大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑擴建改造技術(shù)研究與應(yīng)用

鄧梓暉

廣州市城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510030

伴隨我國城市化建設(shè)的持續(xù)，建筑工程在形式上開始逐漸變多，大跨度建筑作為一個全新的建筑形式，在目前已經(jīng)被大量運用到當(dāng)代建筑之中。而大跨度建筑的關(guān)鍵就是鋼結(jié)構(gòu)，其對建筑工程本身的質(zhì)量有著很大作用，所以應(yīng)該注重大跨度建筑當(dāng)中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工工藝，讓鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計變得更為合理且嚴(yán)謹(jǐn)，進(jìn)而保障大跨度建筑工程得以正常開展[1]。本文就作者參與實施的工程案例，剖析大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑在擴建改造方面的重點技術(shù)問題，探討鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的關(guān)鍵技術(shù)要點。

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)的特征

1.1 多樣化與復(fù)雜化

當(dāng)下大跨度鋼結(jié)構(gòu)這類建筑已經(jīng)不可再限制于之前單一的結(jié)構(gòu)，需要不斷創(chuàng)造出全新的結(jié)構(gòu)及其組合模式[2]。大家所知道的“水立方”就是運用泡沫理論本身的多面體空間鋼結(jié)構(gòu)；而奧運會的體育主會館“鳥巢”就是運用了不規(guī)則的多向空間桁架結(jié)構(gòu)。

1.2 普遍采用高強度鋼材和鋁材

因為具體需求與人們需求的提升，鋼結(jié)構(gòu)在跨度上已經(jīng)非常的接近超大跨度，最短的跨度已經(jīng)超過了100m已經(jīng)很多，像是南京奧運中心體育場的上拱式拉索罩棚的跨度已經(jīng)到了360m，對于大跨度及超大跨度結(jié)構(gòu)高強材料的是最為關(guān)鍵的一個因素。目前跨度較大的鋼結(jié)構(gòu)都運用了強度很高的鋼材，如Q390C、Q420C及其Q460E等等[3]，部分特殊造型結(jié)構(gòu)，須建筑輕盈、纖細(xì)、大跨度等要求的頂棚結(jié)構(gòu)也廣泛運用到高強鋁結(jié)構(gòu)，目前鋁結(jié)構(gòu)型材強度以達(dá)到Q450，重量只有普通鋼材的40%。

1.3 弦索技術(shù)廣泛應(yīng)用

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)這類工程當(dāng)中利用鋼索的高強抗拉特性，經(jīng)常會采用預(yù)應(yīng)力方式實現(xiàn)大跨度張弦梁、張弦網(wǎng)格等結(jié)構(gòu)，結(jié)合棚頂?shù)哪そY(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輕盈、柔美的弦支穹頂結(jié)構(gòu)。這種新的結(jié)構(gòu)模式，近20年來開始應(yīng)用到體育館、火車站、會議中心等建筑的穹頂或罩棚。

1.4 施工難度大

1、三維數(shù)字化構(gòu)件制作。因為鋼結(jié)構(gòu)的建筑通常都是部分零散構(gòu)建所拼裝組成，普通的大型工程都要用上上萬個構(gòu)件，構(gòu)件都有著不同的截面及其形狀。如何在工廠預(yù)制出復(fù)雜多變的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點，須依賴與目前先進(jìn)的數(shù)字化智能裝備技術(shù)。

2、現(xiàn)場測控精準(zhǔn)定位安裝。

大面積且復(fù)雜多變的曲線或折板式鋼結(jié)構(gòu)，須現(xiàn)場對主要的受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維空間對接與拼裝，現(xiàn)場拼裝過程中心的精準(zhǔn)測控、高空作業(yè)控制，拼接順序、實時監(jiān)控與糾偏等技術(shù)是現(xiàn)場安裝的關(guān)鍵。

3、鋼結(jié)構(gòu)的頂升或整體旋轉(zhuǎn)技術(shù)。

考慮到高空作業(yè)的不確定性及工期時間的考慮，部分工程的大型的鋼結(jié)構(gòu)罩棚，需異地拼裝后通過整體吊裝、頂升、旋轉(zhuǎn)到位，這種技術(shù)拼裝質(zhì)量高、施工工期短、不影響主體工程多工種穿插施工；但是對結(jié)構(gòu)整體的結(jié)構(gòu)性能要求很高，對吊裝、頂升、旋轉(zhuǎn)技術(shù)有嚴(yán)格的測控、糾偏、時間及溫度控制要求。

