功能置换背景下既有商业建筑的改造与加固——以武汉中央文化区K8电影乐园改造工程为例

王建勇

上海三凯工程咨询有限公司 上海 200000

近年来，随着我国社会经济的高速发展，有大量的建筑其原设计使用功能跟不上经济的发展，一味的拆除必然会造成资源的浪费，合理的升级改造是必然的趋势。大型公共建筑是城市的核心功能区，其功能丰富、结构复杂，在对其功能改造前必须进行技术、安全、成本等方面综合分析，采用合理的结构改造加固措施，在保证其功能性、安全性、经济性的前提下对其大面积的改造[1]。

1 工程概况

武汉中央文化区K8电影乐园地处武汉市烟霞路，改造前总建筑面积为10.16万m2，其中地上建筑面积为4.90万m2，地下建筑面积为5.26万m2，建筑总高度约60m。地上共四层，一层层高10.0m，二层层高8m，三层层高8m，四层层高为11.0m（局部影院层高达23m)。改造前业态为4D、5D、极限体验影院等电影乐园，改造后建筑功能为商业综合体，主要业态为酒吧、餐饮、体育等娱乐业态。由于业态功能的变化，改造过程中需对原结构部分梁、板、柱、墙和基础进行加固和拆除，同时新增加部分结构。改造后建筑面积为13.31万m2，新增加面积3.15万m2。

2 结构现状

该项目主体结构类型为框架剪力墙结构，加气混凝土砌块填充墙砌体，主要柱网尺寸8.4m*8.4m。建筑抗震设防类别为乙类建筑，上部结构框架梁、柱抗震等级为二级，剪力墙及连梁抗震等级为二级。原基础形式为灌注桩承台+筏板基础，灌注桩桩径800mm，筏板厚度700mm。

3 加固改造方案的重点和难点

锚杆桩施工质量是基础加固施工的重点。基础采用静压锚杆桩+扩大承台进行加固补强，共有桩数948根，采用φ400预应力高强混凝土管桩，管桩型号PHC-A400-95，桩端持力层为（8-1）强风化泥岩，有效桩长为22-24m左右，桩端进入持力层深度不小于0.5m。锚杆桩施压完毕后需施加一定预压力然后封桩。

新增扩大承台施工是基础加固施工的一个难点。承台扩大施工需将原承台范围以外部分的底板及面层破除，并预留钢筋与新增承台基础进行锚固。新增承台最大开挖深度达2.5m，基坑内存有大量淤泥及积水需对基坑进行支护、排水，原承台为双桩、三桩、四桩承台等多种形式，由于空间狭小，钢筋绑扎及植筋操作非常困难。

因功能业态的改变，需要将三层24-25/G轴框架柱在标高25.9m-42m范围内拆除，框架柱拆除后原结构受力体系完全改变，为保证结构的安全，需先对周围的梁板柱采取扩大截面法进行加固补强。该部位层高为16.1m，施工难度较大。

4 加固改造方案的实施

4.1 基础加固

(1) 锚杆桩施工

锚杆桩设计单桩竖向承载力特征值Ra=800KN，单桩极限承载力为1600KN，最终压桩力不小于2000KN。锚杆桩施工工艺流程为：开孔→安装反力架→压桩→接桩→封桩。

开孔：在正式开孔前应在靠近承台处预钻φ25孔，深度1m（筏板厚度700mm），以验证桩孔位于承台外侧。确认无误后，利用水钻在筏板上开内切直径为450mm的压桩孔，孔壁用风镐凿毛（起伏高度不小于6mm），并对压桩孔扩底，形成上口450mm，下口550mm的坡口状。孔内侧涂刷界面剂，使封桩时新老混凝土结合更加密实。

安装反力架：压桩的反力架由可移动横梁、立柱、底座、升降系统、液压系统、调整垫块等组成。在压桩孔两侧各预埋4根φ36三级螺纹钢制作的锚杆，植入筏板深度600mm，用灌浆料进行粘结，待强度达到要求后安装固定反力架并进行压桩施工。安装时，利用线锤进行垂直度调整。

压桩：管桩采用平底十字型封闭桩尖，采用钢板焊接而成。第一节管桩内全长灌注C30微膨胀混凝土，桩顶最后一节管桩采用φ377×10钢管桩(Q235B)。受地下室层高限制，中间桩节采用2m桩段。压桩时不宜数台压桩机同时在一个独立柱基上施工，采用跳打方式，以防止破坏原结构。整根桩应一次连续压到设计标高，中途不得停顿。如遇压力急剧增加，可能遇到地下障碍物或压入较硬土层，可采用稍压入、持荷、再压入、再持荷，直至达到设计深度或承载力。压桩最终控制标准，以设计最终压桩力2000KN控制为主，桩长控制为辅。

