大型工業廠房建筑改造中的高低跨托架置梁施工關鍵技術的研究*

周華林 朱海定 朱曉棟 周 偉 李紅梅 王 浩 朱 杰 王連青 李正媛 許文華

1.上海建工（集團）總公司 上海 200080；2.上海市機械施工集團有限公司 上海 200072 3.上海建筑設計研究院有限公司 上海 200041；4.上?，F代建筑設計集團工程建設咨詢有限公司 上海 200041；5.上海交通大學東方藝術交流中心 上海 200030

1 工程概況

上海船廠浦東（區域）2E1-1地塊舊廠房改造工程是上海浦東陸家嘴金融城在建、改建項目的重點。該裝配式鋼筋混凝土橫向排架結構舊廠房為20世紀70年代初按國家標準設計的大型單層工業廠房，采用鋼筋混凝土雙肢柱、預應力鋼筋混凝土多腹桿拱形屋架、預制大型屋面板結構。原舊廠房東西長198 m，柱距12 m；南北長45 m，其中南北又分為2跨，北跨長30 m，檐口高21 m，南跨長15 m，檐口高16 m。原舊廠房建筑面積8 910 m2，本次改建后為地下1層、地上5層，建筑面積擴大至31 626 m2，其屋面和外墻全部改為幕墻，建成后，在燈光的烘托下熠熠生輝，似黃浦江畔“月光寶盒”，將成為集旅游、餐飲、音樂和文化娛樂為一體的現代化城市觀光新景點。舊廠房內新建建筑與舊廠房老結構的處理主要通過設置抗震縫使其完全脫離，從而實現“換骨脫胎”的改造。本研究主要介紹前期舊建筑的切割、改造、加固和托架置梁施工中的關鍵技術（圖1、圖2）。

圖1 舊廠房改造前

圖2 改造后建筑景觀

2 工程特點與難點

2.1 工程特點

2.2 施工難點

1）新增南北XGL1、XGL2鋼梁的架設位置平靠于原托架即錯位托換，又因其梁面緊貼老廠房軸/①～③軸屋架端頭下弦，梁底擱置在高低跨牛腿上，吊裝空間幾近于無，施工環境要求必須進行橫向鑲嵌式吊裝鋼梁[1-2]。

（1）南側低跨新增的H型鋼XGL1梁，跨度12 m，梁高度為1.20 m，尺寸為1 200 mm×350 mm×14 mm×32 mm；架設梁頂設計標高為15.83 m；總質量約3.70 t。

（2）北側高跨新增的H型鋼XGL2梁，跨度12 m，梁跨中高度為1.2 m，尺寸為1 200 m×350 m×14 m×32 m；架設鋼梁頂標高為20.52 m；總質量約3.70 t。

2）由于老廠房原結構時間悠久，加之結構安裝誤差、受力變形、不均勻沉降等因素影響，屋架與支座的高度，①軸和③軸排架柱的間距，①軸、②軸和③軸屋架的高度位置關系等都不符合現設計圖尺寸，亦要求在施工中加以調正。

4）南側低跨屋架之上還保留有高約4 m的磚墻，在此磚墻之上又疊加著圈梁、磚墻、鋼排窗、遮陽板過梁及女兒墻等結構，給屋架頂升及卸載落架施工帶來了一定的技術難度。

3 施工方案與關鍵技術路線

3.1 施工總體方案

施工總體以拆除、加固、改建為主線，遵循原則為：拆除需置換的構件先高跨，后低跨；施工改建先加固，后頂升卸載落架。

在屋架頂升和卸載落架階段遵循的原則為：

1）頂升和卸載落架的過程實際就是荷載轉移的過程，在荷載轉移的過程中，必須遵循“變形協調、卸載均衡”的原則[3-4]。

2）“精確計算，嚴格監控”。在頂升和卸載落架過程中，應根據設計要求或計算結果，在關鍵部位，應放置檢測裝置（如貼應變片）等，檢測施工全過程中的屋架軸力變化，確保臨時支架和屋架的安全。

3.2 施工關鍵技術路線

拆除大型預制屋面板→保護性拆除魚腹式行車梁→結構原位測量→節點加固施工→南側低跨搭設施工腳手架→南側低跨牛腿之上新增混凝土柱→北南高低跨鑲嵌吊裝XGL2、XGL1鋼梁→北側高跨單榀屋架頂升及卸載落架→北側高跨拆除W支撐→北側高跨安裝X形鋼支撐和XGL3鋼梁→南側單榀屋架落架→切割拆除混凝土托架→新建內構和外觀改造

