无锡某宗教项目位于江苏省无锡市灵山风景区内, 总建筑面积为52 589m², 主要功能区域有主门厅、塔厅、廊厅、世界佛教协会主会场、办公接待区、餐饮服务区、办公会议区和宴会厅等场所, 是佛教等相关活动的高档聚集场所。因2016年11月发生火灾事故, 需对塔厅部分进行加固。原塔厅部分设置了3道预应力转换层来实现建筑的造型与功能, 火灾后的结构修复必须考虑结构布置的传力次序, 开展系列研究和应用:采用塔厅建筑转换层钢斜撑液压顶升加固的各项技术, 实现了标高22.400m结构转换层的塔厅内侧转换梁的修复, 确保结构安全 (见图1, 2) ;并在此基础上, 经过深入总结提炼形成本关键施工技术, 为今后类似工程施工提供借鉴与参考。

此次塔厅建筑火灾局部温度>800℃, 查询相关文献资料发现温度对预应力钢筋影响较大, 目前没有有效手段进行详细测试, 如果不考虑预应力钢筋作用, 标高22.400m结构转换层梁的承载力不满足受力要求。由于塔厅建筑结构独特, 空间狭小, 原有预应力梁配筋率较大, 且双向交叉, 常规加大截面、包钢等加固措施无法满足塔厅建筑受力要求, 增加支撑成为解决构件承载力不足的最有效方法, 增加支撑后, 既解决施工期间结构加固需卸载问题, 又可作为永久支撑, 满足建筑受力要求。

增设钢斜撑后对结构进行受力分析, 钢斜撑施加力1 600k N作用于标高22.400m转换层位置, 实际向22.400m以上作用约1 117k N力, 原22.400m以上结构恒荷载约为2 600k N, 相当于增设钢斜撑后卸载约43%作用力;22.400m结构预应力梁框架 (验算不考虑楼板作用) 按照普通钢筋计算能满足强度要求, 对主要受拉框架梁进行抗弯验算, 裂缝按0.3mm控制, 验算满足要求;钢斜撑下节点处楼板最大拉应力为1.072N/mm² (<f_t=1.7N/mm²) , 钢斜撑上节点处楼板最大拉应力为1.056N/mm² (<f_t=1.7N/mm²) , 均满足设计要求, 如图3, 4所示。

1) 钢斜撑构造复杂, 节点的连接要求及加工精度较高, 本工程采用BIM施工技术, 将钢斜撑主要构件进行分解, 确定构件精确尺寸, 实现了工厂化加工, 提高了工效。

2) 本工程施工区域为正八边形内10m (宽) ×10m (高) 的封闭空间, 作业场地狭小, 钢斜撑施工工序较多, 施工难度大, 工序的控制尤为关键。

3) 本工程共新增8个钢斜撑, 施压过程中各点千斤顶的同步性需有效把控, 钢斜撑顶升最大压力为1 600k N, 如何控制施加压力是关键。

4) 钢斜撑连接完毕及分级施压完成后, 需确保卸载过程中各点千斤顶的同步性。

5) 构件工厂批量生产, 现场装配式安装, 受限空间内无法利用大型施工机械施工。

6) 原标高22.400m大梁为后张法预应力梁, 增设钢斜撑后一方面可解决预应力梁过火之后无法检测的难题, 同时也解决了常规修复需要进行结构卸载的问题。

1) 熟悉图纸, 配合深化设计师进行现场复核与深化, 经设计单位确认后进行现场施工。

2) 检查原有混凝土结构施工偏差, 发现问题及时解决;确定钢斜撑构件尺寸、编号、位置及安装施工顺序。

3) 设计及搭设新型盘扣式高空操作架, 架体严格控制荷载, 不得作为承重架体使用, 架体验收合格后方可使用。

对原土建的基准中心线、水平线进行复测, 并在柱面弹出钢斜撑的安装控制线及标高, 定出上、下节点尺寸及位置后, 进行钢斜撑上、下节点的施工。

根据图纸及规范要求进行钢筋绑扎, 然后放置预先加工好的预埋板, 测量复核无误, 经验收后进行自流平水泥基灌浆料浇筑, 待达到设计强度后进行预埋钢板耳板的定位及焊接;耳板的定位必须与钢斜撑上节点耳板处于同一轴线, 否则斜撑管将无法就位安装;下耳板焊接与上耳板焊接同时进行, 如图6所示。

1) 将疏松层敲除, 敲除后如表面不平整, 采用聚合物砂浆进行局部修整。

2) 化学锚栓植筋按照侧钢板的锚栓孔放线到梁侧面, 钻孔施工按照植筋工序要求进行。

3) 侧钢板固定通过化学锚栓将侧面钢板固定在梁侧面。

4) 局部包钢将角钢与缀板外包完成, 拼接焊接, 上部粘贴环向钢板, 加劲板后固定。

5) 安装固定斜撑端钢板将组件钢板拼接焊接在钢侧板上, 对钢板进行加工焊接拼接。

6) 上节点耳板定位必须与钢斜撑下节点耳板处于同一轴线, 以保证斜撑管就位安装。耳板施工前采用模拟杆件预安装, 保证耳板安装精度, 模拟杆件采用轻质材料, 外观尺寸与预安装钢斜撑相同。