接桩：每根桩段连接采用焊接，焊缝应连续、饱满，且焊好的焊缝应在自然冷却大于1分钟后方可继续施压。接桩时上下段应顺直，中心线偏差不大于1mm，焊缝高出焊接断面1mm左右，焊缝饱满。

封桩：为充分发挥锚杆桩作用，减少对原大直径灌注桩承载力影响，锚杆桩封桩前采用千斤顶施加预压力。在钢管桩上方安置带端板的HW200×200×8×12的热轧宽翼缘H型钢用来支撑千斤顶。

管桩与型钢施工完成后，对已施工的管桩施加800KN预压力，每个承台锚杆桩逐根预加，预加载量800KN，间隔时间为3天。待预压力施工完成后，坡口采用C40早强自密实微膨胀混凝土浇筑至底板面，待混凝土强度达到要求后，切除底板面上部型钢端头并撤除压桩设备。在锚杆上交叉焊接4根φ36螺纹钢，然后采用掺有微膨胀早强外加剂的 C40混凝土，与锚杆同时浇筑形成200mm厚的桩帽梁,以加强封口的锚固能力使桩与承台形成一个整体[2]。

（2）新增扩大承台施工

总体加固方案：测放原承台轮廓线→对原承台四周破除→开挖、清淤→支护、砖胎膜施工→钢筋安装、钢护筒安装→混凝土浇筑→封桩。

根据原设计图纸放出承台轮廓线，在四个角点用水钻预钻800mm，确定是否与实际施工承台存在误差，无误后测放出需要外扩后的轮廓线及工作面的边线。筏板的破除采用水钻和风镐相结合办法，破除过程中应保留好预留的钢筋。筏板切除后用小型挖机开挖至设计深度，采用钢管支护桩进行支护，钢管采用φ146×5间距400mm。

混凝土垫层和砖胎模施工完后，使用切割机将外露桩头切割至筏板底，再对剩余桩身涂刷三遍脱模剂，再包裹三层塑料薄膜，避免后期施加预压力所得数值不准。

钢筋安装前对原承台表面进行凿毛处理，用高压水枪对表面进行清理，并在原承台四周侧壁植入抗剪钢筋，钢筋型号为C20@400×400，植筋深度16d，伸入新承台20d。钢筋绑扎完毕后，为后期H型钢施加预压力（详见锚杆桩施工方案）及混凝土浇筑做准备，需要在钢管桩顶部至筏板面需设置钢护筒。钢护筒采用1cm的钢板现场制作，上口450mm下口500mm园形，上窄下宽形式，下口采用钢板进行焊接封堵，避免混凝土倒灌至护筒内，护筒高度为筏板厚度（700mm）。护筒为一次性投入，在内部焊接三道φ8钢筋以提高摩擦力。

新增扩大承台混凝土采用C35微膨胀自密实混凝土浇筑，浇筑完毕后及时做好养护工作，避免混凝土出现裂缝。待混凝土达到设计强度后，进行预压封桩。

4.2 梁、柱加固

本工程梁柱采用增大截面法进行加固，此方法能充分发挥钢材和混凝土整体工作性能，加固效果好。为保证新旧混凝土很好的粘结，应把构件表面的抹灰层铲除，对砼表面存在的缺陷清理至密实部位，对原混凝土表面进行凿毛，要求打成沟槽状，槽深不小于6mm，然后用无油压缩空气除去粉尘将表面清理干净，再涂刷一层高粘结性能的结合剂。

采用高压吹风机清孔，注入植筋胶插入钢筋。柱的竖向受力钢筋植入基础或梁内的深度为钢筋设计锚固长度Ld，纵向受力钢筋穿过楼板，采用直螺纹套筒连接通长布置，新增的纵向受力钢筋遇框架梁时上端植入纵横梁中。新增梁底钢筋、侧面抗扭筋、上部支座钢筋均锚入两侧框架柱或主梁内，锚入深度要满足设计规定的框架梁纵向钢筋在支座内的锚固长度要求。新增加外圈箍筋与原有结构梁箍筋焊接连接，焊接长度10d，其他新增加箍筋和拉筋均应植入原结构梁内，植入深度18d。

