1 设计概况

本工程将奥体中心网球馆场地改造为妇女儿童活动中心。原入场大厅，室内地坪标高0.100m，室内空旷，改造后分隔为小礼堂及其他活动室 ，其他活动室的原结构与建筑标高体系基本未变，仅增加分隔墙体，小礼堂结构体系改变较大，室内地坪标高从-0.100至-1.400m，取消8轴/F、G、J轴框架柱，需要进行由此引起的结构托换、周边结构以及地基基础的加强。

图1 原建筑平面图     

图2 改造后建筑平面图

2 工程特点

（1）既有建筑改造项目，既要按图改造，同时兼顾原有结构情况，受施工工况与施工空间影响较大，工序繁多，交叉作业。

（2）施工工序为半逆作法，即托换结构—荷载转换—地基基础—结构加强。

（3）严格按照结构传力体系相应的工序施工，不能按正常新建项目那样施工。

（4）项目管理应具备设计施工一体化能力，随时根据实际施工条件提出设计施工方法。

（5）奥体中心内施工，对周边住宅影响很小，可以进行24小时作业。

（6）改造整个建筑物的局部结构体系，施工区域受限制，材料与设备的垂直与水平运输比较困难，需要特殊的运输方法。

（7）工期较紧，整个改造项目包含拆除、土建、托换、钢构安装、水电暖消防等内容，需采取特殊保证措施。

（8）原改造设计施工图是可以通过钻孔破板等方式利用屋面支撑的，现在要求不破换原屋面板和建筑层面，这样给钢梁安装带来难度。

3 原结构状况

　图3 原二层梁平面图                                    图4 原二层楼板平面

改造区域为一层大跨度框架结构，预应力管桩独立基础。屋面板面标高有变化，5.200-6.850m。纵横向框架梁为预应力梁，横向次梁也施加预应力。主梁截面400*（900-1200），预应力筋2-7U15.2，次梁300*600，预应力筋2-1U15.2。楼板厚度150mm，双层双向钢筋，Ф10@150，纵横向施加预应力，双向预应力钢筋1U15.2@400，顶板标高变化4.650-5.900-6.850m。

屋面建筑做法：

图5 原结构立面图

4 结构改造设计

原大厅改造成小剧场后，结构改造部分包括（1）中空抽柱3根；（2）钢梁大跨度托换（粗虚线部分）；（3）保留原纵向预应力主梁；（4）增设支撑钢梁的钢筋混凝土大梁（阴影部分梁体）；（5）支撑新梁的新增柱和承台基础；（6）新增锚杆静压桩；（7）原板面标高差异，托换钢梁与支撑梁顶标高也相应差异。

图6 改造后结构平面图

3、施工方法

3.1 总体施工流程

图7 施工流程图

3.3 拆除部分

3.3.1拆除内容

拆除部分包括原大厅内附属功能设施、水电设施、装饰、非结构性拆除、结构性拆除等内容。

附属设施拆除包括活动性设备、固定性设备；消防空调设施；水电安装设施。

非结构性拆除包括吊顶、地坪、内隔墙、门窗等。

结构性拆除包括基础承台、地梁、承重梁柱、楼板开洞等。

3.3.2 拆除顺序

附属设施----水电暖设施----非结构性拆除----结构转换----结构性拆除。

3.3.3 拆除要点

（1）收集原建筑结构水电图纸，现场核实情况，勘察登记；

（2）切断或改造总体电源、水源、信号线路等，确保拆除范围内不受水电等影响，也不影响拆除范围以外的水电正常使用。

（3）继续使用或业主要求保护性拆除部分，应按照设施特点有序拆卸，并包装保护运送至指定地点。

（4）特殊设施拆除应寻求专业单位专门拆除。

（5）拆除界限范围应专门维护，设置隔离围栏，专用通道运送。

（6）严禁野蛮拆除。

（7）结构性拆除首先应进行结构性托换与分离。

（8）空间梁柱拆除应搭设施工脚手架和防护架，结构性拆除采用静力机械结合人工小锤。

（9）拆除的详细方法详见标准工法。

3.4 室内挖土

原室内地坪为回填土夯实后碎石垫层、混凝土基层、水泥砂浆面层等。需要将改造范围内部分地坪破碎拆除。采用小型炮头破碎结合人工风镐破碎。

原室内地坪标高0.100m，净空高度约5.0m，改造后小礼堂范围标高-1.400~0.100m，需要挖出部分土体。采用小型挖掘机挖土，挖土外运。挖土出水采用明排。