4 托架置梁施工

4.1 南側低跨托架換梁

4.1.1 南側低跨15 m跨區的拆除

在屋面大型預制板拆除后，接著拆除混凝土魚腹式行車梁（圖3）。

圖3 南側低跨區擬拆除結構

4.1.2 高低跨交界部新增結構

因原高低跨交界部低跨一側的中柱上，承載屋架梁的牛腿較小，無法安裝新梁，遂決定在中柱下牛腿之上，即在低跨雙肢柱身南側±14.95 m處（原承載行車梁部位）緊貼舊柱（圖4），新增至±19.90 m上牛腿平面的混凝土柱，再在柱間安裝新的XGL1鋼梁，以支承低跨區域屋架。

圖4 高低跨交界部新增結構剖面

因低跨托架置梁支座須擴大，且要待中部雙肢柱上的新增混凝土柱達到一定強度后才可安裝新鋼梁，所以在工期安排上，先進行低跨部位托換施工，后進行高跨部位托換施工。

4.2 低跨托架置梁施工

4.2.1 精確測量

由于老廠房原結構年代悠久，受結構安裝誤差、受力變形、不均勻沉降等影響，屋架與雙肢柱牛腿支座的高度、①軸和③軸排架柱的間距、①軸、②軸和③軸屋架的高度位置關系等都不符合原設計圖尺寸。

對原結構精確測量主要分新置鋼梁吊裝前、吊裝后2步，第1步確定為新增混凝土柱和鋼梁加工的具體尺寸，第2步在鑲嵌吊裝鋼梁后為控制屋架頂升、漸趨卸載落架設計數值。

根據測量，確定了新置鋼梁端部尺寸、鋼梁長度。最后確定鋼梁頂面與②軸屋架（包鋼后）間的凈間距，再結合頂升高度確定鋼墊塊的厚度。

另據數理統計計算結果：

15 m跨屋架下弦桿①軸屋架標高為-0.032 m，15 m跨屋架下弦桿③軸屋架標高為-0.004 m。

從計算結果知屋架略呈北高南低狀態，由此決定在低跨北側“托架換梁→托架置梁”施工中減少頂升3 mm，以減小屋架變形。

4.2.2 屋架加固及節點施工

在測量的同時，對已拆除大型屋面板的屋架進行加固和端頭包鋼作業，以及對低端預頂升3 mm的施工（圖5）。

圖5 屋架加固及端頭四周面包鋼

4.2.3 搭設施工腳手架

腳手架材料為φ483 mm×5 mm圓鋼管。綜合考慮安全、作業面及現場條件，施工腳手架搭設高度為3排，橫距1.20 m，縱距1.50 m，步距1.80 m。其中，在混凝土柱施工期間，中排立桿讓出3步暫不搭設，以便混凝土柱有足夠的作業面施工。在柱模拆除后再搭設[5-6]。

由于腳手架可連墻的僅有排架柱，但又不便在柱上設置錨固件，因此連墻件只得用鋼管四面緊箍排架柱，每2步距設置1道，并在腳手架兩側加設拋撐以增強腳手架的穩定性。

4.2.4 新增混凝土柱

由于新增混凝土柱離地14.45 m，在下牛腿與上牛腿之間，且緊貼舊柱新建，故采用了植筋、木夾模等技術措施：

1）植筋。先施工新混凝土柱與原排架柱連接面的抗剪鍵，在植筋前須查出原結構鋼筋分布，以便鉆孔時避開鋼筋（也可通過鑿“十”字鑿的方式辨別鋼筋分布）。由于新增柱一側是原雙肢柱，無法通過對拉螺栓固定模板，因此植筋前應先將對拉螺栓（φ14 mm）與剪力鍵焊接好，再進行植筋。

2）鋼筋綁扎。由于牛腿上部均已滿覆鋼板，因此鋼筋綁扎前要先對原鋼板進行除銹處理，縱筋也只能穿孔塞焊。施工前先進行放線布點，然后使用磁力鉆開孔，孔徑21 mm。新混凝土柱總高4.40 m，柱縱筋可不作搭接，施焊時應有人員輔助穩定鋼筋，確保焊接質量。由于有剪力鍵的阻礙，故箍筋應在內排縱筋施焊前按位置排布好，在縱筋全部焊接完成后再進行綁扎。

3）模板安裝。支模前應先清理柱底及側面灰塵、雜物、焊渣等。模板使用厚18 mm夾心板，龍骨使用50 mm×100 mm木方。寬度375 mm側面加2根主龍骨，長800 mm側面使用3根主龍骨。次龍骨使用圓鋼管通過對拉螺栓進行連接固定。安裝完成后要校驗垂直度，并每面用鋼管作斜撐進行輔助校定。與剪力鍵焊接的對拉螺栓不得使用塑料套管。

