改建工程竖向构件力系转换施工

2021-08-06孙云飞

建筑施工 2021年3期

关键词：尖塔顶盖剪力墙

孙云飞

上海建工一建集团有限公司上海 200120

为实现既有旧商办建筑体使用功能的更新升级，满足内部空间的改变，结构改造中通过使用新受力构件替代原有受力构件，最终完成既有建筑结构的部分力系转换[1-3]。

本文以上海华润时代广场标志性的小尖塔顶盖下力系转换为依托，介绍了力系转换施工中，新增受力体系进行竖向分段同时施工的技术，通过在力系转换过程中对主要受力构件的结构进行监测，最终达到安全高效地完成新力系的构建和新旧力系的转换的目的。

1 工程概况

华润时代广场改造工程主要功能定位为购物中心（含零售商业、餐饮），改造工程包括地下2层（局部3层），地上11层。

为了实现建筑布局及部分区域使用功能的改变，对原结构进行加固改造。结构改造主要涉及部分楼板拆除、局部剪力墙拆除，新增框架柱、剪力墙、框架梁、部分楼梯拆除等内容。

2 力系转换概况

小尖塔顶盖形状为棱锥体，原顶盖由6根结构柱＋两面剪力墙（原观光电梯两侧竖向受力结构）支撑，所有竖向受力构件均自顶盖下方至基础底部贯通。为使新中庭有更加宽阔的空间进行改造，需在顶盖下新增2根结构柱，顶住小尖塔顶盖，并拆除剪力墙，实现力系转换，达到替换原受力构件的目的（图1、图2）。

图1 力系转换平面示意

图2 待拆除剪力墙实景

替换原剪力墙的2根立柱，7层以下采用柱加大截面的加固方式，7层以上为柱接长及转换梁柱施工。加固范围为－10.7～57.7 m。立柱在中庭31.5 m（10层楼面）高空处有一次转换，2根立柱之间新浇筑1根截面为1 000 mm×1 200 mm、跨度为16.5 m的转换梁，梁上再起2根立柱直至小尖塔顶部（图3）。

图3 加固柱顶升剖面示意

3 关键技术研究

3.1 顶升柱分段施工

结合此2根立柱的施工工况，7层以下为加固，7层以上为新建，本工程将此关键线路分为3段，B2—2层为一个施工段，从基础底板起依次加大柱截面；3—7层为一个施工段，从3层中庭楼板起依次加大柱截面，8层—小尖塔顶为一个施工段，此段往上无柱加固工况，均为柱接长及新建梁等，可单独依次往上施工。

3.1.1 分段连接处钢筋处理

施工上下分段处，因为是逆序施工，下部混凝土未浇筑时，上部混凝土已先行浇筑，钢筋的连续性必然成为问题。常规工序竖向结构往上逐层施工，在每次浇筑墙柱时，分段浇筑完成后混凝土面均会留置插筋，以便下一段浇筑时钢筋可以进行搭接。

而根据本工程工况，剪力墙加大截面分段施工，下部混凝土为后施工，只不过是将常规工艺换了个方向，向上预留插筋变成了向下预留插筋，预留出足够的搭接长度，待下部加固混凝土施工到达预留位置时，再以焊接连接，保证钢筋的连续性。

3.1.2 分段连接处混凝土浇筑

按照分段施工的思路，分段处的混凝土浇筑密实度是非常重要的，若几处分段位置不能浇筑密实，结构无法将上部荷载顺利传导至基础底板，则整个加固都应视作是无效的。

本工程采用自密实混凝土＋顶部灌浆料的组合方式，解决分段交界处的密实度问题，先浇筑高强度自密实混凝土至两端交界处100～200 mm范围，而后相接段则采用灌浆料浇筑（图4），使得分段处相连接。灌浆料具有流淌性佳、强度高，但是收缩较大的特点，不适宜大面积浇筑，但是仅仅在交界处浇筑不超过200 mm高度，完全适用于本工程分段施工密实度的要求。

图4 分段处混凝土浇筑示意

3.1.3 7层以上新建梁柱施工方法

由于力系转换新增的结构柱7层以上是新建结构，7层以下是原柱加大截面，若采用分段施工的方式，在下部结构柱未全部加固完成的情况下，依次往上顺作，需考虑到原结构柱的受力是否能承受新增加的混凝土梁的自重。

在下部原结构柱未完全加固完成的情况下，如需规避新增混凝土结构自重的传递，只有在加固全部完成后，方可对柱子进行加载，这是此方案施工的底线。所以在施工中，现场考虑7层以上新增梁结构，部分依靠模板支撑架受力，将模板支撑架拆除时间延长，逐层往上施工时将新增梁自重通过模板支撑架往下传递，尽量避免未加固完成的结构柱过多受力，在下部结构柱加固完成且强度达到要求后，再拆除上部新增结构的模板支撑架，此时再将全部力传递到加固柱上。