室内挖土分两个阶段，第一阶段主要是基础承台挖土，尽量保留原地面结构部分，作为今后屋面临时支撑平台。第二阶段在屋面结构托换完成拆除临时支撑后进行，主要挖除剧场底板以上土方。

图8 基础开挖立面图

3.5 新增基础承台

3.5.1原结构基础：原结构基础为独立承台静压预应力管桩基础，基础间地梁联系，室内地坪做法为回填土夯实、一般地坪做法。

图9 原基础平面图                         　   　图10 改造后基础平面图

3.5.2 新增基础承台：因受施工空间限制，改造后的基础采用预留孔锚杆静压预制小方桩、独立承台基础。独立承台基础分两种情况：一种是包裹原有基础承台，如下图CT4，新承台钢筋植入原承台，属于悬挑构件，钢筋植入深度不小于25d。另一种是新增柱承台，如下图CT2。

承台高度1000mm，预留锚杆桩孔洞为方形，喇叭口状，上口边长300mm，下口边长400-450mm，锚杆三级钢M36，锚杆具体位置根据锚杆桩设备确定，一般距边口200-300mm，间距400-500mm。外露螺纹长度100mm。锚杆植入深度0.8m，带垂直弯钩，弯钩长度200mm。底部钢筋Φ18@100，边口四周增设4*2Φ22加强钢筋，长度1.2m。新增地梁300*600，素混凝土C15垫层。

          图11   CT2承台                                                 图12   CT4承台

3.5.3 承台施工方法：

（1）承台基坑挖土，遇水明排，承台挖土范围尽量小，根据土质放坡；

（2）复核原基础承台和地梁的顶面标高和位置尺寸；

（3）非阶梯部分新增承台顶面标高=板顶结构标高-板厚，阶梯部分的新增承台顶面标高取板顶结构标高-板厚和正常设计顶面标高的小值；

（4）垫层成型施工放线后将预留孔洞位置垫层挖除；。

（5）基础模板采用12mm以上竹胶板，横楞木枋100*50mm，间距300mm，竖楞钢管2Φ48mm，间距500mm，对拉螺栓M12@500mm；

（6）锚杆应可靠固定。

3.6 新增柱

3.6.1 新增柱设计：新增柱有三种形式，第一种KZ1，截面800*800mm，共6根；第二种KZ2，截面800*1150mm，共2根，完全包裹原圆形柱，部分复合箍筋植入原柱内；第三种KZ3，截面800*1000mm，共2根，部分包裹原方形柱，复合箍筋植入原柱内。

图13 新增柱平面图

3.6.2 新增柱施工方法：

    （1）柱底标高-1.9m，柱顶标高（梁顶标高）=屋面板顶标高-0.825m，由于屋面板顶呈台阶变化，柱顶标高也随之变化，需要准确控制梁顶标高与梁底标高。全柱高度约6.5-8.0m左右。

图14 柱顶（梁顶）标高示意图

（2）复合柱施工前，应剥除原柱面粉刷层，凿毛清晰干净，涂刷界面剂；

（3）独立柱模板支撑应保证稳定，模板拉结防止鼓胀或漏浆；

（4）利用控制梁底与梁顶标高的方法控制柱顶标高。

（5）梁柱模板与支架同时搭设同时浇筑。

3.7 钢筋混凝土托换大梁

3.7.1 原改造设计及变更：改造设计方案为钢梁托换支撑原屋面梁板体系，钢筋混凝土大梁支撑钢梁，新增柱与基础支撑混凝土大梁。原改造设计意图可以在屋面板上开槽，这样便于混凝土浇筑。现在变更为不能在屋面板上开槽开洞。

混凝土大梁KL1(3)截面600*850mm，三跨跨度6.5-8.0m，KL2（1）截面800*1000mm，一跨跨度10.65m。

图15 二层楼面托换改造平面图

图16 混凝土托换大梁平面与剖面图

3.7.2 混凝土大梁施工方法

3.7.2.1 施工顺序：原主梁穿孔----绑扎钢筋----预埋件----模板----浇筑梁体----安装钢梁----支撑墙体钢筋植筋绑扎----墙体模板----墙体浇筑。

图17 混凝大梁施工顺序图（有次梁）

图17 混凝大梁施工顺序图（无次梁）

3.7.2.2 梁顶标高控制：（梁顶标高）=屋面板顶标高-0.825m，由于屋面板顶呈台阶变化，梁顶标高也随之变化，以新增柱中线为控制点，梁呈折线形。应实际复核原板底标高，确保梁顶与板底之间净空不小于850mm。