4）混凝土澆筑。本工程使用現場攪拌機配制的灌漿料進行澆筑，澆筑前原混凝土柱壁柱底鑿毛，清去雜物。澆筑時先往柱底澆筑厚5 cm灌漿料，以利于接觸面結合牢固。澆筑時必須使用串筒或溜槽（澆筑高度超3 m），避免灌漿料發生離析。采取分段澆筑，每次澆筑高度不超過500 mm。澆筑至柱頂時置入預埋鐵件。振搗棒應放在柱中，應遵循快插慢拔的原則，每次振搗以15～20 s為宜。振搗時應避免振搗棒直接接觸鋼筋或模板。澆筑時應有木工在現場看模，發現模板傾斜或漏漿的，應暫停澆筑，待糾正后方可繼續。

5）混凝土拆模及養護?；炷林鶟仓?4 h后方可拆模，拆模后要立即進行灑水養護，前3 d以確保柱表面始終濕潤為宜，安排專人定時灑水。3 d后每天灑水2遍。在柱澆筑混凝土達到強度后方可進行上部鋼梁安裝。

4.2.5 鑲嵌吊裝XGL1鋼梁

1）鋼梁安裝前先完成①、②、③軸屋架端頭的包鋼，并局部拆除①～③軸緊鄰軸的原有水平“X”形支撐。

2）考慮到既有屋架影響，結合現場實際，經項目體和專家討論，決定采用雙機抬吊、橫向“鑲嵌”的方式吊裝XGL1鋼梁。經計算，鋼梁質量為3.70 t，使用250 kN汽車吊，作業半徑9 m，吊臂伸出屋架，長度控制在25 m，每臺吊機吊重可達9 t＞鋼梁質量3.70 t，滿足要求。

3）鋼梁吊裝分2步，先將鋼梁吊至安裝高度，再使用10 kN葫蘆吊將鋼梁水平牽引至安裝位置（圖6）。鋼梁頂距離包鋼后的屋架底只有50 mm，為確保吊裝安全，使鋼梁提升過程中不至于碰撞屋架下弦桿，汽車吊的提升速度必須控制在1 m/min，使指揮人員在50 mm提升高度中有50/（1 000/60）=3 s反應時間。施工時，應在低處進行試吊，測試并調整2部吊車的起吊速度至1 m/min。起吊時，在屋架下弦桿下80 mm處設置警戒線，在鋼梁吊至此高度時指揮應倒計時3 s后叫停。

圖6 鑲嵌吊裝XGL1鋼梁

4）鋼梁焊接固定：鋼梁放置平穩后，按照設計要求將鋼梁兩端頭與柱頂進行焊接固定，鋼梁與屋架之間空隙采用高強灌漿料進行填充至縫隙密實。

4.2.6 屋架落架

新增XGL1鋼梁之上支承有3榀屋架，其中部②軸屋架和鋼梁的節點處理有點特殊：因為根據設計要求，該榀屋架需要適度地頂升3 mm，但其上部還有約4 m疊加著圈梁、磚墻、鋼排窗、遮陽板過梁及女兒墻，施工方考慮到②軸屋架豎向不易頂升且存在一定的風險，故決定直接采用“落架”類似換撐施工方法（保留擬拆除的倒三角形混凝土托架上部橫梁），即從側向兩面填塞鋼楔墊板楔緊②軸屋架與鋼梁之間空縫，并與其焊接，然后采用高強灌漿料進行縫隙填充至密實（圖7）。這不僅對②軸屋架的穩定性起到了關鍵作用，而且也使托架換梁→托架置梁施工過程中的穩定性有了可靠保證。

4.2.7 切割、拆除原有混凝土托架

新梁安裝后，即可對原有混凝土托架進行拆除，拆除作業按圖8所示①、②、③順序切割。實測證明，拆除混凝土托架后產生上部橫梁的彎曲變形很小，可以忽略不計，屋架漸趨落架轉移至新增鋼梁直到構件受力平衡，實現低跨托架換梁→托架置梁的平穩過渡[7-8]。

圖7 屋架落架固定

圖8 拆除三角形托架順序

4.3 北側高跨托架換梁

有了南側低跨托架換梁的經驗，北側高跨區域的托架換梁也就相對容易了些。但因其結構較高，且建造年代較久，經精密度測量，原屋架結構呈北高南低的狀態，須以頂升校正之，而原托架又為“W”形鋼支撐，使梁中部之上承載的屋架在換梁期間失去依托，故施工技術也就有了相應的改變。

