1 工程概况

　　 改建项目塔楼高144.6m, 主体结构已封顶，因建筑布局调整，首层以上需全楼拆除4片主抗侧力剪力墙。项目的工程概况、基本建筑信息以及改建结构方案等见文献[1]。改建过程项目实景照片见图1。

　　 图1 改建过程项目实景照片 

　　  

　　 本文以7#楼为例，重点介绍塔楼采取的分段、同步拆、建施工方案，关键施工技术及主要的施工阶段验算内容。

2 平面拆除设计

　　 (1)拆除顺序：楼板→次梁→主梁→剪力墙，采用光碟切割机及绳锯切割设备，保留钢筋范围用小型冲击钻设备打凿，原结构标准层平面布置见图2,结构标准层拆除完成后平面布置见图3。

　　 (2)楼板的新旧混凝土交界位置，采用凹凸打凿方式，增加新旧混凝土连接的接触面积，提高楼板水平力传递的可靠度，见图4。

　　 (3)对于钢梁与主体结构的连接节点区域，混凝土梁头采用梯级打凿的方式，以提高竖向剪力传递的可靠度，见图5。

　　 图2 原结构标准层平面布置

　　  

　　 图3 结构标准层拆除完成后平面布置 

　　  

　　 图4 楼板新旧混凝土交界位置打凿完成面示意 

　　  

　　 图5 钢梁与主体结构的连接节点区混凝土梁头打凿要求 

　　  

　　 (4)为最大限度地保护钢梁连接的混凝土梁梁头的完整性，避免打凿过程损伤，采取了以下施工顺序：工序1(绳锯竖向切割混凝土主梁)→工序2(绳锯水平切割梯面，或用直径800mm的水钻钻穿)→工序3(用直径80mm的水钻钻穿梯级下段)→工序4(采用小型冲击钻分段凿除工序2中切割面上下的区域，形成梯形连接面)→工序5(人工细凿),见图6,7。

3 竖向施工设计

　　 结构拆除自上而下施工，拆建全过程需满足结构整体稳定、抗侧刚度、承载力等需求，竖向施工方案 ^[2]考虑以下几点：

　　 (1)理论上采取自上而下施工，拆除一层同步恢复一层，再向下一层进行循环施工。这样的施工方式对主体结构最有利，影响也最小。但施工速度慢，无法满足工程需要。

　　 (2)采取分段同步的施工方案。分段指一次性拆除的楼层及重建的范围，同步指各分段之间按指定约束条件同步施工，如：施工分段最多拆除的楼层数；下一分段拆除施工开始前，上一分段最少新建楼层数及钢柱封闭的楼层数等。分段同步的方式是基于全施工过程结构整体稳定、墙肢稳定、抗侧刚度、构件承载力等满足指定可靠度要求下所确定的。

　　 图6 钢梁连接区混凝土梁头打凿施工顺序 

　　  

　　 图7 混凝土梁头施工现场图片 

　　  

　　 (3)施工分段间的相互约束条件，本质上是拆和建之间的条件，即拆除楼层的同时必须按相应阶段恢复一定的楼层。如若不带约束条件，楼层只拆除不恢复，会导致非拆除区剪力墙失稳倒塌，结构抗侧刚度不能满足施工阶段抗风、抗震要求，存在安全隐患。

　　 以本项目塔楼为例，全楼竖向共分九个施工段，自上而下，施工段所含楼层数逐段减少，层数从7层减少至2层。施工段二、八完成状态1-1剖面(图3)示意图见图8,施工约束条件见表1。

　　 图8 施工段完成状态1-1剖面示意图 

　　  

　　 施工段层数划分与剪力墙稳定受力相关，从层数划分上看，上部楼层承受的竖向力小，所以施工段划分的层数多；下部楼层承受的竖向力大，所以施工段划分的层数少，说明施工段层数划分规则符合受力规律。

　　 楼层的拆除与恢复施工同步，保证结构在施工各阶段保持稳定，同时满足抗侧刚度及构件承载力需求。

　　 施工段二的施工约束条件说明如下：1)施工段一为屋面层楼面标高～41层楼面标高范围，不包括41层梁板；2)施工段二为41层楼面标高～35层楼面标高范围，不包括35层梁板；3)41层开始拆除前(新施工段的第一个被拆除楼层),新建42层(上一施工段的最后一个楼层)梁板必须施工完毕，否则不允许拆除；4)38层开始拆除前(新施工段的第一个中间拆除层),新建43层(上一施工段的倒数第二楼层)梁板必须施工完毕，否则不允许拆除；5)37层开始拆除前，新建42层的钢柱必须封闭，否则不允许拆除。其余施工阶段同理类推，最终完成项目的拆、建施工全过程。

