建筑增層是一種常見的工程改造形式。采用輕體結(jié)構(gòu)或輕鋼結(jié)構(gòu)可以使原基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)條件較好的建筑增加1~2層，其施工時將影響下一樓層的日常使用。采用外套式混凝土框架可以在不影響原建筑曰常使用的情況下實(shí)現(xiàn)建筑增層。一般外套式混凝土框架僅適于小平面建筑的增層，且因平面面積小即建筑高寬比大而不能增加過多樓層。外套式巨型混凝土框架可以使大平面建筑增加較多樓層，但由于其梁、柱截面都很大，使建筑層間高度及自重過大，若增加的樓層過多，既不經(jīng)濟(jì)也不利于結(jié)構(gòu)抗震。利用具有多個預(yù)應(yīng)力梁式轉(zhuǎn)換層的外套式巨型混凝土框架（以下簡稱預(yù)應(yīng)力巨型框架），能夠在不影響原建筑日常使用的條件下，最大限度的控制建筑的層間高度和自重，使普通的多層建筑增層形成有一定抗震能力的高層建筑。這對于用地較緊張的城市市區(qū)的舊房改造，是一種既經(jīng)濟(jì)又有實(shí)用價值的建筑增層改造方法。山西省陽泉市信托投資大樓擴(kuò)建工程是目前國內(nèi)采用預(yù)應(yīng)力巨型框架進(jìn)行增層改造，使大平面的三層建筑增加九層形成高層建筑的典型工程。本文闡述該工程設(shè)計與施工要點(diǎn)。
2工程概況和增層改造方案位于山西省陽泉市中心的信托投資大樓擴(kuò)建前的原建筑稱為紅樓，是一幢面積約為3000m2的三層紅色飾面中心商業(yè)樓，在陽泉市享有盛名。紅樓的主體為混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓板和屋面板為現(xiàn)澆混凝土板，因使用期較短，建筑各構(gòu)件完好無損。
為擴(kuò)大經(jīng)營業(yè)務(wù)范圍的需要，建設(shè)方希望能對原建筑進(jìn)行增層改造。具體要求是在不影響原建筑使用及商業(yè)經(jīng)營的同時盡可能的增加樓層，在擴(kuò)展建筑使用面積的同時盡可能節(jié)省投資。為達(dá)到這樣的目的，信托投資大樓的增層改造經(jīng)論證采用了外套式巨型混凝土框架的結(jié)構(gòu)型式。由于需增加的樓層較多，原建筑的平面尺寸為27mx 29.7m，如果各樓層樓面梁均設(shè)置大跨度混凝土梁，就會使建筑的層高過高、層間自重過大，既不經(jīng)濟(jì)也不利于結(jié)構(gòu)抗震。為此，該增層改造工程的樓層設(shè)置采取了以梁式轉(zhuǎn)換層支承多個普通樓層的作法，用以降低各樓層的層高和自重，同時剛性的轉(zhuǎn)換梁還可以加強(qiáng)巨型框架的整體剛度。為提高在超重荷載作用下大跨度轉(zhuǎn)換梁的剛度和抗裂度，梁內(nèi)需配置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力筋。
鑒于上述原因，陽泉市信托投資大樓增層改造工程的結(jié)構(gòu)方案為：采用具有兩個預(yù)應(yīng)力梁式轉(zhuǎn)換層的預(yù)應(yīng)力巨型框架結(jié)構(gòu)，每個轉(zhuǎn)換層支承四個普通標(biāo)準(zhǔn)樓層，使原有三層的多層建筑擴(kuò)展為12層的高層建筑，建筑面積由3000m2增加到12000m2.預(yù)應(yīng)力巨型框架柱沿原建筑的周邊設(shè)置，每邊四根共16根，其截面尺寸為：4層頂板（第1個轉(zhuǎn)換層）以下4層頂板以上1000mmx1500mm.每個轉(zhuǎn)換層由八根相互正交的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁組成，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸為800mmx2500mm，其中橫向轉(zhuǎn)換梁跨度為32.4m，縱向轉(zhuǎn)換梁跨度為29.77m.預(yù)應(yīng)力巨型框架立面見，預(yù)應(yīng)力梁式轉(zhuǎn)換層平面見。
3預(yù)應(yīng)力巨型框架設(shè)計與施工要點(diǎn)在預(yù)應(yīng)力巨型框架設(shè)計與施工時應(yīng)重點(diǎn)解決的主要技術(shù)關(guān)鍵問題是：巨型框架與原建筑之間的基礎(chǔ)處理；巨型框架與原建筑結(jié)構(gòu)的連系；大跨度預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁設(shè)計；大體積混凝土施工中的抗裂措施；預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁張拉前的支護(hù)和張拉時機(jī)。
3.1巨型框架與原建筑之間的基礎(chǔ)處理利用巨型框架對原建筑進(jìn)行增層改造時，框架柱通常與原建筑墻體非常接近甚至緊密接觸，作為多層建筑的原建筑其基礎(chǔ)埋深相對較淺，而巨型框架的基礎(chǔ)通常應(yīng)埋置很深，因此在巨型框架的基礎(chǔ)設(shè)計時必須注意采用合理的基礎(chǔ)型式和防止原建筑基礎(chǔ)的滑移。
