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1、超高层建筑改建中的结构体系转换施工技术以上海市某银行大厦改扩建工程为背景，针对高层建筑改扩建过程中三大关键技术一一结构拆除、加固、置换等进行了研究。通过计算机仿真分析、节点设计、节点试验、现场工艺试验直至进入工程实践，实施结果不仅满足没计和规范的要求，还加快了工程进度。O引言随着城市建设的不断发展和城市功能的不断提升，进入2000年以来，上海对城市中心区域的布局重新进行了调整，一些在上世纪9O年代初建造的高层建筑由于其外观造型、使用功能等都不能满足国际化大都市对区域功能定位的要求，因此，需要对其进行整体改造。本文以上海*银行大厦改造工程(以下简称为本工程)为例，介绍其在改造过程中结构体系转换、
2、扩容、增层所涉及到的结构拆除、加固、置换的一些关键技术，为今后类似工程提供借鉴。1工程概况本工程位于上海市浦东新区陆家嘴金融贸易区内，工程占地面积9040m2。改建前主体形式为现浇钢筋混凝土框架一核心简结构，主楼35层，裙房4层，地下2层，总建筑面积为66037m2，建筑总高度为128m。改建后，全面调整了原大楼的功能，规整平面，扩大主楼标准层面积，提高主楼层数及高度，将原来35层主楼加高到45层(图1、2)。原结构钢筋混凝土外框架柱改为外包钢管混凝土柱，楼面体系改为钢梁和压型钢板组合楼面体系，新增标准层主要采用钢结构，改建后总建筑面积达95758m2，建筑总高度达1913m。2施工特点、难点
3、21项目工期紧，设计要求高本工程主体结构施工包括结构拆除、加固、置换等多个交叉复杂的工序，设计要求的施工工况为最简单的隔层拆除，即先全部拆除所有的偶数层(或奇数层)，将其作为全部的第一阶段的拆除内容，待第一阶段楼层从下往上逐层置换完毕后，再紧跟流水进行第_-,ff段剩余楼层从下往上逐层拆除。若按照设计要求的工况进行施工无法满足工程进度要求。22拆除难度大需要拆除的有外立面幕墙和北裙房、屋顶层结构和标准层内梁板结构以及地下室外板墙等。工作量大，施工交叉点众多，危险源控制难度高，拆除流程与置换配合要求高。23加固质量要求高加固内容既有地下，又有地上。加固的方式有扩大截面外包钢管，也有剪力墙包钢板、
4、地下补桩加固等。各种形式的加固工作量繁多，对加固材料的选用以及加固质量控制要求非常高。24钢结构置换施工难度大钢结构置换既包括置换原梁、柱节点施工以及梁和剪力墙节点施工等前期工作，又包括钢结构的吊运、定位和安装施工。另外置换过程同时也在进行拆除、加固施工，存在多操作面立体交叉施工的情况。3总体施工流程的确定本工程的改造可以分为主楼与裙房两大块，而主楼是整个工程的关键核心，总体流程的制定必须根据设计工况要求、业主工期要求、施工技术要求、试验测试结果等多个方面全面、综合地进行考虑和选择。首先根据设计要求的施工工况，先拆除原结构楼层偶数层，拆除完毕后进行该层钢结构吊装置换施工，同时钢管结构柱的灌浆加
5、固设计工况考虑从地下室开始遵循从下往上逐层向上灌浆。下层钢结构吊装完毕并且钢管结构柱灌浆加固完毕后，才能进行上层的原结构楼层的拆除、加固、置换工作。4主要关键技术41计算机仿真技术本工程为加快工程进度，在综合考虑并比较后，提出在主楼上部结构施工期间，开设多个工作面同步进行施工，为确保方案在技术上的可行性，采用大型有限元软件对提出的主楼上部结构改造流程进行全过程的仿真分析。411计算模型将主楼结构改造作为主线施工内容，模型共有单元约35000个，节点约13600个，其中梁单元19500个，墙单元约9100个，板单元近7O00个。为真实地模拟施工工况，将现场施工划分成了23个施工阶段，每个施工阶段