　　 施工段二、八的约束条件表1 

施工分段		施工段二			施工段八
		拆除 楼层	新建 楼层	钢柱封 闭楼层	拆除 楼层	新建 楼层	钢柱封 闭楼层
施工 段一	屋面	○1			○1	△
	46	○2			○2	△	□
	45	○3			○3	△	□
	44	○4			○4	△	□
	43	○5	△2		○5	△2	□
	42	○6	△1	□	○6	△1	□
	41	○7			○7
施工 段二	40	○8			○8
	39	○9			○9	△
	38	○10			○10	△	□
	37	○11			○11	△4	□
	36	○12			○12	△3	□
	35	○13			○13
施工 段三	34				○14
	33				○15	△
	32				○16	△	□
	31				○17	△6	□
	30				○18	△5	□
	29				○19
施工 段四	28				○20
	27				○21	△
	26				○22	△	□
	25				○23	△8	□
	24				○24	△7	□
	23				○25
施工 段五	22				○26
	21				○27	△
	20				○28	△	□
	19				○29	△10	□
	18				○30	△9	□
	17				○31
施工 段六	16				○32
	15				○33	△
	14				○34	△12	□
	13				○35	△11	□
	12				○36
施工 段七	11				○37
	10				○38	△14
	9				○39	△13	□
	8				○40
施工 段八	7				○41
	6				○42
	5				○43
施工 段九	4
	3

 

　　 注：○为拆除楼层位置，符号右下角数字是楼层拆除顺序；△为新建楼层位置，符号右下角数字是楼层新建顺序；□为完成钢柱封闭的楼层位置。

　　  

　　 从施工段八完成状态(图8)看，此阶段楼层拆除已接近完成，恢复楼层数已超过50%。由此可见，拆、建的约束条件是施工过程结构整体稳定及安全的重要保障。

4 施工段验算

　　 拆、建过程是主体结构在已受力状态下，受力条件、荷载条件及边界条件不断变化的过程。结构的变化过程容易出现安全隐患，施工段验算工作尤为重要。以下重点介绍施工段墙肢稳定的复核以及提高墙肢稳定性的施工措施。

4.1 墙肢稳定复核

　　 楼层拆除过程中，中部南侧剪力墙的层高会不断增加，位置见图3,墙肢及结构的稳定性复核 ^[3]对结构安全十分重要。

4.1.1 荷载输入

　　 楼面恒、活载按正常使用恒、活载(包括楼地面的附加恒载以及砖墙荷载)取值；偏安全地考虑相应上部楼层的改建已全部完工；风荷载按10年一遇基本风压取0.5kN/m²。

　　 恒、活载按楼层正常使用荷载取值，但实际施工阶段没有砖墙、楼面附加恒载。考虑相应的上部楼层已全部完工，实际情况是上部仅部分楼层恢复，在荷载取值上，提供了足够的安全冗余。

4.1.2 墙肢验算

　　 采用MIDAS Gen软件分别按真实边界条件和不考虑有利约束边界条件(图3)进行模型验算；并采用规范公式进行稳定验算。

　　 采用MIDAS Gen软件按真实边界条件进行整体模型验算。经分析，各施工段的墙肢屈曲模态基本相似，其中底部施工段八、九的第1阶屈曲模态见图9。

　　 图9 施工段八、九第1阶屈曲模态  

　　  

　　 墙肢屈曲力与实际墙肢轴力的比值，即安全系数达到26.31～38.14,说明有足够的安全冗余。施工段六的安全系数为26,施工段六以上施工段，安全系数随施工段位置的增高而增加；施工段六以下施工段，安全系数随施工段位置的降低而增加。施工段五～九计算结果见表2。

　　 真实边界条件时墙肢稳定分析结果 表2

施工段	实际高度/m	计算长度/m	屈曲力/kN	轴力/kN	安全系数
九	9.45	7.54	2 931 404	76 861	38.14
八	12.60	8.56	2 275 454	70 291	32.37
七	15.75	9.50	1 846 755	61 645	29.96
六	18.90	11.11	1 352 569	51 405	26.31
五	22.05	11.53	1 255 392	39 127	32.09

 

　　  

　　 采用MIDAS Gen软件，不考虑有利约束边界条件，即被验算剪力墙取消与北侧相连的梁、板有利约束，进行整体模型验算。施工段五～九计算结果汇总见表3。

　　 不考虑有利约束条件时墙肢稳定分析结果 表3

施工段	实际高度/m	计算长度/m	屈曲力/kN	轴力/kN	安全系数
九	9.45	11.13	1 346 787	76 861	17.52
八	12.60	13.29	944 914	70 291	13.44
七	15.75	15.21	721 067	61 645	11.70
六	18.90	16.78	592 461	51 405	11.53
五	22.05	17.94	518 614	39 127	13.25

