整體頂升法加固改造既有網架結構施工技術

戴占彪，周陸洋，劉司佳，趙曉玉

（河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050020）

0 引言

隨著城市建設的不斷加快，網架結構以其受力合理、跨度大、桿件布置靈活等特點在眾多大跨度空間結構中脫穎而出。目前國內常采用滿應力設計法對網架結構進行設計，但是在網架使用期間，由于使用功能改變、荷載增加等原因，均會對網架結構的穩定產生威脅，對于網架結構的加固改造逐漸成為業內的關注焦點［1-4］。秦志偉［5］采用在網架下弦增加一層網架的方法，對網架結構進行了加固處理；吳潤［6］運用交叉梁系差分法和空間桁架位移法對平板網架結構進行計算分析，得出交叉梁系差分法不適于分析雙向正交斜放網架的受力；張德海等［7］利用 MSTCAD 有限元軟件對網架結構進行實例分析，探討了網架結構受雪災破壞的原因，并從桿件受力的角度提出了加大桿件截面或減小桿件計算長度的加固改造措施。

本文以某教學樓網架結構加固改造工程為例，在最大程度利用原結構的基礎上，運用整體頂升法對網架結構進行整體同步頂升，采用型鋼柱作為臨時支撐，并增設混凝土梁的施工方案，實現了該網架結構的加固改造，使其滿足了新的使用要求，降低了工程造價，取得了良好的經濟效益。

1 工程概況

河北省石家莊某教學模擬樓整體頂升加固項目，該項目約建于 20 世紀 80 年代末，是現澆鋼筋混凝土柱網架結構，外圍護墻體為嵌砌于混凝土柱間的黏土磚墻，基礎形式為柱下獨立基礎，墻下為鋼筋混凝土條形基礎，屋面為混凝土預制屋面板，采用焊接球節點鋼網架，為下弦多點支承的單層網架結構，網架屋蓋的面積為 231 m2，網架的高度為 1.5 m，跨度為 18 m×12 m。

為滿足教學需要，擬對教學樓網架屋蓋進行原地頂升加固施工，網架結構原標高為 7 m，在原標高的基礎上加高 4.55 m，最終的就位標高為 11.55 m。因可供使用的施工區域受限，而傳統的搭設腳手架不僅工程量大，且工期長，結合以往的工程經驗和工程實例，最終決定采用液壓千斤頂整體提升網架結構的施工方案，并做出相應的加固處理措施。

2 施工方案

本工程秉持綠色、低碳、環保的理念，在加固過程中利用了大量的原承重結構，如獨立柱基、既有的黏土磚墻等。由于結構層高的增加，整體的荷載增大，原結構的承載能力已不能滿足要求。本工程采用新增受彎構件、增大受壓構件截面的方法，對結構進行整體加固，采用整體同步頂升法對鋼網架及屋蓋系統進行整體頂升，具體施工方案如下。

1）采用頂升法對屋蓋體系進行整體抬升，并在原柱頂增設型鋼柱作為屋蓋體系的支撐結構。

2）采用擴大截面加固法對原混凝土柱進行加固處理。

3）在原柱頂及型鋼混凝土柱頂增設混凝土梁提高支撐體系整體性。

3 網架及屋蓋體系整體同步頂升

3.1 整體頂升流程

整體頂升流程如下：網架荷載及受力分析→確定頂升點→安裝頂升支架→網架加固→解除網架與原結構的連接→開始頂升→頂升至設計標高后設置纜風繩→增設 H 型鋼柱→網架落入支座→網架驗收→拆除頂升支架。

3.2 頂升點的布置

根據施工現場的場地條件和施工工期等要求，采用 3D3S 設計軟件和 MST2016 軟件相結合對網架結構進行嚴密建模和受力分析，網架恒荷載取值 2.5 kN/m2，活荷載取值 0.5 kN/m2，基本風壓取值 0.35 kN/m2，基本雪壓取值 0.3 kN/m2，取最不利荷載組合，確定網架的最不利點共 8 個（見圖 1）。

圖1 頂升點布置圖（單位：mm）

進一步地，取每個頂升點質量為 10 t，計算高度取 20 m，對網架變形和頂升點反作用力等進行驗算，經驗算，現場頂升位置處最大支座反力為 101.70 kN（約 10.4 t）。相關規范規定，采用頂升能力為 3～4 倍頂升網架結構的千斤頂，會大大降低安全事故發生的概率，本工程選用 8 臺同規格，頂升能力為 100 t 的液壓自鎖式千斤頂滿足規范要求［8］。