陽泉市信托投資大樓增層改造工程的巨型框架基礎(chǔ)，經(jīng)方案比較采用了23.5m深大孔徑人工成孔混凝土灌注，身與原建筑的獨(dú)立基礎(chǔ)軸線左右錯開并緊靠原基礎(chǔ)向下嵌入基底微風(fēng)化層。利用人工成孔灌注作為巨型框架基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)在于其施工過程是人工挖孔且邊挖孔邊支護(hù)，施工時對原建筑基礎(chǔ)擾動很小，每次挖掘深度很小即用現(xiàn)澆的厚壁環(huán)形混凝土井套進(jìn)行支護(hù)，可以防止原建筑的基礎(chǔ)滑移。為約束身的位移，在原建筑基底以上標(biāo)高處用混凝土地梁將各灌注的身沿原建筑周邊封閉連接，在基礎(chǔ)頂部支承巨型框架柱的頂承臺厚度為1200mm. 3.2巨型框架與原建筑結(jié)構(gòu)的連系1994-20圖預(yù)應(yīng)力巨型fc架丨立面publish套式框架與原建筑結(jié)構(gòu)的連系1般/有兩種處理方當(dāng)采用外套式框架進(jìn)行建筑的增層改造時，外法。一種方法是外套式框架的框架柱與原建筑結(jié)構(gòu)之間保持一定縫隙，在此縫隙間設(shè)置減震帶，新舊建筑在水平荷載作用下可以分別變形，并通過減震帶的作用避免相互撞擊，這是一種軟連系的方法。減震帶常用減震橡膠制作，如橋梁結(jié)構(gòu)中的減震橡膠墊，其價格昂貴；另一種方法是外套式框架的框架柱與原建筑結(jié)構(gòu)緊密連系，并用周邊封閉式連梁在原建筑的樓板標(biāo)高處將各框架柱連結(jié)在一起形成約束圈梁，如同目前常見的抗震加固一樣，新舊建筑在水平荷載作用下可以同時變形，這是一種硬連系的方法。當(dāng)新舊建筑之間為硬連系時，若框架柱剛度較小，在水平荷載作用下外套框架隨原建筑的變形而變形；若框架柱剛度較大，則框架柱可以約束原建筑在水平荷載作用下的變形，原建筑隨外套框架的變形而變形。
陽泉市信托投資大樓增層改造工程的巨型框架與原建筑結(jié)構(gòu)之間采用的是硬連系方法。由于巨型框架的框架柱剛度充分大，完全能夠約束原建筑的水平變形，使新舊建筑形成整體因此可以不考慮新舊建筑在水平荷載作用下的相互撞擊及在豎向荷載作用下原建筑因基礎(chǔ)曾被輕微擾動所產(chǎn)生的基礎(chǔ)不均勻沉降。
3.3大跨度預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁設(shè)計在預(yù)應(yīng)力巨型框架設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的計算模型是由支承于預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁上的各樓層梁柱與預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁疊合在一起形成的集中質(zhì)量組合框架梁和巨型框架柱組成的巨大的框架。其中巨型框架柱是主要受力構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁是關(guān)鍵受力構(gòu)件。預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁必須承擔(dān)大量的重力荷載作用，包括本層樓面?zhèn)鬟f的均布恒載及活荷載和由作用其上的各樓層恒載和活荷載組成并通過各上層柱傳遞的超重集中荷載；與此同時，預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁還必須協(xié)同框架柱承擔(dān)水平荷載作用。無論是風(fēng)荷載還是地震荷載，水平荷載總是往復(fù)作用于巨型框架，用兩方向作用的水平荷載分別與重力荷載組合，使梁的內(nèi)力截然不同，因此對于預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁這種關(guān)鍵受力構(gòu)件進(jìn)行配筋設(shè)計時，不應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力筋作為構(gòu)件的極限承載力配筋，而僅作為用于提高構(gòu)件剛度和抗裂度的配筋。
陽泉市信托投資大樓增層改造工程中的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁為兩端嵌固于巨型框架柱的單跨梁，軸線間計算跨度324m，梁的截面高度2. 5m，為跨度的框架，因此結(jié)構(gòu)計算模型可視該巨型框架是由巨型框架柱和兩層集中質(zhì)量組合框架梁及屋頂梁組成的巨大的三層框架。預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁除承擔(dān)水平荷載作用外，尚承擔(dān)大量重力荷載作用，包括本層樓面?zhèn)鬟f的均布恒載和活荷載及上面三個樓層的恒載和活荷載組成的集中荷載，預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁各跨中節(jié)點(diǎn)處的重力集中荷載作用值約為5000kn.因此，該工程中的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁具有大跨度、大體積、重荷載的特點(diǎn)。
