，，

(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

20世紀(jì)后半葉，建筑物的糾偏技術(shù)、托換技術(shù)、平移技術(shù)及增層改造時(shí)的地基基礎(chǔ)加固技術(shù)逐漸興起。一方面是由于土力學(xué)理論的發(fā)展、地基處理技術(shù)及相應(yīng)施工機(jī)械與監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步而使這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能，另一方面與與日俱增的客觀需求分不開[1]。一些古建筑的傾斜和相繼倒塌，以及一些新建建筑物因地基處理不當(dāng)或其它原因而發(fā)生傾斜，迫使人們開始重視建筑物的糾偏和基礎(chǔ)托換加固技術(shù)，以減少經(jīng)濟(jì)損失。

目前，由于設(shè)計(jì)、施工的問題而引起建筑物傾斜的例子是非常多的，其造成社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失也是非常明顯的。在對(duì)傾斜的建筑物進(jìn)行傾斜分析和糾偏處理時(shí)，必須要注意的一點(diǎn)就是上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)、地基處于一個(gè)彼此協(xié)調(diào)、相互影響的整體之中，這種相互作用使建筑物處于某一特定形態(tài)，表現(xiàn)為傾斜或沉降過大，或構(gòu)件出現(xiàn)裂縫等，這不僅與地基基礎(chǔ)有關(guān)，還與上部結(jié)構(gòu)的荷載、剛度及施工方式等因素有關(guān)[2-5]。但上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基的協(xié)同作用分析十分復(fù)雜，特別是在糾偏這一復(fù)雜課題中，上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基的正確分析與否將決定糾偏措施的順利進(jìn)行及整座建筑物的安全，因此將兩者結(jié)合一起研究十分必要。

分析某建筑物在糾偏過程中，各部分間的協(xié)同作用,為后續(xù)的斷柱糾偏工作提供可靠依據(jù)。

1 建筑工程頂升糾偏方案確定

1.1 工程概況

山西某電解鋁廠建成未投入使用的3#和4#料倉(cāng)如圖1，為五層圓形鋼筋混土框架結(jié)構(gòu)，頂部為一鋼結(jié)構(gòu)大料斗，其料倉(cāng)位于兩車間之間。項(xiàng)目建成后，建筑場(chǎng)地出現(xiàn)不同程度的非均勻沉降，使得位于車間外側(cè)電解鋁料倉(cāng)出現(xiàn)非均勻下沉和傾斜，料倉(cāng)上部少量混凝土構(gòu)件因變形而出現(xiàn)受力裂縫。經(jīng)鑒定,3#最大傾斜量達(dá)8.57‰，料倉(cāng)頂、底中心軸線最大偏移量212.5 mm，嚴(yán)重影響使用，其原因是場(chǎng)地內(nèi)沿東南方向存在小煤礦采空區(qū)，致使電解鋁料倉(cāng)出現(xiàn)非均勻下沉和傾斜。為確保該項(xiàng)目順利投產(chǎn)，需對(duì)料倉(cāng)進(jìn)行頂升糾偏加固。

1.2 頂升糾偏

該兩料倉(cāng)為八根柱組成的混凝土框架結(jié)構(gòu)，如圖2，柱底為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深4 m。

鑒于該場(chǎng)地地質(zhì)條件，建筑物整體性能好，整體沉降傾斜較大，以及甲方要求工期緊，糾偏方案最初采用的是在每根柱基礎(chǔ)下設(shè)置反力樁，在其上設(shè)置千斤頂，頂升結(jié)構(gòu)。

但當(dāng)基礎(chǔ)開挖后，發(fā)現(xiàn)混凝土基礎(chǔ)與地下基巖整澆為一體，施工無法進(jìn)行，后經(jīng)綜合考慮各種因素，決定在基礎(chǔ)上加鋼筋混凝土托換梁繼而斷柱，托換梁下部設(shè)置千斤頂,由原地基提供反力,通過千斤頂?shù)捻斏齺碚{(diào)整水平位置,頂升后的空隙用鐵塊填塞連接,達(dá)到糾偏的目的。該方法優(yōu)點(diǎn)在于，可以不降低建筑物標(biāo)高，對(duì)地基擾動(dòng)少，糾偏速度相對(duì)較快。