图18 大梁梁顶标高控制图

3.7.2.3 钢筋制安：原主梁高度1200mm，新增大梁顶面标高=板顶标高-0.825mm，相当于大梁顶面位于原主梁底面以上0.375m位置，混凝土大梁与原主梁位置冲突。大梁顶部钢筋需要穿过原主梁，应钻孔穿筋，钻孔直径28-30mm。大梁顶面以上的支撑墙体厚度150-200mm，墙体钢筋需要植筋。钻孔或植筋应查明原钢筋位置，避免损坏原钢筋与预应力筋。

3.7.2.4 大梁模板支架：大梁截面600*850mm和800*1000mm，相当于线荷载20KN/m，应专门设计支架模式。

3.7.2.5 预埋件与水平支墩：梁顶面是斜面，钢梁支座水平，需设置水平支墩。下图为锚板规格及斜面支墩做法。

图19 钢梁支座预埋件及找平支墩

3.7.2.6 支撑墙体施工：支撑墙钢筋需植入板底，二次浇注，第一次尽量浇到板底100-200mm位置，其余用微膨胀干硬性混凝土塞紧，或用灌浆料灌注。

    大梁上面有次梁情况，是否可以将次梁与大梁之间的缝隙塞紧，而可以取消后面的支撑墙体呢

3.8 锚杆桩

3.8.1 设计参数：桩截面250*250，主筋4Φ14，箍筋Φ6@100/200，桩身强度C35，桩长24m，设计单桩承载力特征值500KN，最终压桩力不小于750KN，桩尖进入持力层（2-3）层不小于1.0m。桩节之间焊接。

3.8.2 小方桩构造参数：根据室内净空和桩身重量等条件，方桩每节长度可以在2.5-4.0m，桩端设置钢帽，桩节之间焊接。每节桩重量390kg-620kg之间，采用专用简易叉车运输和安装。设计建议采用不小于3.0m桩节。焊接角钢4L100*100*8，焊接长度150mm。

图20 预制小方桩构造图

3.8.3 施工机械：锚杆桩架高度5.0m，能够满足4.0m桩节，桩架带斜撑，确保压桩时桩架稳定，斜撑固定于预埋锚杆上面。千斤顶100吨-200吨，基本行程200-400mm，压桩最高油压控制在35-40MPa之间，最终压桩力按100吨控制。

图21 锚杆压桩设备简图

3.8.4 压桩工艺

（1）压桩合理开始时间取决于上部荷载积累程度以及承台地基土的承载能力。

（2）上部荷载估算：承台4.0*4.0*1.0m，自重40吨，柱0.8*0.8*7.0m，自重11吨，大梁跨度8.0m，线荷载16KN/m，柱可分配12吨，即当混凝土大梁完成后，可提供压桩反力约65吨。

（3）未压桩前的基础承载力：压桩前荷载约65吨，承台底面积16m2，基底平均压力40KPa，目前地基承载力应该能满足承载力要求。但由于柱顶标高严格，而且大梁与原主梁穿插结合，要求承台沉降较严格，所以还需要根基基底土质条件控制承台体系沉降。

（4）锚杆桩分两步压入，第一步在承台施工完毕后先压入10-15m左右，压桩力不应超过40吨，必要时临时封锚；第二步当上部荷载达到要求后将桩压到持力层。第二次压桩时对第一次临时封锚宜分批解锚—分批压桩—分批终锚—再分批解锚循环进行。

（5）在钢梁安置之前，新增柱梁上部没有约束，压桩时，应以柱中心对称封锚和施压，否则会造成承台或梁柱倾斜。

3.9 钢梁制作与安装

3.9.1设计内容：抽柱后原楼面结构采用钢梁托换，钢梁截面H1250*16*300*35*400*35(焊接H型钢高度*腹板厚度*上翼缘宽度*上翼缘厚度*下翼缘宽度*下翼缘厚度)，Q345B型钢板，预起拱40mm，跨度26.5m，单根钢梁延米重量340kg/m，重量9吨左右。

图22 钢梁托换屋面示意图

图23 钢梁及支撑详图

3.9.2 施工流程

    主钢梁分段工厂制作----室内制作提升钢梁----主钢梁分段运至室内----主钢梁固定在提升钢架上----搭设钢管支撑托换屋面----切割次梁开槽----屋面板底锚固件----第一次提升主钢梁----主钢梁就位拼接焊接----主钢梁二次顶升----支撑锚固----翼缘与板缝隙充填----拆除钢管支撑

