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已建超高層建筑拆除剪力墻的結(jié)構(gòu)與施工分析

文/陳招智

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該項(xiàng)目是全國(guó)首例超高層住宅拆除剪力墻改變戶型的實(shí)際案例，由廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所（普通合伙）設(shè)計(jì)以及配合施工完成。結(jié)構(gòu)改建采用局部鋼框架體系及基于相互約束條件的分段、同步拆、建施工方案。現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)已完工，施工期間遭遇兩次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”、“天鴿”正面襲擊，臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)力達(dá)16級(jí)，主體結(jié)構(gòu)保持完好，無(wú)開(kāi)裂，滿足預(yù)設(shè)目標(biāo)。

為了深入探索本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工相關(guān)內(nèi)容，《建筑結(jié)構(gòu)》雜志社小編特別邀請(qǐng)了該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)技術(shù)負(fù)責(zé)人，廣州容柏生建筑工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司副總經(jīng)理陳招智，就大家關(guān)心的問(wèn)題進(jìn)行了線上專訪。

采訪內(nèi)容如下

《建筑結(jié)構(gòu)》：該超高層住宅拆除剪力墻改變戶型的項(xiàng)目背景是什么呢？該項(xiàng)目建好后為什么又要改變戶型呢？

陳招智：該項(xiàng)目的地理資源優(yōu)越，背山面海，一線海景。簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō)吧，改變戶型就是為了客廳大一點(diǎn)，朝海、朝山的景觀面大一點(diǎn)，充分利用上自身的地理資源，不浪費(fèi)這片土地。關(guān)于改建的意義，我理解是這樣的，改造可以延長(zhǎng)建筑的生命周期，可以適應(yīng)人們對(duì)生活品質(zhì)提高的需求，可以避免那種動(dòng)不動(dòng)全拆、重建的方式而造成的資源浪費(fèi)，這也是項(xiàng)目決定改變戶型的原因。

《建筑結(jié)構(gòu)》：該項(xiàng)目采用局部鋼結(jié)構(gòu)體系是否會(huì)影響住宅項(xiàng)目使用品質(zhì)？

陳招智：采用傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)做法，是會(huì)影響住宅使用品質(zhì)的，這也是住宅建筑較少采用鋼結(jié)構(gòu)的原因之一。構(gòu)件選型對(duì)住宅品質(zhì)的影響，我理解為以下幾方面：一、耐久性方面，鋼結(jié)構(gòu)容易生銹，防火涂料容易脫落且需要定期維護(hù)；二、使用者的視覺(jué)感受及使用習(xí)慣上，鋼構(gòu)件與廠房、公建類(lèi)等建筑會(huì)有直覺(jué)聯(lián)想；三、鋼構(gòu)件表面不能打釘、鉆孔，吊掛生活物品，影響使用。考慮上面幾點(diǎn)，我們對(duì)鋼構(gòu)件外表面，設(shè)置了一定厚度的現(xiàn)澆高強(qiáng)鋼筋混凝土面層作為鋼構(gòu)防火層，解決了上述耐久性、視覺(jué)感受及使用等方面的問(wèn)題。

《建筑結(jié)構(gòu)》：項(xiàng)目拆除剪力墻后采用了增加不落地鋼柱，形成多榀框架的方式補(bǔ)償結(jié)構(gòu)剛度，為何此鋼柱基本不受豎向力？另外該柱在抗震構(gòu)件性能分類(lèi)中充當(dāng)什么角色？

陳招智：這個(gè)主要是跟施工順序有關(guān)，一般項(xiàng)目都是從底到頂逐層向上施工的，施工過(guò)程結(jié)構(gòu)會(huì)逐層形成剛度，逐層加載，是一個(gè)不斷迭代加載的受力過(guò)程，即使結(jié)構(gòu)柱不落地，也會(huì)產(chǎn)生豎向力。而本項(xiàng)目由于拆除剪力墻的需要，施工順序是逆向的，需要從頂?shù)降字饘硬鸪⒅饘邮┕ぃ@樣一來(lái)，相應(yīng)鋼柱的軸向剛度始終由于下層是懸空的，而沒(méi)有形成有效軸向剛度，因此幾乎不承受結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的豎向力。關(guān)于該柱抗震性能分類(lèi)，正因該柱已經(jīng)基本不受豎向力了，也即該柱是否存在都不會(huì)改變結(jié)構(gòu)豎向傳力體系，其受力更類(lèi)似于抗側(cè)的水平構(gòu)件，僅當(dāng)出現(xiàn)水平位移時(shí)，會(huì)產(chǎn)生抗力，因此我們定義其性能為耗能構(gòu)件，同一般框架梁。

