既有隔震結(jié)構(gòu)橡膠隔震支座整體置換技術(shù)
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王良波，馮艷玲，林國(guó)潮，張 宏，曹忠雄，李 闖
（中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北武漢430074）
[摘要]太原市圖書館為隔震結(jié)構(gòu)，于1997年竣工，橡膠隔震支座設(shè)置在地下1層的62根框架柱上，共120個(gè)。隨著隔震體系規(guī)范的不斷完善，原結(jié)構(gòu)隔震支座需全部置換，并在隔震支座下部設(shè)置拉梁增加下部剛度。針對(duì)置換隔震支座施工中的難點(diǎn)、特點(diǎn)加以論述。通過(guò)工程實(shí)踐，既有隔震結(jié)構(gòu)橡膠隔震支座整體置換技術(shù)在完成既定施工要求的同時(shí)，提高施工速度，保證施工質(zhì)量。
[關(guān)鍵詞]既有建筑；加固；隔震體系；橡膠隔震支座；置換；施工技術(shù)
[中圖分類號(hào)] TU746.3 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)04-0110-05
1工程概況
太原市圖書館改擴(kuò)建工程位于太原市萬(wàn)柏林區(qū)濱河西路中段，總建筑面積53 100. 34m2，地下2層，地上6層，建筑高度30m。原結(jié)構(gòu)為隔震結(jié)構(gòu)，在地下1層柱頂設(shè)有120個(gè)隔震支座。隨著國(guó)家隔震結(jié)構(gòu)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，需對(duì)原結(jié)構(gòu)隔震支座進(jìn)行置換，且需在隔震支座下部結(jié)構(gòu)設(shè)置拉梁增加剛度。隔震支座置換施工難度大，施工中既要保證隔震支座置換順利完成，還要保證原結(jié)構(gòu)不受影響。在隔震支座置換過(guò)程中，采取了大量新技術(shù)、新工藝和技術(shù)措施，確保施工順利完成。
2 施工重難點(diǎn)與對(duì)策制定
2.1 頂升位移的控制
隔震層以上為6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，隔震支座置換必須考慮對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。由于本工程采用無(wú)損切除技術(shù)破除隔震支座下方的混凝土，為保證托換過(guò)程柱子豎向名義零位移，故在支座下方混凝土破碎前需利用鋼支撐跟千斤頂給支座上部結(jié)構(gòu)施加一部分預(yù)應(yīng)力，使其將支座上部荷載托換至基礎(chǔ)。
2.2連接孔精確定位
由于在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，鋼板和橡膠疊層構(gòu)造的隔震支座在豎向壓力下會(huì)發(fā)生壓縮變形，原有隔震支座已形成2~ 5mm的豎向壓縮變形，更換新的隔震支座必須考慮這些變形。本工程采取的措施是在支座生產(chǎn)加工前，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，精準(zhǔn)測(cè)量上連接板孔洞的位置，做出深化設(shè)計(jì)圖，按照深化圖紙進(jìn)行施工。
2.3支座高度可調(diào)
由于原結(jié)構(gòu)在施工中的時(shí)間差和不均衡性，地基可能出現(xiàn)不均勻沉降，同時(shí)本工程為改擴(kuò)建工程，新舊兩部分在改造完成后必然會(huì)存在差異沉降現(xiàn)象，因此隔震支座在預(yù)埋件部位應(yīng)該考慮到設(shè)置能夠調(diào)整高度的構(gòu)造措施。本工程采用高度可調(diào)隔震支座抗御地基沉陷或其他原因產(chǎn)生的不均勻沉降。
2.4上下支墩螺栓預(yù)埋位置與原結(jié)構(gòu)鋼筋沖突