3.9.3钢梁制作及运输

（1）分段制作：根据拼装计划将钢梁分四段制作，7.8+8.0+6.9+3.8m=26.5m，在工厂制作，运至现场，现场拼装焊接。四段重量分别是2.65+2.72+2.35+1.29吨=9.0吨。

图24 钢梁分段制作详图

（2）钢梁防火涂装：设计要求一级防火。

①除锈：油漆前采用喷砂除锈，须除尽表面上的油污、焊接飞渣、氧化皮、铁锈，并打磨焊缝和尖角，将钢板外表面喷砂处理至Sa2.5级，表面粗糙度尽可能降低，控制在90～120μm,手工除锈等级为St3级。

②涂装油漆

工厂只留一道面漆不涂，并在拼装焊缝处留30～50mm暂不涂装（到工地焊接后补刷），涂装应均匀，无明显起皱、流挂，附着情况良好。

（3）焊接要求

①焊接方法：厂内焊接采用埋弧自动焊焊接顶板、底板及腹板的对接缝；现场焊接采用CO2气体保护焊用于各类角焊缝的焊接；手工焊用于现场焊接对接缝。

②埋弧焊丝及焊剂采用H08Mn2SiA+ST501，CO2气体保护焊焊丝采用HT-50φ1.2实芯焊丝或TWE-711φ1.2空芯焊丝，手工焊焊条采用E5015。

③坡口形式应根据焊接方式合理选定。

④焊接方式一般为向下横焊和立焊，以保证质量。特殊区域也可少量采用仰焊；

⑤所有焊接的引、熄弧板一律放在坡口或焊接区域内进行，不允许在母材表面引弧；

（4）室内二次搬运：网球馆前面栈桥净空高度5.0-6.0m，装载钢梁的大型运输车估计无法进到室内，只能卸到网球馆东侧的北大门道上。然后采用小型拖车短驳至室内。拖车载重量至少要3吨以上。进到室内后利用主梁提升装置卸下来。

3.9.4 钢梁一次提升

（1）综合考虑屋面板支撑托换、工作支架、钢梁提升、次梁切割以及就位拼装等工序，做到有序、高效、穿插施工，采取三根钢梁一次提升、空中拼接、二次顶升的吊装工艺，同时穿插进行钢管支架托换屋面、次梁切割等工序。钢管支撑兼做工作脚手架平台。

（2）提升系统：以原预应力钢筋混凝土梁（400*1200）为提升悬挂点，锚固固定，采用精轧螺纹为提升杆，千斤顶和提升钢梁组成提升系统。

图25 一次提升平面示意图

图26 一次提升立面示意图

图27 提升系统节点示意图

（3）钢梁地面拼接：先在地面安放提升钢梁，然后将主钢梁搁置在提升钢梁的可滑动支座上，并且临时斜撑固定主钢梁。将7.8+8.0+6.9m=22.7m钢梁在提升钢梁上拼装焊接。

图28 提升钢梁可滑动支座示意图

（4）空中滑移就位：地面拼接22.7m后，待屋面板支撑体系完成并将次梁开槽后，可将3.8m段钢梁与22.7m整段钢梁一次提升至屋面板底，然后通过提升钢梁上面的可滑动支座，将钢梁端头滑移至混凝土大梁支座上，然后可将3.8m与22.7m对接焊接。