《建筑結(jié)構(gòu)》：鋼梁與已建混凝土結(jié)構(gòu)采用鉸接構(gòu)造，能保證住宅使用階段的裂縫滿足使用要求嗎？

陳招智：鋼-混凝土組合鋼梁與混凝土結(jié)構(gòu)連接采用鉸接的設(shè)計(jì)及構(gòu)造，是規(guī)范及實(shí)際項(xiàng)目的成熟做法。由于鋼結(jié)構(gòu)多用于公建類(lèi)項(xiàng)目，所以少有人提及鉸接位置的裂縫問(wèn)題。但是對(duì)于住宅建筑，由于使用品質(zhì)的需求，裂縫影響是不可以忽略的。鉸接構(gòu)造的抗裂主要來(lái)源于樓板，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)樓板配筋以及鋼梁與保留鋼筋的連接進(jìn)行加強(qiáng)對(duì)控制節(jié)點(diǎn)裂縫起關(guān)鍵作用。項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，我們不僅考慮了正常使用階段，還同時(shí)考慮50年一遇風(fēng)荷載工況的結(jié)構(gòu)裂縫影響。為此進(jìn)行了1：1節(jié)點(diǎn)構(gòu)件試驗(yàn)，考察并得出裂縫與荷載之間關(guān)系，在采取了適當(dāng)加強(qiáng)措施后，即使在50年一遇的臺(tái)風(fēng)工況下，裂縫寬度依然能滿足使用要求。

《建筑結(jié)構(gòu)》：項(xiàng)目施工過(guò)程中采用了什么監(jiān)測(cè)方法或措施，以保證施工階段安全提前預(yù)警？

陳招智：本項(xiàng)目施工階段安全很重要！利用監(jiān)測(cè)手段確保施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)能提前預(yù)警是監(jiān)測(cè)的主要目的。針對(duì)剪力墻拆改施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，采取了一套集相鄰剪力墻側(cè)向形變、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、振動(dòng)、建筑頂點(diǎn)位移等為多維一體的全時(shí)域遠(yuǎn)程無(wú)線智能綜合監(jiān)測(cè)方案，可實(shí)時(shí)捕捉結(jié)構(gòu)狀態(tài)，應(yīng)變、形變、振動(dòng)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警。

通過(guò)陳招智副總經(jīng)理的解答，我們對(duì)該已建超高層建筑拆除剪力墻項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工思路有了初步了解。接下來(lái)具體介紹該項(xiàng)目的技術(shù)亮點(diǎn)內(nèi)容。

工程概況

項(xiàng)目位于廣東省，臨近海邊，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，地震設(shè)計(jì)分組為第一組，50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.8kN/m²，地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，體型系數(shù)為1.4。以下以7#樓為例，對(duì)改建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

改建前、后塔樓建筑信息

▲ 改建前項(xiàng)目實(shí)景照片

▲ 改建過(guò)程項(xiàng)目實(shí)景照片

▲ 改建前建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

▲ 改建后建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

結(jié)構(gòu)方案的推導(dǎo)及分析

混凝土結(jié)構(gòu)改建方案

基本思路：拆除4片影響使用的剪力墻，按改建后戶型新增4片剪力墻。

存在問(wèn)題：結(jié)合剪力墻的拆、建施工順序與結(jié)構(gòu)受力關(guān)系，新增剪力墻需自下而上施工，拆除剪力墻需自上而下施工，無(wú)論采取何種施工順序，均無(wú)法確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全隱患大，難以實(shí)現(xiàn)。

▲ 混凝土結(jié)構(gòu)改建方案

鋼框架結(jié)構(gòu)改建方案

基本思路：拆除4片影響使用的剪力墻，被拆除墻及其受力相關(guān)范圍采用鋼框架，與原結(jié)構(gòu)組成混合結(jié)構(gòu)體系。

存在問(wèn)題及特點(diǎn)：

1）鋼梁可輕松實(shí)現(xiàn)12m跨的需求，無(wú)需增加豎向支撐，樓層自上而下地拆除與樓層鋼結(jié)構(gòu)可以同步施工。

2）僅拆除4片剪力墻，不另外增加剪力墻，從施工角度，可以自上而下逐層拆除，逐層恢復(fù)，施工可行；從結(jié)構(gòu)角度，結(jié)構(gòu)側(cè)剛及構(gòu)件承載力需要采取補(bǔ)償措施。