1.5 預(yù)應(yīng)力技術(shù)的運用

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)這類工程當(dāng)中也會運用到一般鋼結(jié)構(gòu)工程當(dāng)中所采用的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，同時這類工程當(dāng)中把預(yù)應(yīng)力這個技術(shù)也進(jìn)行很好的運用。在這部分工程當(dāng)中出現(xiàn)了許多全新的結(jié)構(gòu)模式，像是索穹頂。很多較大的羽毛球館及其體育館都運用了這類預(yù)應(yīng)力，運用的是世界上跨度最大的弦支穹頂結(jié)構(gòu)。

1.6 生產(chǎn)構(gòu)件難度大

因為這部分工程都是較為龐大的工程，鋼結(jié)構(gòu)需要的構(gòu)件并不是一般鋼結(jié)構(gòu)所運用的構(gòu)件，所以要專門去定制及其生產(chǎn)，并且在精度上有高的要求，把構(gòu)件生產(chǎn)存在偏差減到最小，如此才可以達(dá)到施工質(zhì)量所提出的要求。構(gòu)件連接需要焊接出一級焊縫，同時這部分焊縫數(shù)量也有著成千上萬個，這樣無形之中加大了施工本身存在的困難。同時焊接的時候為了確保焊縫的質(zhì)量，在具體焊接的時候還需要來做好拼裝，這在很大程度上加大了施工的總量與難度，因為這部分鋼結(jié)構(gòu)本身的跨度較大且結(jié)構(gòu)比較新穎，所以在具體施工的時候，除了需要確保安全與經(jīng)濟以外，還應(yīng)該運用現(xiàn)代化的施工技術(shù)才可以完成。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑擴建改造主要的難點及解決方案

案例：廣州市某國際會議中心大跨度巨型桁架改造

2.1 工程概況

該會議中心項目總建筑面積13萬平方米，地下三層、地上高度64.9米。地下部分為車庫和商業(yè)街。首層、二層通高為展覽廳，三、四層通高為宴會廳，五、六層為會展辦公室。裙樓以上分為南、北兩座塔樓，主要為辦公功能。

根據(jù)建筑改造需求，需擴大首層展廳面積，對裙樓相關(guān)區(qū)域樓梯間、設(shè)備功能房進(jìn)行調(diào)整。針對上述建筑功能改變，主要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下改造：

1.首層展廳擴大面積，需拆除1-G軸首層柱、鋼桁架部分構(gòu)件及二層相應(yīng)范圍的樓板（圖1）。在加固3、5、6、RF層樓面梁，增加3層以上桁架斜桿后形成改造后的鋼桁架（圖2）。

圖1 1-G軸鋼桁架拆除示意圖

圖2 1-G軸鋼桁架改造后示意圖

2.二至四層在1-D至1-F軸間的樓梯間改造為剪刀梯，需拆除其中4道18m跨度的結(jié)構(gòu)鋼梁和相應(yīng)范圍結(jié)構(gòu)樓板。

2.2 工程技術(shù)難點

1.改造前項目主體結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備及裝修等均已基本完工，結(jié)構(gòu)改造需全程在室內(nèi)施工，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件等大型施工材料運輸、吊裝及焊接難度大，安全風(fēng)險高；

2.改造需拆除裙樓結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件和部分樓面結(jié)構(gòu)。拆除范圍較大，并同時需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，結(jié)構(gòu)改造的工程量大，工期十分緊張；

3.鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件拆除后，改變了原結(jié)構(gòu)的豎向荷載傳力路徑，需重新計算與復(fù)核，設(shè)計出新的結(jié)構(gòu)布置形式，保證上部荷載可靠地傳遞到下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)上；

4.本項目結(jié)構(gòu)改造專業(yè)性強，鋼桁架節(jié)點加固構(gòu)造復(fù)雜，各加固施工工藝需緊密銜接，而且加固構(gòu)件和節(jié)點數(shù)量多。

2.3 工程技術(shù)解決方案

本工程主要難點為結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化、重要節(jié)點驗算、現(xiàn)場拆改施工組織、施工檢測，為確保工程順利開展，建設(shè)單位專門聘請了國內(nèi)資深的結(jié)構(gòu)咨詢單位及多名結(jié)構(gòu)設(shè)計大師、鋼結(jié)構(gòu)專家參與進(jìn)行分析研究，確定具體的結(jié)構(gòu)改造方案?，F(xiàn)主要剖析難點及解決方案如下：

結(jié)構(gòu)改造可行性分析

對于拆除首層5根柱子，以及取消2層鋼結(jié)構(gòu)桁架的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計方案，主要措施是通過4層及以上樓層增加受力斜桿，并加固橫梁，使其形成整體的鋼結(jié)構(gòu)桁架，并且承載能力、剛度不低于原結(jié)構(gòu)。