鑒于上述特點(diǎn)，在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁設(shè)計時的配筋原則為：普通鋼筋配筋應(yīng)滿足梁的極限承載力要求；預(yù)應(yīng)力筋配筋應(yīng)滿足梁的剛度和抗裂度要求；在集中荷載作用點(diǎn)密布抗剪箍筋用于抵抗集中荷載對梁的沖切作用；梁的抗裂構(gòu)造筋以握裹力較好的小直徑螺紋鋼筋小間距均勻布置。
因該工程轉(zhuǎn)換梁中的預(yù)應(yīng)力筋僅用于提高構(gòu)件剛度和抗裂度，所以轉(zhuǎn)換梁采用后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁以便于施工，梁的混凝土強(qiáng)度等級為c40，預(yù)應(yīng)力筋為1860mpa級。在按現(xiàn)行國家規(guī)范計算預(yù)應(yīng)力筋配筋時，為嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換梁的抗裂度，取混凝土拉應(yīng)力限制系數(shù)a=0，即不允許梁的受拉區(qū)邊緣混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力0.7/ptk（/ptk為鋼絞線強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）。
3.4大體積混凝土施工中的抗裂措施目前，國內(nèi)已建成的大量大跨度大平面混凝土建筑，在使用初期即出現(xiàn)很多因溫度變形產(chǎn)生的收縮裂縫，構(gòu)件中的這些裂縫不但影響建筑的正常使用和耐久性，甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)的承載能力。當(dāng)現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件為高強(qiáng)度大體積時，因水泥用量大，構(gòu)件中的水泥水化熱不易及時排出，以致過多的熱應(yīng)力積累使構(gòu)件更容易出現(xiàn)溫度變形和收縮裂縫。
陽泉市信托投資大樓增層改造工程中的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁截面和跨度均很大，已構(gòu)成現(xiàn)澆大體積混凝土的施工，因此必須采取有效措施，減輕水泥水化熱的影響，避免梁的溫度變形和收縮裂縫以及預(yù)應(yīng)力張拉前梁的下垂引起的裂縫。
經(jīng)施工方案的研究，對預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁的施工采取兩種抗裂措施：一是在支模時使轉(zhuǎn)換梁起拱，拱高取梁跨的1.5/1000即50mm；二是混凝土分三層澆注，以便使水泥水化熱有一定的時間排出，混凝土分層澆注的處理方法按現(xiàn)行國家規(guī)范執(zhí)行。按上述設(shè)計和施工方案施工的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁，經(jīng)近一年的檢3.5預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁張拉前的支護(hù)和張拉時機(jī)在預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁的施工過程中，轉(zhuǎn)換梁的混凝土澆注后在未達(dá)到要求的強(qiáng)度之前不能張拉預(yù)應(yīng)力筋，這是眾所周知的常識。因?yàn)樵跊]有強(qiáng)度的混凝土中不可能建立起預(yù)應(yīng)力，如果此時進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉只會引起構(gòu)件的破壞。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的混凝土已達(dá)到所要求的強(qiáng)度而其上沒有其它樓層作用時仍不能張拉預(yù)應(yīng)力筋。這是因?yàn)樵陬A(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計時，預(yù)應(yīng)力筋配筋計算是以預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁及其所支承的各樓層重力荷載之和為平衡荷載的，如果轉(zhuǎn)換梁上沒有其它樓層或只有很少樓層，則總重力荷載過小，轉(zhuǎn)換梁中預(yù)應(yīng)力提供的平衡荷載過大，將使轉(zhuǎn)換梁反拱過大而引起反向裂縫。因此，轉(zhuǎn)換梁中的預(yù)應(yīng)力筋張拉必須在轉(zhuǎn)換梁及其所支承的多個樓層基本完成混凝土澆注施工后才可進(jìn)行。也就是說，在轉(zhuǎn)換梁上已作用的重力荷載接近預(yù)應(yīng)力提供的平衡荷載而不致引起轉(zhuǎn)換梁反拱過大的情況下才能張拉預(yù)應(yīng)力筋。由于上述原因，引出預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁施工中的兩個問題：其一是在張拉預(yù)應(yīng)力筋之前轉(zhuǎn)換梁不可能支承多個樓層傳遞的重力荷載，所以必須采用有效的支護(hù)；其二是轉(zhuǎn)換梁上有多少個樓層的重力荷載作用時其值才能接近預(yù)應(yīng)力提供的平衡荷載，而不致引起轉(zhuǎn)換梁的過大反拱，這也就是預(yù)應(yīng)力筋張拉時機(jī)問題。這兩個問題涉及到施工時的支撐體系和支撐周轉(zhuǎn)。