为保证10m (宽) ×10m (高) 的封闭空间内便于钢斜撑起吊施工, 根据现场情况合理设置钢斜撑辅助吊点1, 2, 3, 因吊点设置位置结构受损较小, 且钢斜撑质量不大 (2t) , 采用4根M12化学螺栓配合10mm厚钢板可以满足吊装钢斜撑时所需的抗拉及抗剪要求, 如图7所示。

1) 起吊上斜撑管采用3个辅助吊点安装手拉葫芦, 将上斜撑依次向内部移动, 最终到位后, 上斜撑用钢销钉固定。最终状态为手拉葫芦和钢销钉的两点固定, 如图8所示。

2) 起吊下斜撑管液压千斤顶在下斜撑管吊装前已固定在上斜撑管内管中, 在下斜撑管内管提升过程中, 应先对准并插入上斜撑的内管, 然后再调节高度, 用钢销钉固定在下耳板中, 如图9所示。

3) 中部连接板焊接钢斜撑上、下钢管采用连接板连接, 连接板规格为720mm×180mm×20mm, 采用焊缝连接, 液压顶升加载前先完成连接板与上斜撑管的焊接工作, 待液压顶升加载完成后再进行连接板与下斜撑管的焊接连接工作。如图10所示。

现场共计8根钢斜撑, 由2台液压泵站分别控制顶升过程, 利用信号线将2台泵站连接。油管连接时, 先连接进油管, 再连接回油管。

1) 设备调试各项准备工作完成后, 检测位移信号连接是否正常, 人工拉线查看位移值是否变动;检测压力信号是否连接正常;开启泵站检查PLC同步控制系统是否正常。

2) 加载调试开启泵站, 进行预加压, 分别对2台泵站连接的千斤顶供油, 检查千斤顶伸缩方向和油管是否漏油, 如千斤顶方向正确, 油管没有出现漏油, 可进行正式加载, 如果有漏油等情况, 需立刻更换油管, 重新进行调试, 待各项指标正常后方可进行正式加载。

3) 正式加载在PLC液压同步控制系统中按照设计要求将各组荷载进行分级设置, 各组设置压力上限, 按照设计荷载分级, 总共分为5级进行加载。将液压泵站上的8个控制点均打开, 进行加压操作, 顶升力设定按照设计要求进行, 观测对应的位移变化, 记录数据, 加载结束后, 关闭截止阀, 取下位移传感器, 同时在稳压状态下进行现场焊接施工, 需要注意的是, 在加载过程中以力控制为主, 位移控制为辅, 当力未达到设计要求时, 继续加载至设计要求。若出现位移差值达到警示值时 (1mm) , 荷载未达到设计要求, 则需与设计单位分析原因, 解决问题后继续进行加载施工。分级加载及持荷时间如表1所示。

钢斜撑液压顶升加载前已完成连接板与上斜撑管的焊接连接, 液压顶升加载完成, 在稳压情况下, 进行连接板与下斜撑管的焊接连接, 焊接完成并经各方验收通过后可进行卸压工作。

顶升加载完成且验收合格后, 钢斜撑上节点刚接部分外侧外包钢筋, 从标高22.400m楼板预留孔灌注灌浆料形成混凝土节点, 如图11所示。

脚手架拆除前, 所有构件进行全面检查, 待全面检查验收合格后方可落架。拆架时应特别注意安全和对构件的成品保护, 不得随意抛掷, 避免砸坏构件。

1) 钢斜撑构件及焊接材料的品种、规格、性能等应符合现行国家产品标准和设计要求。

2) 钢斜撑焊缝表面不得有裂纹、焊瘤、表面气孔、夹渣、咬边等缺陷, 否则需及时采取措施进行补救。

3) 封闭空间内设置照明系统及备用电源, 保证空间内照明及连续作业。

4) 施工钢斜撑下节点, 灌浆料浇筑前将下节点预埋件固定, 浇筑完成后养护, 养护必须达到设计要求的强度, 否则承压不足将导致灌浆料压裂。

5) 钢斜撑工序多, 施工复杂, 且采用新技术、新设备, 需对作业人员进行专门的安全技术交底, 保证作业人员熟悉操作规程, 熟练掌握施工安全技术操作技能。

6) 安装过程中检查长度、标高、中心偏移等控制要素, 确保质量满足规范及设计要求 (见表2) 。

7) 选用适当的电焊机、稳压器及焊接辅助装置如干燥箱、保温筒等, 确保焊接所需的装备完整, 能满足质量保证的需要, 焊前焊条必须烘干处理。

8) 焊接施工顺序对焊接变形及焊后残余应力有很大影响, 焊接时为尽量减少结构焊接后的变形和焊后残余应力, 结构焊接应尽量实行对称焊接, 使结构受热点在整个平面内对称、均匀分布, 避免结构因受热不均而产生扭曲和较大焊后残余应力。

无锡某宗教项目塔厅结构火灾后, 由于标高22.400m预应力梁目前无有效手段检测预应力损失, 常规加大截面、包钢等加固措施均无法满足塔厅建筑受力要求, 通过有限元模拟分析, 采用钢斜撑液压多级加载顶升加固、PLC液压同步控制系统技术等, 有效解决了塔厅转换层结构火灾后承载力不足、结构卸载、狭窄空间加固施工等难题, 施工便捷, 缩短了工期, 降低了施工费用, 为今后类似工程的施工提供借鉴与参考。