大型工业厂房建筑改造中的高低跨托架置梁施工关键技术的研究*

周华林 朱海定 朱晓栋 周 伟 李红梅 王 浩 朱 杰 王连青 李正媛 许文华

1.上海建工（集团）总公司 上海 200080；2.上海市机械施工集团有限公司 上海 200072 3.上海建筑设计研究院有限公司 上海 200041；4.上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司 上海 200041；5.上海交通大学东方艺术交流中心 上海 200030

1 工程概况

上海船厂浦东（区域）2E1-1地块旧厂房改造工程是上海浦东陆家嘴金融城在建、改建项目的重点。该装配式钢筋混凝土横向排架结构旧厂房为20世纪70年代初按国家标准设计的大型单层工业厂房，采用钢筋混凝土双肢柱、预应力钢筋混凝土多腹杆拱形屋架、预制大型屋面板结构。原旧厂房东西长198 m，柱距12 m；南北长45 m，其中南北又分为2跨，北跨长30 m，檐口高21 m，南跨长15 m，檐口高16 m。原旧厂房建筑面积8 910 m2，本次改建后为地下1层、地上5层，建筑面积扩大至31 626 m2，其屋面和外墙全部改为幕墙，建成后，在灯光的烘托下熠熠生辉，似黄浦江畔“月光宝盒”，将成为集旅游、餐饮、音乐和文化娱乐为一体的现代化城市观光新景点。旧厂房内新建建筑与旧厂房老结构的处理主要通过设置抗震缝使其完全脱离，从而实现“换骨脱胎”的改造。本研究主要介绍前期旧建筑的切割、改造、加固和托架置梁施工中的关键技术（图1、图2）。

图1 旧厂房改造前

图2 改造后建筑景观

2 工程特点与难点

2.1 工程特点

2.2 施工难点

1）新增南北XGL1、XGL2钢梁的架设位置平靠于原托架即错位托换，又因其梁面紧贴老厂房轴/①～③轴屋架端头下弦，梁底搁置在高低跨牛腿上，吊装空间几近于无，施工环境要求必须进行横向镶嵌式吊装钢梁[1-2]。

（1）南侧低跨新增的H型钢XGL1梁，跨度12 m，梁高度为1.20 m，尺寸为1 200 mm×350 mm×14 mm×32 mm；架设梁顶设计标高为15.83 m；总质量约3.70 t。

（2）北侧高跨新增的H型钢XGL2梁，跨度12 m，梁跨中高度为1.2 m，尺寸为1 200 m×350 m×14 m×32 m；架设钢梁顶标高为20.52 m；总质量约3.70 t。

2）由于老厂房原结构时间悠久，加之结构安装误差、受力变形、不均匀沉降等因素影响，屋架与支座的高度，①轴和③轴排架柱的间距，①轴、②轴和③轴屋架的高度位置关系等都不符合现设计图尺寸，亦要求在施工中加以调正。

4）南侧低跨屋架之上还保留有高约4 m的砖墙，在此砖墙之上又叠加着圈梁、砖墙、钢排窗、遮阳板过梁及女儿墙等结构，给屋架顶升及卸载落架施工带来了一定的技术难度。

3 施工方案与关键技术路线

3.1 施工总体方案

施工总体以拆除、加固、改建为主线，遵循原则为：拆除需置换的构件先高跨，后低跨；施工改建先加固，后顶升卸载落架。

在屋架顶升和卸载落架阶段遵循的原则为：

1）顶升和卸载落架的过程实际就是荷载转移的过程，在荷载转移的过程中，必须遵循“变形协调、卸载均衡”的原则[3-4]。

2）“精确计算，严格监控”。在顶升和卸载落架过程中，应根据设计要求或计算结果，在关键部位，应放置检测装置（如贴应变片）等，检测施工全过程中的屋架轴力变化，确保临时支架和屋架的安全。

3.2 施工关键技术路线

拆除大型预制屋面板→保护性拆除鱼腹式行车梁→结构原位测量→节点加固施工→南侧低跨搭设施工脚手架→南侧低跨牛腿之上新增混凝土柱→北南高低跨镶嵌吊装XGL2、XGL1钢梁→北侧高跨单榀屋架顶升及卸载落架→北侧高跨拆除W支撑→北侧高跨安装X形钢支撑和XGL3钢梁→南侧单榀屋架落架→切割拆除混凝土托架→新建内构和外观改造

