武汉市行政服务中心 (市民之家) 工程位于武汉市江岸区金桥大道三金潭, 总投资10亿元。本工程主体结构为钢骨混凝土结构, 屋面为钢结构, 建筑面积123 290m², 建筑高度26.1~53.4m, 由于设计变更, 现将单体建筑高度为26.1m的3层建筑中的结构柱部分拆除, 由原来2跨12m的框架梁合并为1跨24m的框架梁, 如图1所示, 其中该单体1层层高为9m, 2层结构大跨度主梁截面为350mm×900mm, 待拆除框架柱截面为800mm×800mm, 框架柱拆除后, 大跨度框架梁的支座一侧为800mm×800mm的框架柱, 另一侧为900mm×1 000mm的钢骨混凝土柱。

房屋改造托梁拔柱加固过程中, 主梁的加固往往是通过预应力、粘钢或者增大梁截面的方式进行, 这些加固方式有局限性、费用较高, 可能后期会产生开裂、下沉等, 给结构带来一定的隐患, 在JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定“6.3.1框架结构的主梁截面高度可按计算跨度的1/18~1/10确定;梁净跨与截面高度之比宜≥4。梁的截面宽度不宜小于梁截面高度的1/4, 也宜≥200mm”, 根据该条文, 梁跨24m, 梁高合理取值通常为梁跨的1/12即2m, 过分增大梁高和梁宽将会不经济, 并且梁高、梁宽过大会影响使用和美观。因此, 为解决上述难点, 创造更大的跨度空间, 本工程采用钢箱梁进行加固。

1) 本工程1层层高9m, 现有结构已经完成, 待加固框架梁跨度为24m, 如继续用混凝土增大梁截面并按照最优跨高比计算, 梁高将达到2m, 不仅不经济还会影响美观, 于是本工程采用24m长的钢箱梁在原有框架梁上进行外包加固处理, 钢结构自重约12t, 分段进行吊装。

2) 本工程创新采用机电管线支架的安装方法, 通过电动葫芦和支架将钢箱梁分为3段吊装和固定, 最后无需搭设支撑脚手架平台, 仅通过一个移动式高空作业平台即可完成钢箱梁的分段焊接及注浆, 大大降低施工难度, 节约工期和施工成本。

3) 拔柱后的框架梁两侧支座变为框架柱和钢管混凝土柱, 框架柱采用全包钢加固, 钢骨混凝土柱采用节点包钢加固。

钢结构采用16mm厚Q345B箱形梁, 截面尺寸为550mm×1 500mm, 长24m, 分3段 (Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段) 进行拼接, 每段长8m, 钢箱梁制作完成后, 根据次梁截面和位置开槽预留。

如图2所示, 大跨度框架梁加固采用外包钢箱梁, 钢箱梁与框架梁之间有100mm的间隙, 通过高强灌浆料连接, 在框架梁顶部黏结受力钢板, 并通过锚栓固定, 待原有楼板浇筑混凝土恢复后, 在板下沿梁长方向焊接角钢。

框架柱采用全包钢加固, 与钢箱梁连接处直接焊接即可;钢骨混凝土柱节点加固如图3所示, 将钢骨混凝土柱与钢箱梁连接部位的混凝土凿开, 露出钢骨后与钢箱梁焊接牢固, 然后填补混凝土, 接着在节点范围2m高度内外包钢加固, 最后在梁柱节点处焊接加劲肋和加劲板即可。

首先采用325×5的钢管托撑进行次梁顶固, 托撑采用千斤顶顶固, 然后采用└100×8按每1.8m步距与钢管托撑之间焊接, 保证钢管托撑的整体稳定性。体系形成后钢管托撑能够承受住框架柱破除后所产生的结构荷载。钢管托撑的布置如图4所示。

框架柱拔除后, 梁的跨度由原来12m增大为24m, 其内力会随之发生变化。柱在拔除前, 该梁在柱两侧存在反弯矩;柱拔除后, 该梁在柱处承受最大弯矩作用。为保证拔柱后, 结构内力变化对待加固梁不产生不利影响, 同时为保证加固梁、柱结构体系内力、应力处于低应力 (甚至0应力) 状态, 需要在拔柱前对结构体系采用钢管托撑进行卸荷, 钢管支撑布置如图4所示。完成结构加固后, 拔柱对结构荷载分布影响由于钢托撑原因并未完全传至加固后的框架梁上, 因此需要对钢管托撑进行卸荷。为避免卸荷过程中产生冲击力, 影响结构、托撑的稳定性, 采取分级、分步的方式进行卸荷。截柱前、后卸荷步骤为:①采用有限元软件计算结构内力并优化支撑布置;②测量放线, 定位钢支撑位置;③次梁加固, 剔除框架梁边板混凝土;④架设钢支撑, 根据计算结果采用千斤顶施加反力;⑤采用无损切割切除需拔柱, 加强监测, 吊装加固钢梁, 加固柱;⑥待高强灌浆料胶及新浇混凝土达到强度要求后, 根据卸载顺序, 采用有限元软件计算确定每步卸载值, 采用千斤顶进行卸载。千斤顶每一步卸载15%的荷载, 按照先两边、后中间的对称方式卸荷。完成每一步卸荷后, 待结构稳定后再进行下一步卸荷。