3.2 原受力构件拆除施工

3.2.1 剪力墙拆除方式的确定

原受力构件剪力墙的拆除，是原结构逐渐释放应力、新增立柱逐渐受力的过程。在拆除过程中，如何将两面剪力墙的应力缓慢、均匀、有效地进行转移是此施工工序的关键。

常规的拆除方式分为破碎和静力切割，此工况采用物理破碎肯定不合适。物理破碎振动较大，且竖向受力构件的强度一般较高，需要大功率的破碎机械才能完成拆除工作，万一有突发情况，振动过大可能会造成力系转换过程中结构失稳，且凿除过程中施工人员须在剪力墙旁打凿，危险系数过大。

综合考虑，此次剪力墙与上部尖塔结构的分离，宜采用链锯切割的方式。相比物理破碎，链锯切割有进度可控、振动小、对原结构破坏小等优点，且若转换过程中发生坍塌事故，链锯切割的缝隙（约10 mm）还可以作为回顶受力的着力处，从而避免大范围的坍塌。

3.2.2 施工安排及切割分段

由于力系转换的过程较为重要，故转换过程的时间不宜过短：一是需要时间进行应力释放、转移、重分布的过程；二是力系转换过程中需要留有充分的时间进行结构安全性监测，实时地动态关注结构的变形数据，防止突发事件的发生。

根据此思路，并结合监测单位的剪力墙切割监测方案，将整个切割过程分为若干段，共计3 d完成。第1天切除小尖塔顶盖框架斜梁下以外部分的剪力墙截面，第2、第3天切除小尖塔顶盖框架斜梁下的剪力墙截面，直至切割完成（图5）。

图5 切割分段示意

3.3 过程监测及结果

3.3.1 监测的意义

在剪力墙拆除、力系转换的过程中，相关受力构件的卸载及加载，相关构件的变形是否在可控范围内，是否出现异常，都需要进行实时监控，且这在剪力墙切割期间尤为重要，一旦出现意外情况，观测数值可以成为提前预警的信息，供现场相关人员作出应有的判断。就本工况而言，涉及的构件多且复杂，监测内容包含各个方面。

3.3.2 监测点位布置

1）柱应力监测。为了直观反映加固柱加载受力情况，在加固柱最后一段（标高42.25 m—小尖塔顶盖）施工时，在柱钢筋中预埋应力片，待浇筑后可实时测量柱钢筋所受轴力。每根柱共埋设应力片10处，分别取柱的3处截面（图6）。一处截面位于柱下1/3处，埋设于柱的4个角点；一处截面位于柱上1/3处，埋设于4个柱面；最后一处截面位于顶部柱托处，分别埋设2个方向。

图6 柱应力监测点位分布

2）加固柱倾斜度监测。上部结构逐渐加载后，2根新建立柱柱受力状态发生变化，分别对加固柱B2层、3层、8层和10层进行倾斜观测。

3）转换梁挠度。由于整个力系转换体系于10层有一次转换，所以在上部结构不断增加荷载的时候，10层大跨度梁跨中逐渐受力，必然会产生挠度甚至裂缝，如果产生的变形过大，势必会对顶部小尖塔顶盖的稳定性产生影响，所以10层大跨度转换梁的监测也尤为重要。

4）裂缝观测。对于有较大可能产生新裂缝，或者原有裂缝扩大的构件，进行裂缝观测，选定主要观测对象为小尖塔顶部各框架斜梁及10层转换梁。

5）沉降观测。此次沉降观测的布置分为三大类型，一是对小塔尖屋盖的监测，在剪力墙切割过程中及过程后，观测整个屋盖有没有重大的位移变形；二是对受力加固柱子的监测，在完全受力后，柱子的最终沉降是否在设计允许的范围内；三是对观光梯剪力墙的监测，观察其在应力释放后的沉降变化。

3.3.3 监测数据分析

通过对3 d切割过程中的监测数据结果进行分析（图7、图8），在力系转换过程中，虽然应力整体上可以缓慢释放、逐渐转移，但还是有一个相对明显的突变过程，做不到完全的缓慢释放。在突变过程中，受力构件的轴力、沉降、转换梁的挠度等指标发生显著的变化且周边相关结构也会有相应的变形。而受力构件的倾斜度与原结构裂缝观测这2个数值未表现出较大变化，这表明整个力系转换过程较为稳定，对原结构的影响可控。

图7 应力变化代表点曲线

图8 挠度变化代表点曲线

在力系转换完成后，各项数据均趋于稳定，且变化趋势逐渐变缓。新增立柱的轴力在突变至最大值后有短时间的反弹，初步分析是置换后短时间内，加固柱内部有一个应力重分布的过程，而轴力也远没有达到设计计算的报警值，说明在置换后，原来剪力墙的应力大部分都转移到小尖塔其他3个方向的柱子中，新的加固柱只分担了设计预想的其中一部分应力。