2 結(jié)構(gòu)頂升有限元仿真分析

2.1 建立有限元模型

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在糾偏時(shí)上部結(jié)構(gòu)和下部地基、基礎(chǔ)協(xié)同工作非常重要，ethof[6]在1947年提出此問題，當(dāng)時(shí)他給出了估算框架結(jié)構(gòu)等效剛度的公式以考慮共同作用,基于J.S.Przemieniecki[7]給出的結(jié)構(gòu)的分析方法和O.C.Zeinkeiwicz et al[8]給出的有限元法研究地基基礎(chǔ)共同作用方法，結(jié)合本案每個(gè)柱的不同位置的傾斜量不同，而需頂升量不同，又由于料倉(cāng)上部結(jié)構(gòu)為一框架整體，所以在糾偏工作進(jìn)行前，采用仿真技術(shù)對(duì)糾偏工作進(jìn)行了詳細(xì)地模擬。糾偏有限元分析的幾何模型包括上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)幾何模型按原尺寸取。根據(jù)地基基礎(chǔ)規(guī)范和實(shí)際分析，上部荷載對(duì)地基土體應(yīng)力和位移影響半徑在1～2倍基坑深度，豎向影響范圍為2～3倍基坑深度，據(jù)此，地基模型深度方向取40 m，長(zhǎng)、寬均取60 m。

利用有限元軟件進(jìn)行分析。柱采用BEAM4單元模擬；樓板采用SHELL63單元模擬；基礎(chǔ)是變截面的，采用BEAM189模擬；土體采用實(shí)體建模，采用SOLID45模擬；上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)間的千斤頂采用LINK11模擬；基礎(chǔ)與土間采用線面接觸，接觸單元和目標(biāo)單元分別是CONTA177、TARGE170；千斤頂與柱底采用點(diǎn)點(diǎn)接觸，采用CONTA178單元[9]。

頂升過程需要保證上部結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，混凝土的材料參數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果確定，經(jīng)取芯檢測(cè)，混凝土的強(qiáng)度為38.7 MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，滿足設(shè)計(jì)要求。模型中混凝土材料的彈性模量為3.0×1010Pa，泊松系數(shù)為0.2，密度為2 500 kg/m3。

地基土是典型的非線性材料，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系屬于高度非線性范疇。有限元分析軟件ANSYS采用DP模型來描述土的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。具體有限元模型見圖3。

圖1 料倉(cāng) 圖2 柱編號(hào)圖 圖3 頂升糾偏有限元模型

生成有限元模型后，約束土體四周及底面Ux、Uy、Uz三個(gè)自由度；框架頂部的鋼料斗，以節(jié)點(diǎn)荷載的形式施加在頂部的框架梁上；同時(shí)計(jì)入整個(gè)結(jié)構(gòu)的重力荷載，重力加速度為9.8 m/s2；通過改變千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)量模擬頂升過程。

2.2 頂升糾偏過程四種工況仿真模擬分析

在實(shí)際頂升過程中，由于頂升過程中油壓大小難以控制，繼而難以保證上部結(jié)構(gòu)發(fā)生整體轉(zhuǎn)動(dòng)，所以模擬以下四種工作狀況(簡(jiǎn)稱工況)。

工況Ⅰ 考慮僅某一個(gè)柱子不同步的情況。在模型中，采用僅頂升7#柱，其余柱下不動(dòng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)任意構(gòu)件接近承載力極限狀態(tài)時(shí)，停止加載。

工況Ⅱ 考慮僅相鄰兩柱不能與其余六柱同步的情況。在模型中，采用僅頂升6#、7#柱，其余柱下的千斤頂不伸長(zhǎng)來考慮這種工況。

工況Ⅲ 考慮相鄰三個(gè)柱不能與其余五個(gè)柱同步的情況。在模型中，采用僅頂升5#、6#、7#柱，其余柱下的千斤頂不伸長(zhǎng)來考慮這種工況。

工況Ⅳ 慮相鄰四柱不能與其余四柱同步的情況。在模型中，采用僅頂升5#、6#、7#、8#柱，其余柱下的千斤頂不伸長(zhǎng)來考慮這種工況。經(jīng)對(duì)工況Ⅰ～工況Ⅳ的有限元仿真分析、對(duì)比可知，工況Ⅰ最不利。