4 托架置梁施工

4.1 南侧低跨托架换梁

4.1.1 南侧低跨15 m跨区的拆除

在屋面大型预制板拆除后，接着拆除混凝土鱼腹式行车梁（图3）。

图3 南侧低跨区拟拆除结构

4.1.2 高低跨交界部新增结构

因原高低跨交界部低跨一侧的中柱上，承载屋架梁的牛腿较小，无法安装新梁，遂决定在中柱下牛腿之上，即在低跨双肢柱身南侧±14.95 m处（原承载行车梁部位）紧贴旧柱（图4），新增至±19.90 m上牛腿平面的混凝土柱，再在柱间安装新的XGL1钢梁，以支承低跨区域屋架。

图4 高低跨交界部新增结构剖面

因低跨托架置梁支座须扩大，且要待中部双肢柱上的新增混凝土柱达到一定强度后才可安装新钢梁，所以在工期安排上，先进行低跨部位托换施工，后进行高跨部位托换施工。

4.2 低跨托架置梁施工

4.2.1 精确测量

由于老厂房原结构年代悠久，受结构安装误差、受力变形、不均匀沉降等影响，屋架与双肢柱牛腿支座的高度、①轴和③轴排架柱的间距、①轴、②轴和③轴屋架的高度位置关系等都不符合原设计图尺寸。

对原结构精确测量主要分新置钢梁吊装前、吊装后2步，第1步确定为新增混凝土柱和钢梁加工的具体尺寸，第2步在镶嵌吊装钢梁后为控制屋架顶升、渐趋卸载落架设计数值。

根据测量，确定了新置钢梁端部尺寸、钢梁长度。最后确定钢梁顶面与②轴屋架（包钢后）间的净间距，再结合顶升高度确定钢垫块的厚度。

另据数理统计计算结果：

15 m跨屋架下弦杆①轴屋架标高为-0.032 m，15 m跨屋架下弦杆③轴屋架标高为-0.004 m。

从计算结果知屋架略呈北高南低状态，由此决定在低跨北侧“托架换梁→托架置梁”施工中减少顶升3 mm，以减小屋架变形。

4.2.2 屋架加固及节点施工

在测量的同时，对已拆除大型屋面板的屋架进行加固和端头包钢作业，以及对低端预顶升3 mm的施工（图5）。

图5 屋架加固及端头四周面包钢

4.2.3 搭设施工脚手架

脚手架材料为φ483 mm×5 mm圆钢管。综合考虑安全、作业面及现场条件，施工脚手架搭设高度为3排，横距1.20 m，纵距1.50 m，步距1.80 m。其中，在混凝土柱施工期间，中排立杆让出3步暂不搭设，以便混凝土柱有足够的作业面施工。在柱模拆除后再搭设[5-6]。

由于脚手架可连墙的仅有排架柱，但又不便在柱上设置锚固件，因此连墙件只得用钢管四面紧箍排架柱，每2步距设置1道，并在脚手架两侧加设抛撑以增强脚手架的稳定性。

4.2.4 新增混凝土柱

由于新增混凝土柱离地14.45 m，在下牛腿与上牛腿之间，且紧贴旧柱新建，故采用了植筋、木夹模等技术措施：

1）植筋。先施工新混凝土柱与原排架柱连接面的抗剪键，在植筋前须查出原结构钢筋分布，以便钻孔时避开钢筋（也可通过凿“十”字凿的方式辨别钢筋分布）。由于新增柱一侧是原双肢柱，无法通过对拉螺栓固定模板，因此植筋前应先将对拉螺栓（φ14 mm）与剪力键焊接好，再进行植筋。

2）钢筋绑扎。由于牛腿上部均已满覆钢板，因此钢筋绑扎前要先对原钢板进行除锈处理，纵筋也只能穿孔塞焊。施工前先进行放线布点，然后使用磁力钻开孔，孔径21 mm。新混凝土柱总高4.40 m，柱纵筋可不作搭接，施焊时应有人员辅助稳定钢筋，确保焊接质量。由于有剪力键的阻碍，故箍筋应在内排纵筋施焊前按位置排布好，在纵筋全部焊接完成后再进行绑扎。

3）模板安装。支模前应先清理柱底及侧面灰尘、杂物、焊渣等。模板使用厚18 mm夹心板，龙骨使用50 mm×100 mm木方。宽度375 mm侧面加2根主龙骨，长800 mm侧面使用3根主龙骨。次龙骨使用圆钢管通过对拉螺栓进行连接固定。安装完成后要校验垂直度，并每面用钢管作斜撑进行辅助校定。与剪力键焊接的对拉螺栓不得使用塑料套管。