柱的灌浆孔沿柱高间隔2m设置，新增梁从两侧楼板开槽处灌浆，对于只对截面加高的梁，在模板侧边设置灌浆孔，采用小型振动棒振捣。

4.3 24-25/G轴25.9m-42m抽柱加固

由于业态的改变，本工程改建中需要将24-25/G轴，标高25.9m-42m范围内的一根框架柱拆除，以扩大空间尺寸。柱拆除前先对周边柱、梁进行加固，梁柱加固方法为扩大截面法（具体详见梁柱加固）。待梁柱加固完成达到设计强度后架体暂不予拆除，一是为了应对在拆除框架柱过程中出现突发状况可随时恢复支撑，二是作为钢胎架施工、框架柱拆除以及位移监测装置的操作平台。

梁下安装300×300×10方管立柱、250×250×10方管横梁、带斜撑的钢支撑胎架及位移控制观测千分表，钢支撑胎架从42.5m梁梁底连续传递至9.9m标高楼面处，胎架立柱顶部焊接400×400×20的钢板，且需与梁底留出300-500mm的距离，用来放置千斤顶（如图1）。

图1 胎架平面布置图

钢胎架所有钢柱、钢横梁均与框架柱、框架梁刚性连接，立柱从底到顶垂直度偏差控制在25mm以内。

22个支撑点处，设置22个千斤顶，千斤顶与梁底顶紧，使待拆除柱轴向压力为0，具体每个千斤顶回顶力大小如下表。

表1 千斤顶回顶力数值

为了监测柱拆除后KL1的下挠值，需在KL1下与待拆除接头处安装4个位移千分表，以测量KL1结构变形的位移。

采用水钻对需拆除柱梁柱接头处切割，先切除端部混凝土及钢筋，注意观察位移监测装置读数做好记录。如读数未有变化，则加固及胎架支撑体系能达到受力状态，按照上述步骤直至柱与梁完全断开。断开高度控制在150mm，保证出现突发情况时可立即采取措施将柱与梁顶紧。

位移监测分两个阶段：第一阶段，断开梁柱连接后，千斤顶卸载不能一次卸完，需分四次卸载，第一次卸载 10个千斤顶，然后依次卸载四个千斤顶，通过布置的4个位移观测点，观察梁仅在混凝土自重情况下的挠度值，各点位挠度限值≦28mm。

此阶段观测时间不少于48小时，当出现下列情况时应立即将所有支撑点回顶，确保设备及人员安全：A、托换柱周围板及KL1出现明显裂缝；B、点挠度大于结构挠度限值的70%。

第二阶段，堆载实验。加载试验采用注水加载，在托换结构承载范围周边砌筑宽200mm高1000mm挡水墙形成蓄水池，池底及周边采用满布防水油布密封。

堆载荷载为7kN/m2，分5级施加，每级荷载分别为2kN/m2、1.5kN/m2、1.5kN/m2、1kN/m2、1kN/m2，前二级堆载后观测时间不得少于36小时，中间二级堆载后观测时间不得少于24小时，最后一级堆载后观测时间不得少于100小时。当出现下列情况时应立即停止加载，并卸除所有荷载：A、托换柱周围板及KL1出现明显裂缝；B、该级荷载下点挠度增加量大于前级荷载的两倍，且总挠度大于35.2mm；C、点挠度大于结构挠度限值的70%。加载阶段挠度限值≦35.2mm。

位移监测过程的注意事项：1、监测梁位移变化同时，施工过程中应不断观察周围梁板外观状况，若出现裂缝，应对出现裂缝的长度、宽度、形态进行测量和记录。2、为保证现场监测工作的顺利进行，应对现场监测人员做好安全交底及配备必要的安全防护措施。

堆载试验完成后，即可进行钢管架体的拆除。待拆除柱周围架体及钢胎架暂缓拆除，用做柱拆除施工时的操作架。框架柱拆除采用绳锯进行切割，柱分割成500mm长的立方体，并在分割好的每个混凝土块上钻一个吊装孔（孔径110mm）。利用搭设好的钢胎架，在钢横梁处设置手动葫芦吊，每一切割块必须通过吊装孔预先临时起吊固定，防止切割块突然塌下。整个柱体切割拆除要遵循由上到下的顺序，逐块拆除，切完立即吊至楼面，叉车转运至转运平台。

5 结语

通过合理的加固设计，在充分听取各级专家论证意见基础上，精心策划全方位组织施工，严格把控施工质量，保证了武汉中央文化区K8电影乐园改建顺利施实，建筑功能分区得到合理调整，安全性与适用性均达到预期效果。通过该项目的实施，对于大空间、大跨度的结构改造有一定的借签意义。