綜合兩方案對(duì)比后，該項(xiàng)目采用鋼結(jié)構(gòu)改建方案，并對(duì)其做更進(jìn)一步的可行性分析與研究。

▲ 鋼結(jié)構(gòu)改建方案

剛度補(bǔ)償方案

X向剛度補(bǔ)償分析：原結(jié)構(gòu)X向剪力墻少，框架抗側(cè)貢獻(xiàn)大，屬于框架剪力墻結(jié)構(gòu)。改建僅拆除Y向的剪力墻，X向剛度的減小源于X向框架榀數(shù)的減少。X向采用在磚墻轉(zhuǎn)角的位置設(shè)置鋼柱與X向鋼梁形成空間空腹鋼桁架。鋼梁無(wú)須增加豎向支撐點(diǎn)，因此鋼柱不落地，僅至3層，且無(wú)須轉(zhuǎn)換。

Y向剛度補(bǔ)償分析：原結(jié)構(gòu)Y向主抗側(cè)力貢獻(xiàn)源于中部Y向布置的剪力墻區(qū)域。Y向采用在抗側(cè)力主貢獻(xiàn)區(qū)外圍設(shè)置增大截面端柱或者剪力墻的方案。上述剛度補(bǔ)償方案有以下特點(diǎn)：

1）由于自上而下施工，底部鋼柱的軸壓比僅為0.01，鋼柱為非承重構(gòu)件；

2）鋼梁與混凝土墻、柱按鉸接連接，鋼柱與鋼梁按剛接連接，鋼柱與鋼梁形成的空腹鋼桁架參與抗側(cè)受力，提升整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度；

3）鋼梁與原結(jié)構(gòu)墻、柱鉸接連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單；增大截面端柱以及剪力墻均在建筑外圍設(shè)置，施工便利。

▲ 剛度補(bǔ)償方案平面布置圖

4）設(shè)置鋼柱后的構(gòu)件內(nèi)力變化以及在不同剛度補(bǔ)償措施下的剛度對(duì)比。

▲ 設(shè)置鋼柱及未設(shè)置鋼柱時(shí)同榀框架梁、柱彎矩分布示意圖

風(fēng)荷載作用下不同剛度補(bǔ)償措施時(shí)結(jié)構(gòu)的最大層間位移角

鋼梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼梁與主體結(jié)構(gòu)混凝土柱、剪力墻連接節(jié)點(diǎn)采用高強(qiáng)混凝土過(guò)渡段作為連接錨固體，避免對(duì)原主體結(jié)構(gòu)的大量植筋，減少結(jié)構(gòu)損傷，提高施工質(zhì)量保證率，具體做法：

1）保留和利用原混凝土框架梁的縱筋，避免大量植筋對(duì)主體結(jié)構(gòu)的損傷；

2）鋼梁與混凝土墻、柱之間設(shè)置高強(qiáng)混凝土過(guò)渡段，過(guò)渡段范圍內(nèi)保留原框架梁縱筋，鋼梁錨板錨筋與混凝土梁頭保留縱筋在過(guò)渡段進(jìn)行錨固；

3）鋼梁采用外包鋼筋混凝土為防火層，外包混凝土完成面與節(jié)點(diǎn)區(qū)完成面平。

▲ 鋼梁與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

▲ 鋼梁防火構(gòu)造示意

▲ 鋼梁與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的施工圖片

▲ 樓層鋼梁現(xiàn)場(chǎng)施工圖片

平面拆除設(shè)計(jì)

構(gòu)件平面拆除順序：樓板→次梁→主梁→剪力墻，采用了碟片切割機(jī)、鏈條切割機(jī)及水鉆鉆孔機(jī)等設(shè)備，保留鋼筋范圍采用小型沖擊鉆設(shè)備。

▲ 標(biāo)準(zhǔn)層拆除完成后平面布置

▲ 鏈條切割機(jī)

▲ 碟片切割機(jī)

▲ 水鉆鉆孔機(jī)