3.3 頂升施工關鍵技術

1）在支架底部設置一塊截面尺寸為 2.0 m×2.0 m，厚度為 20 mm 的鋼墊板，可有效防止由于地基不均勻導致的千斤頂下沉，保證了網架結構的整體穩定。

2）本文根據三角的穩定性和塔吊的設計理念，設計了格構式頂升支架（以 0.888 m 為一個標準節），為了便于施工安裝和拆卸，各標準節采用螺栓進行連接。采用起重能力為 100 t，高度為 1.45 m，行程 1.3 m的特質液壓千斤頂。頂升支架底部設有千斤頂，通過千斤頂給壓使頂升支架頂部與網架上弦球節點頂緊，設備調試無誤后進入試頂階段。

3）試頂階段，應實時根據千斤頂的油泵壓力反算各支撐點的支座反力，并將計算支座反力與設計支座反力做對比；若兩者數值相差 5 % 以內，則證明網架驗算無誤。

（5）可根據油井的供液狀況合理調整選取生產參數，排量調節控制簡便，用地層水作動力液，加溫后的動力液在循環過程中，提升了近井油層及井筒溫度，特別是對稠油井起到了稀釋和降黏的雙重功效。

4）正式頂升階段，每頂升一個標準節高度后停止頂升，在支架上新增一個標準節，然后緩慢回落千斤頂，使支架落在基座上，待網架穩定后，將千斤頂和頂升承壓板換到下一標準節上，如此往復，循環進行，直至網架頂升至設計標高為止，頂升示意圖如圖 2 所示。

圖2 頂升示意圖（單位：mm）

5）待網架支座離開原支座 50 mm 時，應懸停30 min，對網架結構是否產生偏斜、網架桿件有無彎曲、各支座頂升高度是否相近等進行嚴密檢查。

3.4 增設型鋼混凝土柱

采用在原柱頂新增型鋼混凝土組合結構，不僅可以改善原結構構件的受力性能，增加結構的整體性，而且可獲得良好的經濟效果。與鋼筋混凝土結構相比，型鋼既能提高結構的整體剛度和抗側移能力，又能縮減施工工期；與鋼結構相比，型鋼混凝土組合結構不僅可減少近半數的鋼材用量，而且提高了結構的耐久性；因此，本工程采用型鋼柱作為上部屋蓋體系的臨時支撐，待后期澆筑混凝土，形成型鋼混凝土組合結構。

所采用的型鋼支柱高度為 0.88 m，與頂升支架標準節高度相同。為防止型鋼支柱發生側向變形，在原混凝土柱頂植入 M24 柱腳錨栓，植入深度為 30 d。待網架頂升一個標準節后，吊裝 8 根型鋼支柱作為網架及上部屋蓋系統的臨時支撐，所用型鋼柱為 H 型，主材為Q235B 級鋼筋，H 型鋼立柱細部構造如圖 3 所示，型鋼柱之間通過螺栓連接，待網架頂升至設計高度后，將網架結構與型鋼支柱焊接。

圖3 H 型鋼立柱細部構造圖（單位：mm）

3.5 頂升過程中同步與糾偏

網架結構的頂升，同步控制是關鍵環節。頂升過程中，網架如若出現偏移或傾斜，會改變整個網架結構乃至各組成桿件的應力狀態，使結構產生新的應力重組，這對結構頂升和結構自身的穩定都極為不利。因此，對網架頂升過程中的同步及偏移，必須控制在規定范圍內。

網架頂升初期，每頂升 500 mm 便對其垂直度和水平位移進行及時校對。為保證網架在頂升過程中保持同步、桿件不出現變形，規定網架各頂點的高差≤15 mm，千斤頂中心與頂升結構中心線偏移值不應＞5 mm，8 個H 型鋼支承柱之間的最大高差不得超過 30 mm，網架結構支座中心對柱基軸線的水平位移不得＞15 mm，網架頂升至設計標高如圖 4 所示。

圖4 網架頂升完成

3.6 卸壓及支架拆除

網架整體同步頂升至設計標高以上 50 mm 左右時，完成網架的封邊及成品支座的就位工作。之后，調整千斤頂支架高度，使其緩慢回落至就位高度，待網架完成應力重分布，受力均勻后檢查網架就位標高及水平偏移量是否符合設計要求，滿足要求后方可將網架節點與支座焊接，并進行網架的卸載工作。網架卸載應注意以下幾點。

