完好，建议在顶升时对±0.000以下梁及蓄水面以上的柱采取防腐处理。

（6）现场实测±0.000以下框架梁、柱配筋满足设计要求。

（7）通过调查，该建筑框架梁、柱材料强度及截面尺寸均满足设计要求。建筑平、立面布置基本规整，梁柱节点整体性良好，抗侧力构件竖向连续性较好，结构选型、布置及构造基本合理，楼板整体性较好。主体结构框架梁、板、柱均未发现明显结构裂缝。

经检测，结构±0.000以下梁、柱混凝土强度、配筋均符合设计要求，基础强度基本满足设计要求。该建筑主体结构框架梁、柱混凝土强度较高，梁柱节点整体性良好，抗侧力构件竖向连续性较好，结构布置及构造合理，具备同步顶升条件。具体结构荷载计算值如图3所示。

图3 结构荷载计算值（单位：kN）

2 顶升设计方案

2.1 结构分区

雁滩公园临水水榭结构由二层轩、重檐四角亭、单层轩、连廊组成，长度为59.1 m，共布置54个独立基础，为整体结构，未设置变形缝或伸缩缝；另有两座引桥分别与重檐四角亭、单层轩相连，与上述结构断开，分别有1个独立基础。若同时顶升，由于结构刚度较弱，各部分荷载差异较大等原因，施工控制难度较大，顶升时不易控制同步顶升量。因此将原结构断开后分区进行顶升。分为5个部分进行顶升，第一区为二层轩，第二区为单层轩及连廊，第三区为重檐四角亭及连廊，第四区为东引桥，第五区为西引桥。顶升次序为第一区、第二区、第三区、第四区和第五区依次顶升。顶升区域划分为5个，每区分六次顶升，第一至五次顶升量均为150 mm，第六次顶升量为50 mm。顶升分区平面图如图4所示。

2.2 结构断开及防护

在施工过程中按施工方案中划分的区段，逐个将原结构±0.000部位的梁板距中跨1/3处断开，并做好该部位的整体支护和相应的应急预案中Φ159 mm钢管支护，在±0.000结构处断开梁底安放顶升千斤顶。+2.700处按施工方案中的断开点进行人工剔除该部位混凝土，并对断开后形成的悬挑梁进行Φ159 mm钢管支护和水平钢管加固，将原结构顶升至设计标高后，将梁板按原设计进行结构连接。现场断面施工如图5～6所示。

图4 顶升分区平面示意图

图5 现场结构断开图

图6 断开结构的恢复

2.3 顶升方案

沿基础两侧开挖导坑至基底以下，在基础下方对称布置4台千斤顶，进行逐级顶升，顶升至设计标高后，直接在基底浇注混凝土，待混凝土强度达到C30后，拆除千斤顶，用混凝土将开挖导坑回填。顶升示意图如图7。

图7 基底两侧顶升示意图

3 顶升施工过程

3.1 顶升工艺流程

顶升工艺流程如下：基础开挖→安放千斤顶→试顶→顶升→基础处理→导坑处理。

本工程顶升施工采用从基础底面逐级顶升的施工方案，将56个独立基础划分5个分区，每个独立基础下对称布置4台螺旋千斤顶，过程如图8所示。在正式顶升前先进行试顶，试顶参数见下表1。

图8 建筑物顶升过程

表1 试顶参数表

在顶升过程中须严格控制顶升速度及顶升量，顶升速度不得大于10 mm/min，以保证同步顶升。

3.2 施工关键环节

建筑物整体顶升是一个动态过程，每个部分的协调与配合及其重要，必须保证每个部分顶升同步[2～5]。

该工程共布置56个顶升支撑点，支撑点设于基础正下方。顶升千斤顶统一采用32 t手动螺旋千斤顶，最大行程18 cm，安放偏差不得大于20 mm。千斤顶与原基础接触面必须剔除原有混凝土垫层，且将混凝土接触面打磨平整，保证千斤顶顶部钢板与原基础严密接触、受力均匀。计划顶升总量为800 mm，分6次顶升，第一至五次顶升量均为150 mm，第六次顶升量为50 mm。

顶升托换采用300 mm×300 mm×150 mm预制混凝土垫块，垫块上下两侧预埋 300 mm× 300 mm×4 mm钢板。

顶升托换分次进行，共进行5次托换，每次托换完成后采用点焊方式将混凝土垫块连接。

在达到设计顶升量后，基础采用增大截面法处理，并对±0.000以下梁及蓄水面以上的柱采取防腐措施。

3.3 顶升阶段的结构变形及构件内力监测

由于建筑物的顶升是一个动态过程，风险较大，在整个顶升过程中要对建筑物进行沉降、倾斜及内力的监测，并通过信息化施工手段，监控顶升过程，改进顶升工艺，确保顶升安全。影响顶升各项技术参数的因素较多，如建筑上部结构荷载的分布情况、各千斤顶的性能差异以及天气因素（风压）等都是影响顶升各项参数确定的重要因素[6、7]。因此整体顶升过程中必须始终根据顶升过程中建筑各部位的顶升累计量、应力应变监测、倾斜监测、建筑的水平位移监测等监测结果来综合调整各项参数并改进顶升工艺，通过实时监测来指导顶升信息化施工，预防安全事故的发生，做到安全可靠的完成顶升工作。

3.4 监测点布置

为实时监控整个顶升过程，内力监测点布置在对位移变化较为敏感或结构薄弱位置。共布置位移观测点57个，采用固定棱镜进行结构在顶升时的位移观测；位移观测点布置在基础顶部，水平位移观测点一区布置6点，二区布置3点，三区布置3点。沉降位移观测点一区布置18点，二区布置15点，三区布置12点。布置监测基准点3个，基准点坐落于稳定的卵石层上。顶升过程中，严密监控每根柱子的顶升量，相邻柱子顶升量相差不得大于1 mm，累计顶升量偏差与设计顶升量相差不得大于2 mm。顶升量监测采用自动化测量装置，监测精度为0.5 mm。具体位置如图9、10所示。