6、根据其施工工序的多少和工艺不同，分别赋予不同的施工时间。在整个施工仿真模型中涵盖了结构拆除、楼层置换、柱子灌浆等系列施工工序和过程。412仿真分析结果及结论在整个改造过程中，结构的最大竖向位移为3：；46mm，最大水平位移为585lmm。梁柱结构的最大应力为583MPa。在纯拆除阶段，结构的最大应力为1278MPa，为压应力，产生于混凝土柱中，小于混凝土材料的容许应力。在拆除、置换和新增结构施工阶段，该阶段的最大应力为583MPa，产生于悬挑钢梁的根部。结构层间位移是判定结构是否满足稳定性要求的一个重要指标。超高层建筑改造过程中，在拆除阶段，由于二部分楼层结构拆除，结构抗侧刚度减小，柱子计算高
7、度增大，故拆除阶段结构的层问位移值得关注：在结构建成阶段，由于原有结构和新增结构之间的刚度变化，可能会导致层间位移增大，该阶段的层间位移要重点关注。因此，同时对结陶层间位移验算了两个最不利施工阶段：(1)第3施工阶段，此时楼层基本上已经拆除了一半，但上部结构还没有进行任何加固和置换措施，因此此时结构的抗侧刚度最小，对于层间位移而言为较不利工况(2)第23施工阶段，此时主体结构已经建成，结构达到最高，而且是新老结构共同作用，也是一个复杂的不利工况。有限元分析计算结果表明：在整个改造过程中，结构的位移和应力均满足设计要求，同时对两种不利工况下的层间位移验算，也都能够满足要求，容许层间位移比取155
8、0即O0018。有限元仿真分析结果表明，在结构正式施工前所设想的主楼上部总体施工流程是可以满足规范和设计要求的。42拆除技术高层建筑在结构拆除过程中，必须满足设计对：斥除工况的要求，本工程根据设计要求需要进行隔层拆除。通过分析扩建完成后各个楼层结构的外围形状得知，在原结构132层楼层改建的基础上，16层、816层偶数层、1731层奇数层南北立面外挑36m，其余楼层南北立面不外挑。而新增结构施工完成后的外挑36m楼板可作为今后该层的上一层(不外挑结构)拆除时垃圾下落的平台以及：外围防护措施搭设的平台。根据这个情况，并结合脚手架、防护方式的布置等综合因素，主楼结构拆除过程主要分两个阶段进行，拆除工
9、具采用人工空压机进行，屋顶的拆除采用水中式切割机切割拆除的方法。第一阶段116层的偶数层所有梁板结构以及奇数层(13层除外，用于锚固支承脚手的型钢)最外围结构柱外侧梁板结构自上往下进行拆除，与：同时1731层奇数层(17层除外，该层为转换层上层，置换后钢梁外挑，要求后拆)所有梁板结构以及偶数层(18、24、30层除外，用于锚固支承脚手的型钢)最外围结构柱外侧梁板自上往下进行拆除。第二阶段131层所有未拆除的楼层的梁板结构自下往上逐层进行拆除。第二阶段拆除与第一阶段拆除后楼层的新结构置换施工、加固灌浆施工同时交叉进行。43加固技术431节点试验由于本工程的特殊性，没有前例经验可借鉴，因此需通过室
10、内和现场试验为设计提供相应的设计参数，并进行分析比较后确定节点的加固形式和方式。试验主要包括现场连接节点试验、轴压抗中切试验、轴压试验、框架节点试验以及抗震墙加固试验(图4、5)。通过上述五个与工程加固方式息息相关的试验，最终设计根据上述试验数据，明确了本工程结构柱包钢灌浆、梁墙节点连接、框架节点形式以及剪力墙粘钢加固的具体方式。432结构柱加固4321地下结构柱加固地下室结构柱的加固是将与原结构柱连接的梁板节点拆除一定范围，再对原结构柱包钢套灌浆，最后进行外扩截面混凝土结构柱加固施工。最快的工期即为地下室每层总共22根结构柱同时开始施工，但是，设计提出的加固工况原则：对于同一轴线上的结构柱，
11、可以跳两跨进行同时旋工：必须等第一批柱混凝土浇捣完成后，可以开始该轴线上第二批结构柱的施工；B2层对应区域的结构柱加固必须待下方B1层加固完成3d后才能进行。根据这几点原则，结合模板配备、结构柱尺寸、加固形式等实际的情况，针对主楼区域的结构柱的施工流程，排列出地下室加固顺序，所有22根主楼结构柱分4批进行加固，能够满足设计和工期的要求。对于单根地下室结构柱的加固过程，由于加固柱贯通地下一层和二层直至上部，必须对地下一层和首层范围内的加固柱在楼层节点范围内将梁板均凿除一定范围。满足今后结构柱加固贯通、钢筋锚固以及钢套筒吊装要求。同时，由于拆除必然导致剩余的梁段成为悬挑结构，因此，通过采用临时支撑