 

　　  

　　 由表2,3可以看出：1)不考虑有利约束条件时的墙肢屈曲力为考虑真实约束条件时的30%～50%,北侧梁、板提供的实际约束作用对墙肢的稳定有利，符合受力判断；2)在不考虑有利约束条件时，安全系数达11.53～17.52,仍然有足够的安全冗余。

　　 图10 墙肢规范验算简图 

　　  

　　 采用规范公式进行稳定验算，不考虑北侧翼墙及周边梁、板对墙肢的有利约束。验算墙肢腹板以及南侧翼墙平面内稳定，计算简图见图10,分析结果见表4,5。

　　 墙肢腹板稳定验算结果 表4

施工段	墙体高度 /m	腹板稳定极限 轴力/kN	轴力/kN	安全 系数
九	9.45	147 914	23 065	6.412
八	12.60	136 054	21 046	6.464
七	15.75	87 074	18 366	4.741
六	18.90	60 468	14 817	4.081
五	22.05	44 425	11 242	3.951

 

　　  

　　 图11 墙肢增加临时支撑时平面布置 

　　  

　　 图12 墙肢临时支撑现场图片  

　　  

　　 图13 远程激光位移传感器  

　　  

　　 图14 远程表面应变监测系统 

　　  

　　 图15 数据采集、无线传输、检测云平台模型 

　　  

　　 翼墙稳定验算结果 表5

施工段	墙体高度 /m	腹板稳定极限 轴力/kN	轴力/kN	安全 系数
九	9.45	221 518	53 796	4.117
八	12.60	124 604	49 245	2.530
七	15.75	79 746	43 279	1.842
六	18.90	55 379	36 588	1.513
五	22.05	40 687	27 885	1.459

 

　　  

　　 由表4,5可以看出：1)按规范公式验算时，由于未考虑有利约束条件，结构安全系数减小，符合受力判断；2)按规范公式验算时，安全系数为1.5～6.5,仍然有足够的安全冗余。

　　 由以上分析可以看出，不同的计算方式、不同的边界条件，且在冗余度较高的荷载工况作用下，墙肢稳定性可以满足规范要求且具有足够的安全冗余。

4.1.3 墙肢加强措施

　　 (1)考虑理论分析与实际结构可能存在的偏差，如：垂直度、截面尺寸、配筋率、混凝土强度、浇筑等因素，增加施工临时措施，见图11,12。

　　 (2)考虑项目位于台风频发的沿海地区，为确保施工阶段的安全，设计要求改建施工期间，塔楼各层门窗不能封闭，以减小受风面积，降低施工期间风荷载效应。按相应的透风率反算，施工阶段主体结构可抵御100年一遇的风压。

4.2 其余复核内容

　　 其余复核按各施工阶段最不利工况并采用包络设计的方法，复核内容包括整体刚度、各类构件承载力、基础承载力及变形等，复核结果均满足规范 ^[4,5]要求。

5 施工监测内容

　　 为了确保整个拆、建过程能处于安全、可控的状态，针对结构受力特点，全施工过程增加以下监测内容 ^[6],见表6及图13～15。主体结构施工已接近尾声，截止目前，未收到监测数据超出警戒值的情况。

　　 监测内容 表6

监测内容	位置	监测方法	设备
沉降监测	首层拆除区 周边剪力墙	人工监测	全站仪 电子水准仪
剪力墙的 水平变形	首层、地下 1层剪力墙	自动监测	激光位移 监测计
	各层拆除区 周边剪力墙	自动监测	墙体表面 应变计
塔楼整体 水平变形	塔楼外围 剪力墙	人工监测	全站仪 电子水准仪

 

　　  

6 结语

　　 该项目改建施工采用了基于相互约束条件的分段，同步拆、建技术方案，各施工分段之间相互约束的施工方案，该施工方案是项目施工的需要也是结构受力所需。拆、建施工过程，主体结构在已受力状态下，受力、荷载以及边界条件不断变化，施工阶段验算工作对保障结构安全尤为重要。

　　 目前项目主体结构施工已经接近尾声，塔楼所有楼层拆除接近完成，相应楼层的恢复按既定的施工方案要求同步完成。项目施工期间曾遭遇过两次超强台风“山竹”、“天鸽”正面袭击，台风最大风力达到16级，主体结构保持完好无损，满足预设目标。