陽泉市信托投資大樓增層改造工程中的第一個轉(zhuǎn)換層是在大樓的第4層，所以預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁的支撐應(yīng)作用于3層頂板上，即原建筑的屋面板。該層板在原設(shè)計中雖然是上人屋面，但其單位面積上所能承擔(dān)的重力荷載很小，不足以支承預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁和作用于轉(zhuǎn)換梁上的多個樓層的重力荷載。為此，該工程的第一個轉(zhuǎn)換層各轉(zhuǎn)換梁下的支撐采用了鋼桁架，并通過鋼桁架將支承的重力荷載均勻的分配到原建筑的框架柱頂上。
經(jīng)計算分析，當(dāng)預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁上作用有70%的計算重力荷載時，預(yù)應(yīng)力提供的平衡荷載才不致引起轉(zhuǎn)換梁的過大反拱，因此轉(zhuǎn)換梁中的預(yù)應(yīng)力筋張拉必須在完成三個標(biāo)準(zhǔn)樓層的混凝土澆注施工后才能進(jìn)行，所以工程中的周轉(zhuǎn)支撐應(yīng)滿足三層樓面的施工支護(hù)。為減少周轉(zhuǎn)支撐的用量、節(jié)省投資和避免過大的樓層自重和施工荷載作用于3層頂板，施工中采用了分級張拉預(yù)應(yīng)力筋的方法，使預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁能夠逐步承擔(dān)其上各樓層的自重荷載及施工荷載。
4小結(jié)目前，國內(nèi)正在進(jìn)行大量的舊城改造工作，利用原結(jié)構(gòu)較好的建筑，采用預(yù)應(yīng)力巨型框架增層改造，可以節(jié)約大量投資，擴(kuò)展出希望得到的建筑使用面積，是一種值得推廣的建筑改造方法。本文介紹了山西省陽泉市信托投資大樓用預(yù)應(yīng)力巨型框架增層改造的典型實(shí)例，簡明扼要的闡述了設(shè)計與施工中的主要技術(shù)關(guān)鍵問題和相應(yīng)的處理措施，可以總結(jié)為：用預(yù)應(yīng)力巨型框架進(jìn)行建筑增層改造時，其基礎(chǔ)可以使用人工成孔灌注。其特點(diǎn)是：人工挖孔且邊挖孔邊支護(hù)，可以基本不擾動原建筑基礎(chǔ)并能夠防止原建筑基礎(chǔ)的滑移。
用預(yù)應(yīng)力巨型框架進(jìn)行建筑增層改造時，框架柱與原建筑結(jié)構(gòu)宜采用硬連系的方法，既可以實(shí)現(xiàn)建筑的增層改造，又可以約束原建筑，同時還可以防止新老建筑在水平荷載作用下的相互撞擊。
在預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁設(shè)計中，配筋原則為：普通鋼筋配筋應(yīng)滿足構(gòu)件極限承載力的要求；預(yù)應(yīng)力筋配筋應(yīng)滿足構(gòu)件剛度和抗裂度的要求；集中荷載作用點(diǎn)應(yīng)密布抗剪箍筋；構(gòu)件抗裂構(gòu)造筋應(yīng)以握裹力較好的小直徑螺紋鋼筋小間距均勻布置。配筋計算時應(yīng)取混凝土拉應(yīng)力限制系數(shù)a=，以便嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁的抗裂度。
受彎構(gòu)件大體積混凝土施工時，為防止溫度變形和收縮裂縫，宜采用支模時預(yù)先起拱和混凝土分層澆注的方法。
在預(yù)應(yīng)力巨型框架施工時，第1個轉(zhuǎn)換層的預(yù)應(yīng)力筋張拉前應(yīng)進(jìn)行模板的有效支護(hù)，并將施工期的重力荷載分散傳遞到原建筑的豎向構(gòu)件上，張拉時機(jī)應(yīng)根據(jù)計算分析確定。
按上述技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計和施工的陽泉市信托投資大樓增層改造工程現(xiàn)已竣工近一年其基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁均良好，尤其是大跨度重荷載的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁未發(fā)現(xiàn)任何裂縫。可以說該工程是一個典型工程，本文所述內(nèi)容具有一定的工程價值。
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