原結(jié)構(gòu)上支墩鋼筋分布較密，支座的預(yù)埋螺栓間距分別為550，650mm，這個(gè)距離會(huì)與原上下支墩柱主筋的位置沖突，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采用加大需要更換支座及其預(yù)埋件的鋼板尺寸，使預(yù)埋螺栓避開(kāi)縱筋。上預(yù)埋件更換采用節(jié)點(diǎn)增大方式進(jìn)行施工，將原上支墩的5cm厚混凝土剔鑿，進(jìn)行上支墩加大截面鋼筋綁扎，安裝上埋板和螺栓后，支模澆筑灌漿料，形成增大柱帽；下支墩采用無(wú)損切除技術(shù)，將下支墩部分混凝土清除保留鋼筋，進(jìn)行下支墩的預(yù)埋板和螺栓安裝，或增大埋板和螺栓間距，將預(yù)埋螺栓放置在柱加大截面范圍內(nèi)。
3施工方法
3.1施工流程（見(jiàn)圖1）
3.2 置換施工部署及工況計(jì)算
對(duì)擬定的整體同步頂升置換方案和分批對(duì)稱頂升置換方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、工期等因素，確定采用分批對(duì)稱頂升置換方案，并針對(duì)對(duì)應(yīng)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，得出各分批對(duì)稱頂升工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、反力和變形情況。
千斤頂頂升梁的平面如圖2所示。若要將柱頂處梁板頂起一定距離，千斤頂需承擔(dān)陰影范圍內(nèi)各層樓板、梁及柱的自重。根據(jù)計(jì)算，得到底層柱在恒載作用下的內(nèi)力圖，分別選出中柱、邊柱、角柱軸力最大值進(jìn)行計(jì)算。
中柱：最大軸力F =5 547. 9kN；千斤頂受力F1=5 547. 9/4 =1 386. 98kN。
邊柱：最大軸力F =3 136. 9kN；千斤頂受力F2=3 136. 9/3 =1 045. 63kN。
角柱：最大軸力F=1 834. 7kN；千斤頂受力F3=1 834. 7/2= 917. 35 k N。
3.3 頂升措施設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.3.1確定頂升裝置位置
在保證置換施工操作空間的前提下，臨時(shí)鋼柱支撐和千斤頂組合裝置的布置位置原則上應(yīng)盡量靠近原結(jié)構(gòu)梁支座，使該裝置能夠在原結(jié)構(gòu)梁的箍筋加密區(qū)范圍內(nèi)，保證施工時(shí)上部荷載對(duì)梁產(chǎn)生的剪切力作用于梁最大抗剪承載力截面處。
3.3.2 臨時(shí)鋼柱支撐設(shè)計(jì)及千斤頂選型
根據(jù)計(jì)算得出的反力設(shè)計(jì)臨時(shí)鋼柱支撐及選擇千斤頂規(guī)格，對(duì)鋼柱的穩(wěn)定性、承載力進(jìn)行驗(yàn)算，宜采用無(wú)縫鋼管或箱形截面管材，同時(shí)考慮原有結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)組合裝置臨時(shí)基礎(chǔ)，并驗(yàn)算其承載力。
按照主要設(shè)備及測(cè)量?jī)x器布置示意圖布置千斤頂、鋼支撐及測(cè)量?jī)x器，為保證托換過(guò)程中鋼支撐的穩(wěn)定性，施工時(shí)在梁、千斤頂、鋼支撐上鋼板的中心位置做好標(biāo)記，利用水平尺保持其垂直度，應(yīng)保持鋼支撐中軸線、千斤頂中軸線、梁軸線三線合一，鋼支撐上鋼板水平誤差需控制在5%0，中心線誤差不能超過(guò)5mm，為增大千斤頂和上部梁的接觸面積、降低混凝土所承受的壓應(yīng)力，在千斤頂頂部和托梁接觸面設(shè)置400mm×500mm×30mm鋼板。千斤頂噸位的選擇及鋼支撐直徑、壁厚的選擇需要根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載確定。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮樓上施工荷載，鋼管選用直徑325mm，壁厚10mm即可滿足承載要求。
頂升系統(tǒng)最大壓力≥60MPa，根據(jù)結(jié)構(gòu)自重采用同步頂升工藝施工。如圖3所示。
3.3.3原支座處結(jié)構(gòu)梁承載力分析