钢箱梁分为3段进行吊装, 每段8m约4t, 首先用直径16mm的钢筋制作吊耳并焊接在钢箱梁两侧和前端箱形梁内, 然后用25t的QYT25型汽车式起重机将钢丝绳分别挂在汽车式起重机的吊钩和钢箱梁的吊耳上, 最后将每段钢箱梁起吊至1层外立面边缘。

在楼板上沿运输路线铺设圆钢管, 汽车式起重机靠近1层楼层外边线后, 将钢箱梁一端伸入到室内, 缓慢下落并搁置在圆钢管上, 松开靠近室内一侧的钢丝绳, 将电动葫芦与附近的框架柱捆绑, 将钢箱梁一端往室内拉, 待钢箱梁超过一半进入到室内楼层后, 松开外侧钢丝绳, 最后将钢箱梁一端拉至待加固的钢筋混凝土主梁下就位即可。

首先在2层待加固的钢筋混凝土主梁两侧楼板各凿穿200mm宽的板缝, 并在3层垂直方向的框架梁两侧楼板上开孔, 与2层板缝处在同一垂线上, 在3层框架梁梁顶处垂直放置1条枕木, 将一股钢丝绳穿过枕木与孔洞, 放置于2层即可, 然后将电动葫芦挂在钢丝绳上, 将电动葫芦上的起重吊钩穿过板缝并下放至钢箱梁上方, 通过钢丝绳与钢箱梁的吊耳连接。每段钢箱梁1/3处设置2处吊点 (需4个电动葫芦) 。吊装如图5所示。

首先将4个电动葫芦同时向上提升, 至钢箱梁贴合待加固的钢筋混凝土主梁梁底。然后垂直于板缝等间距放置2组钢管 (钢管悬挑于板缝上, 不与楼板接触) , 在每组钢管间穿入直径16mm的圆钢作为吊杆, 在吊杆下部套入角钢形成托架后, 再在上部套入角钢与钢管固定, 这样钢箱梁就被固定牢固了, 最后松开电动葫芦即可。每段钢箱梁需2组角钢托架支撑, 钢箱梁固定示意如图6所示。

钢箱梁Ⅰ段固定好后, 首先将其前端与凿开的钢骨混凝土柱焊接, 然后进行包钢处理, 接着焊接钢箱梁Ⅱ段和钢箱梁Ⅲ段, Ⅲ段与全包钢加固处理后的框架柱焊接即可。

钢箱梁侧面设有排气孔, 排气孔由下至上设置, 间距≤500mm, 从2层板缝处灌注高强灌浆料, 待灌浆料达到强度后, 即可逐一拆除钢箱梁底部角钢托架。

首先对板缝处进行清理和凿毛, 然后在板底钢箱梁上焊接角钢, 角钢宽度同板缝兼顾模板作用, 接着在角钢边缘用水泥在阴角部位堵住与结构之间的缝隙, 最后对板缝进行混凝土浇筑封闭, 混凝土达到强度后逐一拆除底部角钢托架。

卸载过程中, 通过对加固梁、次梁及钢管托撑进行监测, 截柱前, 千斤顶反顶加载后结构次梁变形满足要求且表面未出现裂纹。截柱加固后, 钢管托撑拆除过程中, 加固梁及次梁变形均满足设计要求。

本技术成功实施于武汉市行政服务中心 (市民之家) 工程, 施工过程中通过技术攻关创新实施了钢箱梁的运输、吊装和固定, 在钢箱梁的吊装过程中不需要搭设整体脚手架, 仅需一个移动式高空作业平台即可, 并通过将上一层框架梁作为支撑点, 设置了电动葫芦对钢箱梁进行分段提升, 同时在钢箱梁底部安装角钢托架的方式进行固定, 整个提升过程方便快捷, 安全可靠, 节约成本, 缩短了工期, 此项技术的成功实施, 对今后类似大跨度结构主梁托梁拔柱增设钢箱梁加固有一定的推广和借鉴作用。最后该技术总结并受理发明专利《一种钢筋混凝土结构主梁增设钢箱梁的加固方法》 (专利号:201610754887.2) , 该工程荣获2012—2013年度中国建设工程鲁班奖。