4.3.1 主要施工流程

拆除屋面板→拆除魚腹式行車梁→精確測量→軸屋架加固及節點施工→吊裝XGL2鋼梁→屋架頂升、落架→拆除“W”形鋼支撐→安裝新增“X”形鋼支撐和XGL3鋼梁

4.3.2 測量統計

經測量數理統計計算：

30 m跨屋架下弦桿①軸屋架標高為-0.018 m，30 m跨屋架下弦桿③軸屋架標高為-0.006 m。從計算值得知屋架略呈北高南低狀態，須給高跨南側“托架置梁”施工頂升3 mm，以使屋架呈水平狀態。

4.3.3 屋架加固及節點施工

30 m跨屋架同樣因年代久遠，須給予維護及加固。主要內容為上、下弦桿表面噴涂有機硅保護劑，在兩端全部包鋼加固。

4.3.4 鑲嵌吊裝XGL2鋼梁

同南側低跨吊裝方法，置換的XGL2鋼梁同樣以雙機抬吊方式鑲嵌吊裝，并予以臨時固定。

4.3.5 屋架頂升、落架

由于原屋架存在高低架，且跨度較大，經研究，決定從地面安裝臨時支架，在適當的部位頂升屋架，與托架置梁協同作業。

1）安裝臨時支架。根據需要頂升的計算荷載和現場施工工況，我們在標高-0.40 m的1層底板上鋪設路基箱，路基箱與其上臨時支架焊接，使荷載均勻分布在底板上。臨時支撐布置采用3根φ609 mm鋼管組合成三角架，三角架平面上呈高3 m、底邊長4 m的三角形，3根鋼管由20#槽鋼兩兩相連。三角架中較高的1根鋼管為支撐管，其余2根起輔助作用（圖9）。φ609 mm鋼管分段運輸到工地，現場拼接，用汽車吊依次把3根鋼管吊裝就位。

圖9 30 m跨頂升三角架立面示意

2）千斤頂選用規格的確定。30 m跨需頂托的質量分別為14.43 t，千斤頂需滿足頂托屋架質量要求。為保障千斤頂頂托屋架處混凝土安全，應盡量增大千斤頂提升桿的截面面積。盡量提高千斤頂的調節精度，頂升時加載速度盡量放慢。綜合以上因素，考慮到計算偏差以及實際風荷載等活荷載，最終選用1 000 kN千斤頂。由千斤頂規格表可知活塞桿截面積為7.85×10-3m2，由泵站壓力表可知壓力表每格為2 MPa，即1.57 t。滿足要求。

3）屋架頂升準備工作和應變片布設。30 m跨②軸線屋架下弦桿每隔500 mm布設1個應變片，由于屋架頂升受力部位為屋架端頭，所以此處應變片應多布設并重點監測，在頂升部位下弦桿兩側面每隔50 mm再布設1個應變片。貼應變片屬于高空懸空作業，采用升降機輔助作業。

4）屋架頂升、卸載落架。頂升位置在屋架端部（靠近下弦桿附近），屋架受力點處變形較大，應設置鋼墊板擴大受力面積，以減小屋架變形。千斤頂施加3.14 kN力后自鎖，與屋架緊密接觸。千斤頂緩慢減壓，使得新增鋼梁完全支撐屋架，卸載完成。焊接屋架端部包鋼與新增鋼梁上的鋼墊板、加勁板[9]。

4.3.6 拆除“W”形鋼支撐

在屋架落架的同時，即可切割和拆除“W”形支撐及其與屋架間的墊板，由于拆除施工空間十分狹窄，故拆除工作采用手拉葫蘆的方式卸載，以便于施工（圖10）。

圖10 30 m跨拆除“W”形鋼支撐

4.3.7 安裝“X”形鋼支撐和XGL3

按照設計要求安裝新增的“X”形鋼支撐和下橫梁XGL3，由于施工空間限制，故“X”形鋼支撐和XGL3吊升亦采用手拉葫蘆的方式，特別是“X”形鋼支撐，應先分塊提升，然后在空中拼裝并用螺栓連接。完成后拆除臨時支架和操作腳手架（圖11）。

圖11 30 m跨新增XGL3和“X”形鋼支撐

5 結語

上海船廠2E1-1地塊舊廠房的高低跨托架置梁關鍵施工技術在各有關單位的協助下實現技術創新并輔用當前國內建筑領域先進的“結構安全預警”技術——結構健康監測（Structural Health Monitoring，簡稱SHM）施工，按既定方案實施得到圓滿成功[10]。

據檢測報告：屋架在頂升、卸載落架過程中，屋架桿件、XGL1、XGL2新增鋼梁的應力指標均處于安全范圍，結構處于安全狀態。該項改造為建筑功能的轉換打下了堅實的基礎，使規劃、設計、施工得到統一并取得較好的技術經濟效益，亦為今后舊廠房改建施工技術的開發積累了非常寶貴的經驗。