4）混凝土浇筑。本工程使用现场搅拌机配制的灌浆料进行浇筑，浇筑前原混凝土柱壁柱底凿毛，清去杂物。浇筑时先往柱底浇筑厚5 cm灌浆料，以利于接触面结合牢固。浇筑时必须使用串筒或溜槽（浇筑高度超3 m），避免灌浆料发生离析。采取分段浇筑，每次浇筑高度不超过500 mm。浇筑至柱顶时置入预埋铁件。振捣棒应放在柱中，应遵循快插慢拔的原则，每次振捣以15～20 s为宜。振捣时应避免振捣棒直接接触钢筋或模板。浇筑时应有木工在现场看模，发现模板倾斜或漏浆的，应暂停浇筑，待纠正后方可继续。

5）混凝土拆模及养护。混凝土柱浇筑24 h后方可拆模，拆模后要立即进行洒水养护，前3 d以确保柱表面始终湿润为宜，安排专人定时洒水。3 d后每天洒水2遍。在柱浇筑混凝土达到强度后方可进行上部钢梁安装。

4.2.5 镶嵌吊装XGL1钢梁

1）钢梁安装前先完成①、②、③轴屋架端头的包钢，并局部拆除①～③轴紧邻轴的原有水平“X”形支撑。

2）考虑到既有屋架影响，结合现场实际，经项目体和专家讨论，决定采用双机抬吊、横向“镶嵌”的方式吊装XGL1钢梁。经计算，钢梁质量为3.70 t，使用250 kN汽车吊，作业半径9 m，吊臂伸出屋架，长度控制在25 m，每台吊机吊重可达9 t＞钢梁质量3.70 t，满足要求。

3）钢梁吊装分2步，先将钢梁吊至安装高度，再使用10 kN葫芦吊将钢梁水平牵引至安装位置（图6）。钢梁顶距离包钢后的屋架底只有50 mm，为确保吊装安全，使钢梁提升过程中不至于碰撞屋架下弦杆，汽车吊的提升速度必须控制在1 m/min，使指挥人员在50 mm提升高度中有50/（1 000/60）=3 s反应时间。施工时，应在低处进行试吊，测试并调整2部吊车的起吊速度至1 m/min。起吊时，在屋架下弦杆下80 mm处设置警戒线，在钢梁吊至此高度时指挥应倒计时3 s后叫停。

图6 镶嵌吊装XGL1钢梁

4）钢梁焊接固定：钢梁放置平稳后，按照设计要求将钢梁两端头与柱顶进行焊接固定，钢梁与屋架之间空隙采用高强灌浆料进行填充至缝隙密实。

4.2.6 屋架落架

新增XGL1钢梁之上支承有3榀屋架，其中部②轴屋架和钢梁的节点处理有点特殊：因为根据设计要求，该榀屋架需要适度地顶升3 mm，但其上部还有约4 m叠加着圈梁、砖墙、钢排窗、遮阳板过梁及女儿墙，施工方考虑到②轴屋架竖向不易顶升且存在一定的风险，故决定直接采用“落架”类似换撑施工方法（保留拟拆除的倒三角形混凝土托架上部横梁），即从侧向两面填塞钢楔垫板楔紧②轴屋架与钢梁之间空缝，并与其焊接，然后采用高强灌浆料进行缝隙填充至密实（图7）。这不仅对②轴屋架的稳定性起到了关键作用，而且也使托架换梁→托架置梁施工过程中的稳定性有了可靠保证。

4.2.7 切割、拆除原有混凝土托架

新梁安装后，即可对原有混凝土托架进行拆除，拆除作业按图8所示①、②、③顺序切割。实测证明，拆除混凝土托架后产生上部横梁的弯曲变形很小，可以忽略不计，屋架渐趋落架转移至新增钢梁直到构件受力平衡，实现低跨托架换梁→托架置梁的平稳过渡[7-8]。

图7 屋架落架固定

图8 拆除三角形托架顺序

4.3 北侧高跨托架换梁

有了南侧低跨托架换梁的经验，北侧高跨区域的托架换梁也就相对容易了些。但因其结构较高，且建造年代较久，经精密度测量，原屋架结构呈北高南低的状态，须以顶升校正之，而原托架又为“W”形钢支撑，使梁中部之上承载的屋架在换梁期间失去依托，故施工技术也就有了相应的改变。