▲ 樓層構(gòu)件切割順序

樓板新舊混凝土交接位置，采用凹凸打鑿及保留鋼筋的方式，提高樓板連接處水平力傳遞可靠度；混凝土梁頭采用梯級(jí)打鑿的方式，提高豎向剪力傳遞的可靠度。為保護(hù)鋼梁連接的混凝土梁梁頭完整性，避免打鑿過(guò)程對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷，采取了以下施工順序及工藝要求：工序1（繩鋸豎向切割混凝土主梁）→工序2（繩鋸水平切割梯面，或用直徑800mm的水鉆鉆穿）→工序3（用直徑80mm的水鉆鉆穿梯級(jí)下段）→工序4（采用小型沖擊鉆分段鑿除工序2中切割面上下的區(qū)域，形成梯形連接面）→工序5（人工細(xì)鑿）。

▲ 混凝土梁頭打鑿施工順序要求

▲ 混凝土梁頭打鑿施工現(xiàn)場(chǎng)圖片

豎向施工設(shè)計(jì)

豎向施工采用基于相互約束條件的分段、同步拆建技術(shù)方案。結(jié)構(gòu)拆除自上而下施工，拆建全過(guò)程需滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、抗側(cè)剛度、承載力等需求，豎向施工方案考慮以下幾點(diǎn)：

1）采取自上而下施工，拆除一層同步恢復(fù)一層，再向下一層進(jìn)行循環(huán)施工的方式，可滿足結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定要求，但不同施工工藝反復(fù)穿插，施工速度慢，無(wú)法滿足工程需要；

2）采用基于相互約束條件的分段、同步拆建方案。分段指一次性拆除及重建樓層的范圍；同步指各分段之間按指定約束條件同步施工；相互約束條件指施工分段最多可拆除的樓層數(shù)，下一分段拆除開(kāi)始前，上一分段最少新建樓層數(shù)及鋼柱封閉樓層數(shù)等；

3）施工分段間的相互約束條件，本質(zhì)上是拆和建之間的條件，即拆除樓層的同時(shí)必須按相應(yīng)階段恢復(fù)一定樓層。如若不帶約束條件，樓層只拆除不恢復(fù)，會(huì)導(dǎo)致非拆除區(qū)剪力墻失穩(wěn)倒塌，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不能滿足施工階段抗風(fēng)、抗震要求，存在安全隱患。

▲ 施工段二、八完成狀態(tài)剖面示意圖

注：○為拆除樓層位置，符號(hào)右下角數(shù)字是樓層拆除順序；

△為新建樓層位置，符號(hào)右下角數(shù)字是樓層新建順序；

□為鋼柱封閉樓層。

以7#塔樓為例，全樓豎向分九個(gè)施工段，自上而下，施工段所含樓層數(shù)逐段減少，層數(shù)從7層減少至2層。施工段層數(shù)劃分與剪力墻穩(wěn)定受力相關(guān)，上部樓層承受的豎向力小，劃分的層數(shù)多；下部樓層承受的豎向力大，劃分的層數(shù)少。

施工段二的施工約束條件說(shuō)明如下：

1）施工段一為屋面層樓面標(biāo)高～41層樓面標(biāo)高范圍，不包括41層梁板；

2）施工段二為41層樓面標(biāo)高～35層樓面標(biāo)高范圍，不包括35層梁板；

3) 41層開(kāi)始拆除前（新施工段的第一個(gè)被拆除樓層），新建42層（上一施工段的最后一個(gè)樓層）梁板必須施工完畢，否則不允許拆除；

4) 38層開(kāi)始拆除前（新施工段的第一個(gè)中間拆除層），新建43層（上一施工段的倒數(shù)第二樓層）梁板必須施工完畢，否則不允許拆除；

5) 37層開(kāi)始拆除前，新建42層的鋼柱必須封閉，否則不允許拆除。其余施工階段同理類(lèi)推，最終完成項(xiàng)目的拆、建施工全過(guò)程。

至施工段八，全樓的樓層拆除已接近完成，恢復(fù)樓層數(shù)超過(guò)50%。由此可見(jiàn)，拆、建的約束條件是施工過(guò)程結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定以及安全的重要保障。