12、对结构进行托换，保证地下结构柱加固过程中原：有梁板体系的受力安全(图6)o4322结构柱外包钢管灌浆加固本工程主楼区域原结构柱加固采用包钢灌浆的方法进行施工。由于施工工况及施工进度的需要，前后共设立6道水平施工缝，施工缝留设在梁柱节点钢套筒上口的位置。因此现场必须解决结构柱分段灌浆过程中在施工缝处的灌浆接口密实程度。为解决这样的难题，在施工缝下部的一节钢套筒灌浆施工过程中，采用持续压力灌浆的方式，充分保证在整个施工过程直至浆料初凝这一阶段，始终对灌浆材料施加一定的压力，确保材料自身的密实程度以及与上口施工缝连接的密实程度。为验证持续压力灌浆的实施效果现场进行了数次压力灌浆试验，通过现场试验可以
13、查看出混凝土上下结合面无收缩，无缝隙，结合良好，因此经过设计认可后可以投入施工。本工程结构混凝土柱的加固全过程与钢套管的吊装施工配合进行。即钢套管的吊装完成后，才能进行钢套管与原混凝土结构柱之间空隙的灌浆加固施工。结构混凝土柱的加固，主要分为自由灌浆和持续压力灌浆两个部分：(1)自由灌浆。根据总体施工流程的要求，现场地上结构混凝土柱加固分7个施工段，各个施工段分别采用从下往上均逐层开始自由灌浆加固施工模式，即从套筒上口往下口方向按照顺时针方向循环绕圈的方式进行自由灌浆。灌浆期间用榔头不问断轻触钢管外壁，促进管内浆体下落以及空气的排出。(2)持续压力灌浆。根据施工工况要求本工程设立了6道施工缝，
14、在自由灌浆到施工缝位置的钢套筒时，采用持续压力灌浆工艺进行施工缝处灌浆，持续压力灌浆时使用的机械设备主要为压力灌浆机、JQ350高效立式搅拌机及反力架式千斤顶。灌浆材料的搅拌方法与自由灌浆时相同。先在距钢套筒上部150mm的部位，对称开直径为75mm的孔2个，一个作为压力灌浆施工的灌浆口，一个作为排气口。同时，将排气孔接好半U型钢管，用于后期给钢套管内的灌浆料持续的加压。然后用压浆机从灌浆孔灌浆，压力控制在2MPa左右。待上部排气孔排出的浮浆至与灌入的灌浆料浓度相当时，给半U型钢管装上单向阀门及反力架式千斤顶将半U型钢管上口封闭，同时继续用灌浆机加压，直至无法继续加压为止，关闭灌浆机停止灌浆，
15、在灌浆料初凝之前，在另外一侧开始对钢套筒内的灌浆料进行封闭式二次加压，以提高和保证钢套筒内灌浆料的密实度。433剪力墙粘钢加固本工程剪力墙的加固主要为墙体上的厚钢板的粘钢加固。粘钢施工所采用的钢板为Q345B，厚度为24mm不等，粘钢层数有1、2层，粘钢施工钢板宽度为300mm，粘贴间距为310mm及600mm两种：植化学螺栓竖向间距310mm600mm，水平间距250mm。在施工过程中，对于钢板的开孔，首先要根据设计确定的种植化学锚栓部位，在混凝土剪力墙上钻孔，然后根据化学锚栓实际钻孔种植的位置，现场在钢板上画线并开孔。对于粘贴方法综合采用粘贴和灌注两种方法，绝大多数部位均通过对钢板的预先成
16、型，减少粘贴后的焊接工程量，对于不需焊接的约束构件可直接采用粘贴法施工。而对形状复杂的剪力墙角门洞、暗柱部位必须焊接的约束构件，可局部采用灌注的方法。厚钢板的粘钢技术如采用常规的钢板直接粘贴至处理过的结构表面，粘贴的效果往往不好，容易出现粘贴不牢的现象。因此，现场通过在对拉螺栓上设置临时角钢，角钢与钢板内用木锲顶紧，通过压力待粘钢胶水完全粘结牢固后拆除木锲角钢这样一种办法，在施工现场取得了很好的应用效果，粘钢的质量也得到了保证。44置换技术本工程结构体系的置换主要是将原混凝土框架一核芯筒结构体系通过一系列拆除、钢构件吊装、加固等手段，置换成为钢框架一混凝土核芯筒的结构体系，其中钢框架采用钢管混凝土柱一钢梁一压型钢板组合楼面的形式。整个置换过