4.3.1 主要施工流程

拆除屋面板→拆除鱼腹式行车梁→精确测量→轴屋架加固及节点施工→吊装XGL2钢梁→屋架顶升、落架→拆除“W”形钢支撑→安装新增“X”形钢支撑和XGL3钢梁

4.3.2 测量统计

经测量数理统计计算：

30 m跨屋架下弦杆①轴屋架标高为-0.018 m，30 m跨屋架下弦杆③轴屋架标高为-0.006 m。从计算值得知屋架略呈北高南低状态，须给高跨南侧“托架置梁”施工顶升3 mm，以使屋架呈水平状态。

4.3.3 屋架加固及节点施工

30 m跨屋架同样因年代久远，须给予维护及加固。主要内容为上、下弦杆表面喷涂有机硅保护剂，在两端全部包钢加固。

4.3.4 镶嵌吊装XGL2钢梁

同南侧低跨吊装方法，置换的XGL2钢梁同样以双机抬吊方式镶嵌吊装，并予以临时固定。

4.3.5 屋架顶升、落架

由于原屋架存在高低架，且跨度较大，经研究，决定从地面安装临时支架，在适当的部位顶升屋架，与托架置梁协同作业。

1）安装临时支架。根据需要顶升的计算荷载和现场施工工况，我们在标高-0.40 m的1层底板上铺设路基箱，路基箱与其上临时支架焊接，使荷载均匀分布在底板上。临时支撑布置采用3根φ609 mm钢管组合成三角架，三角架平面上呈高3 m、底边长4 m的三角形，3根钢管由20#槽钢两两相连。三角架中较高的1根钢管为支撑管，其余2根起辅助作用（图9）。φ609 mm钢管分段运输到工地，现场拼接，用汽车吊依次把3根钢管吊装就位。

图9 30 m跨顶升三角架立面示意

2）千斤顶选用规格的确定。30 m跨需顶托的质量分别为14.43 t，千斤顶需满足顶托屋架质量要求。为保障千斤顶顶托屋架处混凝土安全，应尽量增大千斤顶提升杆的截面面积。尽量提高千斤顶的调节精度，顶升时加载速度尽量放慢。综合以上因素，考虑到计算偏差以及实际风荷载等活荷载，最终选用1 000 kN千斤顶。由千斤顶规格表可知活塞杆截面积为7.85×10-3m2，由泵站压力表可知压力表每格为2 MPa，即1.57 t。满足要求。

3）屋架顶升准备工作和应变片布设。30 m跨②轴线屋架下弦杆每隔500 mm布设1个应变片，由于屋架顶升受力部位为屋架端头，所以此处应变片应多布设并重点监测，在顶升部位下弦杆两侧面每隔50 mm再布设1个应变片。贴应变片属于高空悬空作业，采用升降机辅助作业。

4）屋架顶升、卸载落架。顶升位置在屋架端部（靠近下弦杆附近），屋架受力点处变形较大，应设置钢垫板扩大受力面积，以减小屋架变形。千斤顶施加3.14 kN力后自锁，与屋架紧密接触。千斤顶缓慢减压，使得新增钢梁完全支撑屋架，卸载完成。焊接屋架端部包钢与新增钢梁上的钢垫板、加劲板[9]。

4.3.6 拆除“W”形钢支撑

在屋架落架的同时，即可切割和拆除“W”形支撑及其与屋架间的垫板，由于拆除施工空间十分狭窄，故拆除工作采用手拉葫芦的方式卸载，以便于施工（图10）。

图10 30 m跨拆除“W”形钢支撑

4.3.7 安装“X”形钢支撑和XGL3

按照设计要求安装新增的“X”形钢支撑和下横梁XGL3，由于施工空间限制，故“X”形钢支撑和XGL3吊升亦采用手拉葫芦的方式，特别是“X”形钢支撑，应先分块提升，然后在空中拼装并用螺栓连接。完成后拆除临时支架和操作脚手架（图11）。

图11 30 m跨新增XGL3和“X”形钢支撑

5 结语

上海船厂2E1-1地块旧厂房的高低跨托架置梁关键施工技术在各有关单位的协助下实现技术创新并辅用当前国内建筑领域先进的“结构安全预警”技术——结构健康监测（Structural Health Monitoring，简称SHM）施工，按既定方案实施得到圆满成功[10]。

据检测报告：屋架在顶升、卸载落架过程中，屋架杆件、XGL1、XGL2新增钢梁的应力指标均处于安全范围，结构处于安全状态。该项改造为建筑功能的转换打下了坚实的基础，使规划、设计、施工得到统一并取得较好的技术经济效益，亦为今后旧厂房改建施工技术的开发积累了非常宝贵的经验。