圖3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑擴建改造步驟圖

經(jīng)結(jié)構(gòu)整體受力分析，由原來的兩層桁架結(jié)構(gòu)，改造為5層桁架協(xié)同受力結(jié)構(gòu)，能保證樓層的承載能力、結(jié)構(gòu)剛度，并具有施工可行性。

關(guān)鍵桿件及節(jié)點受力計算

根據(jù)上述的受力模型，通過計算各桿件的受力、應(yīng)力在合理范圍內(nèi)，位移也在規(guī)范限值范圍內(nèi)，桿件受力合理。

對于關(guān)鍵結(jié)點的受力計算，進(jìn)行了計算復(fù)核，經(jīng)改造后最不利結(jié)點板的最大主應(yīng)力約為302MPa，滿足受力要求，其余各結(jié)點板經(jīng)逐一驗算，均能滿足受力要求。

圖4 關(guān)鍵桿件及節(jié)點受力計算示意圖

2.4 結(jié)構(gòu)改造整體受力評價

經(jīng)多軟件、多荷載工況及施工模擬計算分析對比，桁架改造方案能夠較好傳遞豎向力；此結(jié)構(gòu)改造對整體結(jié)構(gòu)指標(biāo)有一定影響，局部構(gòu)件不滿足性能目標(biāo)要求，通過部分加固措施，基本滿足規(guī)范要求。根據(jù)計算分析結(jié)果和概念設(shè)計方法，對關(guān)鍵和重要構(gòu)件作了適當(dāng)加強，以保證在地震作用下的延性。

(1) 結(jié)構(gòu)整體剛度。針對改造前、后的模型進(jìn)行計算，整體指標(biāo)變化不大，結(jié)構(gòu)整體剛度略有增大，周期略變小，基底剪力增大5%，主要是由于新增桁架剛度比原桁架剛度大造成的。

(2) 豎向構(gòu)件應(yīng)力。針對部分豎向構(gòu)件，復(fù)核改造后性能目標(biāo)，部分剪力墻配筋不足，采用貼鋼板方式加固。

(3) 水平構(gòu)件構(gòu)件應(yīng)力。中震地震作用下，二層因取消樓板，造成薄弱位置，地震作用下局部位置應(yīng)力較為集中，最大拉壓應(yīng)力約13MPa，通過加強樓板鋼筋雙層雙向0.25%配筋率拉通，以承擔(dān)樓板局部集中地震應(yīng)力。

(4) 大震彈塑性分析。均在規(guī)范限值要求以內(nèi)，保持整體彈塑性不變。

2.5 施工拆改組織方案

根據(jù)改造需要，改造加固宜從下而上，改造樓層（3、4、5、6）施工時需要清楚屋面覆土何在，然后對F3、5、6、RF的樓層梁進(jìn)行加固，加固檢測無誤后進(jìn)行4、5、6、RF的斜桿增設(shè)，檢測無誤后，從相鄰下一層搭設(shè)腳手架支頂，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂升，然后從兩邊到中間依次對首層的結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行拆除，最后拆除頂升機構(gòu)與腳手架。

2.6 現(xiàn)場檢測方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)改造加固施工及關(guān)鍵受力構(gòu)件拆除過程中的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測工作根據(jù)拆除過程對不同桿件的受力情況、位移進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)過全過程監(jiān)測，位移及受力數(shù)據(jù)完全符合計算模擬工況要求，結(jié)構(gòu)改造完成后相關(guān)受力構(gòu)件的位移及應(yīng)力變化均在合理范圍，并滿足規(guī)范要求，因此結(jié)構(gòu)改造全過程是安全的，結(jié)構(gòu)改造施工過程中沒有出現(xiàn)任何安全事故。

3 結(jié)束語

總之，在設(shè)計當(dāng)中，有關(guān)從事者需要依據(jù)目前建筑物鋼結(jié)構(gòu)的運用情況，在根本上分析鋼結(jié)構(gòu)所具有的特征，并從這些特征當(dāng)中找出可能會存在的問題，足夠了解建筑的鋼結(jié)構(gòu)體制，確保建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計及改擴建當(dāng)中鋼結(jié)構(gòu)足夠安全且穩(wěn)定。目前伴隨社會的前進(jìn)，人們的生活品質(zhì)也需要獲得相應(yīng)的提升，但是同時還需要主動去關(guān)心人們生活的環(huán)境及其安全，全面掌控鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，確保建筑本身的質(zhì)量及其安全。因此，建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計當(dāng)中，需要確定對應(yīng)技術(shù)的運用，不只需要考慮建筑本身的經(jīng)濟效益，還需要保障建筑的運用安全。