原混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度需根據(jù)實(shí)測(cè)強(qiáng)度等級(jí)校核，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》CB50010-2010第6.3條的規(guī)定，計(jì)算原支座處結(jié)構(gòu)梁各截面極限抗剪承載力。若梁所受回頂剪切應(yīng)力大于梁極限抗剪承載力，則需要對(duì)梁采取加固措施，增加梁的抗剪能力，施工中可采用在梁上方增加反梁方式進(jìn)行處理。
為增加梁的抗剪能力，在1樓地面沿地下室頂梁位置新做1條反梁，反梁截面尺寸為1200mm×400mm，長(zhǎng)2m，如圖4所示，反梁與原梁中心線重合，并且與柱及梁植筋連接。
3.4 臨時(shí)鋼柱支撐施工
1)臨時(shí)鋼柱支撐基礎(chǔ)施工
鋼支撐基礎(chǔ)位于原結(jié)構(gòu)獨(dú)立基礎(chǔ)上方，原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為斜截面。施工前需在鋼支撐下方設(shè)置臨時(shí)基礎(chǔ)，使鋼支撐與承臺(tái)保持垂直，臨時(shí)基礎(chǔ)采用C40灌漿料澆筑，基礎(chǔ)長(zhǎng)、寬分別為600mm，靠近柱內(nèi)側(cè)高度為200mm，外側(cè)為220mm。如圖5所示。
2)臨時(shí)鋼支撐施工
鋼支撐采用325mm×10mm無(wú)縫鋼管加工，鋼管上下口與400mm×400mm×30mm鋼板焊接，并在鋼管外側(cè)與鋼板焊接加勁板。
3.5原結(jié)構(gòu)頂升施工
根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布圖確定千斤頂頂升質(zhì)量，頂升過(guò)程中需要詳細(xì)了解梁柱節(jié)點(diǎn)處梁底部、側(cè)面、梁上部反梁以及不同方向相鄰節(jié)點(diǎn)處梁底的應(yīng)力變化值和混凝土開(kāi)裂情況，因此頂升托換前在8個(gè)節(jié)點(diǎn)控制處貼應(yīng)變片（見(jiàn)圖6）。開(kāi)始頂升后，對(duì)梁底部所有千斤頂采用同步逐級(jí)加載的方式進(jìn)行，每次加載量為10kN，每次加載后，仔細(xì)觀察各控制點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線，當(dāng)計(jì)算機(jī)顯示的所有應(yīng)力曲線變化穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一步加載，反復(fù)上述步驟，頂升完成后將千斤頂鎖死。
3.6剔除原支座下混凝土及拆除原有隔震支座
原支座下混凝土剔除采用高壓水射流無(wú)損切除技術(shù)，采用先進(jìn)的智能機(jī)器人無(wú)損剔除設(shè)備。采用該施工技術(shù)可以將原結(jié)構(gòu)鋼筋保留，達(dá)到減少損壞原結(jié)構(gòu)的目的，若施工中需要切割原結(jié)構(gòu)鋼筋或鋼板時(shí)，可在水中加入磨砂等硬體微粒形成磨料水射流。
混凝土剔除完成后，用倒鏈將隔震支座臨時(shí)固定，在柱子一側(cè)搭設(shè)2排工字鋼，從柱頂斜向地面，松開(kāi)隔震支座上部螺栓，拉動(dòng)倒鏈，逐漸將其移到工字鋼靠柱上端部分，然后順著工字鋼慢慢滑到地面將其移走。
上下支墩混凝土剔鑿和更換支座如圖7所示。
3.7 重新施工支座下柱結(jié)構(gòu)
按照測(cè)量放線、鋼筋綁扎、模板支設(shè)、埋件安裝、高強(qiáng)灌漿料澆筑及養(yǎng)護(hù)的順序重新施工支座下柱結(jié)構(gòu)。
埋板安裝水平誤差需控制在5%0，中心線誤差不能超過(guò)5mm，預(yù)埋螺栓要保證垂直插入下埋板孔內(nèi)，并且其頂部不能冒出下埋板上表面，以免影響新隔震支座安裝時(shí)的水平度。在整個(gè)安裝過(guò)程中，新隔震支座下預(yù)埋板和上預(yù)埋板之間的高度必須嚴(yán)格按照隔震支座的高度進(jìn)行控制。
3.8新隔震支座安裝
因新隔震支座外形體積較大（直徑500~700mm)，直徑700mm的隔震支座單個(gè)質(zhì)量超過(guò)600kg。故在安裝前必須保證下支墩混凝土灌漿料達(dá)到一定強(qiáng)度，避免安裝隔震支座時(shí)對(duì)下埋板及其預(yù)埋螺栓造成擾動(dòng)，影響施工質(zhì)量。安裝新隔震支座前，須把下埋板表面清理干凈，以免影響新隔震支座的水平度及與下埋板的緊密接觸。新隔震支座安放對(duì)孔后，將高強(qiáng)螺栓擰緊。此時(shí)，新隔震支座已完全固定到下埋板。待下支墩灌漿料強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，安裝隔震支座。