1）應遵循“均衡卸載，緩慢進行，勤測變形”的原則，否則易造成下部支承結構的失穩以及網架結構局部或整體變形過大。

2）卸載初期，以卸載前頂升點荷載為基準值，控制各頂升點的卸載比例為基準值的 1/10，靜置 15 min，確保網架結構各桿件可以承擔新的應力。

3）卸載速度應控制在≤3 mm/min，保持整體下降穩定性。

4）網架下部支座的安裝應在頂升到位后 7 d 內完成。

4 加固施工

結構中常用的加固措施主要有整體結構加固和局部加固兩種方法。整體加固則是從結構的整體入手，對整個結構進行加固處理，而局部加固是指針對某些承載能力不足的構件進行單獨加固。在實際的結構構件加固設計中，建筑的整體穩定性和安全性主要是由豎向構件和受彎構件的承載力決定的。因此，在加固改造工程中，應注重對主要承重構件的加固改造，進一步提高建筑物的承載能力，實現對建筑物的加固改造。

4.1 柱擴截面加固

采用擴大原柱截面的方法，在原混凝土結構外新澆筑一層混凝土，使其與老結構緊密結合共同承擔結構荷載，不僅可以提高混凝土柱的承載能力，還增強了結構的整體剛度，框架柱截面大樣圖如圖 5 所示，加固框架柱細部參數如表 1 所示。

圖5 柱截面大樣圖（單位：mm）

表1 框架柱加固參數

4.1.1 工藝流程

工藝流程如下：原混凝土柱及下部基礎混凝土表面清理→植筋→鋼筋制作安裝→支模→濕潤原混凝土及模板表面→澆筑灌漿料→拆模→養護。

4.1.2 技術要點

1）原結構表面清理。為避免機械鑿毛因沖擊力過大造成原結構損傷，采用人工鑿毛的方式，對所有與新增混凝土接觸的原結構表面進行鑿毛處理，剔除厚度≥10 mm，表面不得有浮漿、浮灰、油污、脫模劑等雜物。

2）鉆孔、植筋。①為避免與原鋼筋位置沖突，鉆孔前應根據結構竣工圖或鋼筋探測儀等對原結構內部鋼筋分布情況進行查看；②按設計圖紙要求在施工面準確劃定鉆孔錨固位置，孔徑一般在原鋼筋直徑基礎上增加 6～10 mm，孔深不得小于鋼筋直徑的 35 倍，且應滿足設計要求；③孔內采用風機加導管進行清理，并用棉絲擦去孔內粉塵，用丙酮清洗孔壁，達到無塵、無油、無水的植筋要求；④采用電動鋼刷對植入鋼筋表面進行打磨除銹，直至露出金屬光澤為止；⑤采用專用改性環氧樹脂膠粘劑或改性乙烯基酯類膠粘劑，膠體性能和粘結能力滿足 A 級膠要求；⑥垂直孔可將植筋膠緩慢注入孔內，水平孔需預先將植筋膠注入灌漿注漿器中，然后緩慢旋入鋼筋，使孔壁與鋼筋全面黏合，以植筋膠從孔內溢出為準；⑦植筋完畢 48 h 后，取每種鋼筋直徑錨固總數的 1 ‰，且不少于 3 根進行錨固抗拔承載力現場非破壞性檢測。

3）澆筑混凝土。①預先對混凝土表面充分濕潤，并在灌注前吸干表面積水。②由于加固鋼筋十分密集，可操作空間受限，應當控制混凝土的坍落度在160～180 mm，再輔以小直徑振搗棒將混凝土振搗密實。③澆筑過程必須連續進行，不能間斷，應并盡可能縮短間歇時間，應當從一側灌注灌漿料，至另一側溢出為止；不得從四周同時灌注，以防止由于窩住空氣而產生孔洞。④澆筑完畢后，立即覆蓋濕草袋或貼塑料薄膜進行≥5 d 的保水養護。

4.2 增設混凝土梁

為進一步提高結構的整體穩定性，本工程采取在原柱頂及型鋼混凝土頂增設混凝土梁的方式，將各個方向的混凝土柱連接為一個整體。

5 結語

本文以某既有網架結構的加固改造工程為例，采用千斤頂+格構式鋼柱實現了網架結構的同步頂升，通過擴大原柱截面與新增型鋼混凝土柱完成了結構的加固改造，并得出以下幾點結論。

1）采用整體同步頂升法進行頂升施工，不僅操作便捷、安全、精準度高，而且大大縮短了工程工期，降低了工程造價。

2）在原柱頂新增 H 型鋼柱，前期可作為網架結構的臨時支撐，后期與混凝土進行整體澆筑，形成型鋼混凝土組合結構，增強了結構的整體剛度和抗側移能力。

目前，該工程已經順利完工，并取得了良好的工程效果和經濟效益。Q