▲ 施工段一施工過(guò)程圖片

▲ 施工段二施工過(guò)程圖片

▲ 施工段三施工過(guò)程圖片

施工階段驗(yàn)算及施工加強(qiáng)措施

拆、建過(guò)程是主體結(jié)構(gòu)在已受力狀態(tài)下，荷載條、邊界等受力條件不斷變化的過(guò)程。結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程容易出現(xiàn)安全隱患，施工段驗(yàn)算工作十分重要。施工階段復(fù)核按各施工階段最不利工況并采用包絡(luò)設(shè)計(jì)的方法，復(fù)核內(nèi)容有整體剛度、墻肢穩(wěn)定、各類(lèi)構(gòu)件承載力以及基礎(chǔ)承載力等。針對(duì)部分構(gòu)件不滿足承載力情況，采取加固措施。

▲ 連梁增大截面加固現(xiàn)場(chǎng)圖片

▲ 剪力墻增大截面加固現(xiàn)場(chǎng)圖片

▲ 地下室柱增大截面加固現(xiàn)場(chǎng)圖片

針對(duì)剪力墻穩(wěn)定復(fù)核，采用不同的計(jì)算方式、不同的邊界條件，按冗余度較高的荷載工況下，墻肢穩(wěn)定復(fù)核以滿足規(guī)范要求且具有一定的安全保證系數(shù)前提下確定，同時(shí)考慮以下因素采取以下施工加強(qiáng)措施：

1）考慮理論分析與實(shí)際結(jié)構(gòu)可能存在的偏差，如：垂直度、截面尺寸、配筋率、混凝土強(qiáng)度、澆筑等因素，增加施工臨時(shí)鋼支撐；

2）考慮項(xiàng)目位于臺(tái)風(fēng)頻發(fā)沿海地區(qū)，要求改建施工期間，塔樓各層門(mén)窗不能封閉，以減小受風(fēng)面積，降低施工期間風(fēng)荷載效應(yīng)。按照相應(yīng)的透風(fēng)率反算，施工階段主體結(jié)構(gòu)可抵御100年一遇的風(fēng)壓。

▲ 墻肢增加臨時(shí)支撐平面

▲ 墻肢臨時(shí)支撐現(xiàn)場(chǎng)圖片

總結(jié)

接受項(xiàng)目的初期，筆者曾認(rèn)為這是一個(gè)不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。區(qū)別于一般項(xiàng)目，本項(xiàng)目是超高層建筑，改建涉及結(jié)構(gòu)主抗側(cè)力構(gòu)件的拆改及體系變化，設(shè)計(jì)、施工難度很大，安全責(zé)任大。技術(shù)方案突破的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)方案緊密地結(jié)合了原結(jié)構(gòu)的剛度分布特點(diǎn)及拆建施工順序的施工可行性。

項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程，設(shè)計(jì)、施工及業(yè)主方在高度的安全責(zé)任意識(shí)下，密切配合，嚴(yán)格按照既定的拆、建技術(shù)方案及關(guān)鍵工藝技術(shù)要求執(zhí)行，項(xiàng)目最終順利完工。

▲ 項(xiàng)目完工現(xiàn)場(chǎng)圖片

作者簡(jiǎn)介

陳招智，2000年畢業(yè)于華南理工大學(xué)，教授級(jí)高工，現(xiàn)任廣州容柏生建筑工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司副總經(jīng)理。作為項(xiàng)目及課題負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成了多項(xiàng)復(fù)雜超高層及大型綜合體的設(shè)計(jì)、研發(fā)、顧問(wèn)任務(wù)，其中含大型復(fù)雜改造類(lèi)項(xiàng)目一項(xiàng)；大型國(guó)家投資類(lèi)項(xiàng)目?jī)身?xiàng)；科技研發(fā)類(lèi)項(xiàng)目三項(xiàng)。項(xiàng)目曾獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)詹天佑獎(jiǎng)一項(xiàng)，省、市級(jí)建筑結(jié)構(gòu)專項(xiàng)及科技創(chuàng)新專項(xiàng)獎(jiǎng)六項(xiàng)（其中一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、二等獎(jiǎng)四項(xiàng)，含科技進(jìn)步類(lèi)獎(jiǎng)項(xiàng)兩項(xiàng)）。核心期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文共6篇。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)研究成果進(jìn)行了總結(jié)，刊登于《建筑結(jié)構(gòu)》2021年第20期，題為《已建超高層建筑拆除剪力墻的結(jié)構(gòu)分析》（作者：陳招智，陳穎，李盛勇，梁智殷），《已建超高層建筑拆除剪力墻的施工分析》（陳招智，陳穎，李盛勇，梁智殷，梁達(dá)琪），敬請(qǐng)查閱。

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