3.9 支座上柱結(jié)構(gòu)施工
1)上預(yù)埋件安裝
新隔震支座本體安裝就位后進(jìn)行上預(yù)埋板施工。對(duì)于更改型號(hào)后需要重新更換安裝上預(yù)埋件的隔震支座，由于上預(yù)埋件處于梁柱節(jié)點(diǎn)處，混凝土剔鑿、新預(yù)埋件定位、后灌漿施工難度大，且強(qiáng)度難保證，因此，上預(yù)埋件更換應(yīng)當(dāng)采用節(jié)點(diǎn)增大方式進(jìn)行施工，將原上支墩的混凝土保護(hù)層剔鑿，進(jìn)行上支墩加大截面鋼筋綁扎，安裝上埋板和螺栓后，支模澆筑灌漿料形成柱帽。
2)灌漿料澆筑
上支墩灌漿料的澆筑，需要在梁柱節(jié)點(diǎn)的樓板上用水鉆開(kāi)4個(gè)咖200mm的洞。澆筑前需把與灌漿料接觸的地方全部鑿毛。
3. 10 臨時(shí)鋼柱支撐拆除
待支座上柱結(jié)構(gòu)試塊強(qiáng)度達(dá)到100%后，方可拆除臨時(shí)鋼柱支撐。拆除時(shí)，將油泵與千斤頂重新連接，增壓回頂，將自鎖螺母擰到頂端；配合監(jiān)測(cè)設(shè)備，逐級(jí)卸載，最后將臨時(shí)鋼柱支撐拆除。
3. 11 措施構(gòu)件拆除及修補(bǔ)
1)鋼支撐臨時(shí)基礎(chǔ)拆除 臨時(shí)鋼柱支撐的基礎(chǔ)在置換完成后將其破除，使其標(biāo)高與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)高相同。
2)反梁拆除 為增加原結(jié)構(gòu)梁抗剪承載力而施工的反梁，在隔震支座置換完成后需要將其全部拆除。
3)樓板施工開(kāi)鑿洞口封堵 在樓板上開(kāi)設(shè)的灌漿孔及觀察孔，在施工完成后將洞口表面浮渣剔除，用比樓板高一強(qiáng)度等級(jí)的微膨脹灌漿料處理平整。
4)沉降監(jiān)測(cè) 在隔震支座置換過(guò)程中每天監(jiān)測(cè)老樓以及擴(kuò)建部分的標(biāo)高，分析沉降位移是否超過(guò)允許誤差，并同時(shí)派人觀測(cè)每個(gè)置換節(jié)點(diǎn)處的位移變化。
4應(yīng)用效果
本工程共置換隔震支座120個(gè)，施工過(guò)程嚴(yán)格按照本施工工藝進(jìn)行，過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，施工完成后對(duì)原結(jié)構(gòu)基本無(wú)損壞。施工中運(yùn)用計(jì)算軟件對(duì)各工況進(jìn)行受力分析、對(duì)重難點(diǎn)施工工序進(jìn)行針對(duì)性深化設(shè)計(jì)并采取技術(shù)措施、運(yùn)用高壓水無(wú)損切除混凝土等新技術(shù)，保證了整個(gè)施工過(guò)程的順利進(jìn)行，并且極大縮短了工期。
5 結(jié)語(yǔ)
1)該施工工藝在解決了新規(guī)范對(duì)隔震結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)，攻破了大量施工難點(diǎn)，施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)破壞小、無(wú)污染，受到社會(huì)各界好評(píng)。
2)對(duì)于現(xiàn)有的隔震結(jié)構(gòu)，如需進(jìn)行改擴(kuò)建施工，可依照該施工工藝進(jìn)行。
3)高壓水無(wú)損剔除混凝土施工技術(shù)在建筑工程中應(yīng)用較少，通過(guò)本工程的施工實(shí)踐表明該技術(shù)在建筑工程中也能夠取得良好效益。
4)通過(guò)本工程對(duì)隔震支座置換的成功實(shí)踐，說(shuō)明該施工工藝能夠保證原結(jié)構(gòu)不受損的情況下，成功完成整個(gè)施工，具有極高的推廣價(jià)值。
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