3.9.5 钢梁二次顶升

整片钢梁焊接成型并且搁置在混凝土大梁支座后，钢梁翼缘和板底不一定接触很密贴，需要将翼缘和板底预埋板填充焊接。最后用微型千斤顶在支座位置顶升，给钢梁预加压力。

另外设计预留40mm的预拱度，在钢梁拼接和顶升第一片钢梁时应校核钢梁的拱度。

3.10 屋面梁板支撑托换

钢梁支撑屋面板的施工，首先要将原次梁切断开槽。次梁切断以后，原屋面板单向板跨度4.3m变成跨度7.5m，承载能力不足，所以切断次梁前应临时支撑屋面梁板。

3.10.1 设置支撑的原则

（1）支撑体系应安全可靠地将梁板荷载托换；

（2）兼做施工脚手架；

（3）不能影响钢梁提升。

3.10.2 支撑体系选择

目前可供选择的支撑体系有两种：（1）采用普通脚手架钢管支撑；（2）采用预应力主梁悬挂支撑。

1、支撑托换梁板结构

（1）钢管立杆Φ48-3.5，立杆间距1.0m，立杆排距0.7m、横杆步距1.2m。

（2）每道钢梁之间预留提升通道宽度0.8m。

（3）支架顶部带螺旋顶托，具备旋紧施加少量预压力功能。

（4）钢梁之间的空挡部分，根据提升高度的变化，及时增加横向联系杆件。

（5）在次梁切割开槽过程中加强监测，如支架压缩量超限，则可在次梁中部采用Ф219钢管和千斤顶微顶调整。

图29 钢管支撑体系平面示意图

图30 钢管支撑体系立面示意图

原结构次梁截面300*600，次梁间距4.3m，跨度8.0m，板厚150mm，屋面防水保温层资料不详。

钢筋混凝土自重25KN/m3，屋面建筑层按100mm总厚考虑，平均自重按10KN/m3考虑，屋面按不上人0.5KN/m2或雪荷载不利考虑，施工荷载1.0KN/m2。

屋面荷载设计值:1.2*(0.15*25+0.1*10）+1.4*0.5=6.4KN/m2

施工荷载设计值1.4KN/m2

次梁荷载设计值：1.2*0.3*0.6*25=5.4KN/m

钢梁间距2.2-2.6m，按2.6m 考虑，钢梁间次梁荷载：5.4*2.6=14KN，顺钢梁方向钢梁间均布荷载（6.4+1.4）*2.6=20.3KN/m。

立杆Φ48-3.5，立杆间距0.8m，立杆排距0.8m、横杆步距1.2m

板下每根立杆承受荷载：0.8*20.3/2=8.12KN.

次梁下每根立杆承受荷载：5.4/3=1.8KN

钢梁自重340kg/m，分节临时搁置支点间距4.3m，则每个加密杆支点承受荷载1.5*3.4*4.3=21.93KN，其中1.5系数为动力系数，两点分担共4个加密杆，每杆承受荷载：21.93/4=5.5KN

最终按照每杆承受8.12KN轴力复核。

立杆的截面回转半径i=15.8mm；立杆净截面面积A=489mm2；钢管立杆的抗压强度设计值[f]=205N/mm2，立杆步距h=1.2m

计算长度l0=kμh=1.15*1.7*1.2=2.346m

长细比l0 /i=2346/15.8=148

查《钢结构规范》轴心受压立杆的稳定系数φ=0.258

钢管立杆受压强度计算值σ=8120/（0.258*489）=64.5N/mm2，满足要求。

如果将顺钢梁方向立杆间距调整至1.0m、1.2m，1.5m，钢管立杆轴力分别为：10.15KN、12.18KN、15.25KN，受压强度计算值分别为：80.6N/mm2、96.75N/mm2,、120.9N/mm2，从稳定性方面也满足要求，按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规程》，双扣件承载力设计值取16KN，按照扣件抗滑移承载力系数0.8，则实际的旋转双扣件承载力取值为12.8KN，除非每根立杆是完整无连接的杆件，不用扣件连接，否则每根立杆轴力不宜超过12.8KN，因此采用顺钢梁方向立杆间距为0.8-1.0m较为合适。

如果将横杆步距调整至1.5m、1.8m，对于立杆间距1.0m情况，立杆受压强度计算值分别为：100.6N/mm2、152N/mm2,强度也满足要求，但不满足压杆长细比[l0 /i]<150 的要求，横杆步距为1.2-1.3m较为合适。

图31 支撑详图

2、预应力主梁悬挂支撑

以预应力主梁为悬挂点，同样采用精轧螺纹为提升杆件，与主钢梁提升同步，当主钢梁提升至次梁底面时，固定悬挂钢梁，通知设置支撑钢管，将次梁通过支撑钢管传给悬挂钢梁，钢梁通过精轧螺纹传给预应力主梁。该法受主钢梁提升影响，时间上无法做到穿插，而且还需要另搭脚手架作为工作平台，所以该法没有优势。

悬挂支撑体系与钢梁提升体系是独立的，二者之间不影响，但先提升钢梁至次梁底面，然后设置悬挂体系。

图32 预应力主梁悬挂支撑示意图

3.11 原柱和基础拆除

结构转换完成后，即可拆除原有三根柱和承台及地梁。柱采用切割结合人工破碎，承台和地梁机械结合人工破碎。

3.12 底板施工

原室内地坪标高0.100m，改造后礼堂部分为阶梯型，最低标高-1.400m，最高为-0.150m，防水板做法：素土夯实后250mm厚防水混凝土板。板下支撑在新增承台与地梁上。对于阶梯型板在地梁或承台上设置混凝土支撑墙体。因先有柱后有板，则板与柱结合面设置遇水膨胀橡胶止水带。原锚杆桩锚杆打弯后与板锚固。原承台顶面标高应设置在-2.150m。