對(duì)工況Ⅰ具體結(jié)合料倉(cāng)托換梁和上部結(jié)構(gòu)有限元受力分析如圖4～圖6，分析可知，一、二層頂框架環(huán)梁是最先接近承載力極限狀態(tài)的。3#柱底兩側(cè)托換梁的剪力較大，是因?yàn)?#柱底作為鉸支座，受到約束所致。

圖4 工況Ⅰ托換梁和框架梁的剪力圖(單位：N) 圖5 工況Ⅰ托換梁和框架梁彎矩圖(單位：N·m) 圖6 工況Ⅰ框架柱軸力圖(單位：N)

模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示頂升過程中有以3#柱底為鉸支座轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，因此3#柱的軸力較大，頂升過程中，通過7#柱兩側(cè)的梁抬升6#，8#柱，減小其軸力。對(duì)軸力大的3#柱進(jìn)行承載力驗(yàn)算。經(jīng)驗(yàn)算,所有的柱子均未到達(dá)承載力極限狀態(tài)。

數(shù)據(jù)顯示,除7#外其余各柱的位移為負(fù)值，7#柱與6#、8#柱的豎向位移差等于5.1 mm，表明頂升過程中，7柱帶動(dòng)相鄰框架梁的局部豎向位移，而非整體剛性轉(zhuǎn)動(dòng)。原因是結(jié)構(gòu)的剛度沒有足夠大。7#柱下土體的變形最大如圖7所示，其值為2.4 mm。主要是原因7#柱下地基的附加應(yīng)力最大。各柱在四種工況下土體豎向變位如圖8所示。

圖7 工況Ⅰ土體豎向變形圖(單位：m) 圖8 各柱在四種工況下平均位移量

工況Ⅱ情況， 經(jīng)分析得知，一、二層頂框架環(huán)梁最先接近承載力極限狀態(tài)的。6#、7#柱底位移11.1 mm，1#、4#柱底位移2.5 mm，差異頂升量等于8.6 mm，其余四柱柱底位移為負(fù)值。表明頂升過程中，非剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，而是局部框架梁產(chǎn)生位移。

工況Ⅲ情況， 3#柱彎矩和剪力最大，一、二層頂框架環(huán)梁是最先接近承載力極限狀態(tài)的。3#柱柱底位移最大17 mm，2#、4#柱柱底位移15.6 mm，1#、5#柱柱底位移4.26 mm。,其余各柱柱底位移為負(fù)值。表明頂升過程中，非剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，而是局部框架梁產(chǎn)生位移。

工況Ⅳ考慮相鄰四個(gè)柱子不同步的情況。結(jié)果表明,一層頂框架環(huán)梁最先達(dá)到承載力極限狀態(tài)，此時(shí)千斤頂伸長(zhǎng)27 mm。 數(shù)據(jù)顯示6#、7#柱底位移24.4 mm，5#、8#柱底位移21.9 mm，1#、4#柱底位移7.16 mm，表明頂升過程中料倉(cāng)整體上升。

2.3 糾偏結(jié)果分析

目前，我國(guó)建筑物糾偏技術(shù)規(guī)范[10]尚未明確給出頂升糾偏工程的極限狀。若按照建筑的地基變形允許值控制[11]，則糾偏工程的極限狀態(tài)相鄰的允許差異頂升量為11 mm；若按照受彎構(gòu)件的撓度限制控制[12]，則相鄰的允許差異頂升量為44 mm。由工況Ⅰ～工況Ⅳ的分析可知，各柱頂升量最大不應(yīng)超過8.6 mm，所以若按上述兩種條件控制施工，則構(gòu)件很可能會(huì)喪失承載力。

對(duì)頂升糾偏施工過程各工況進(jìn)行了模擬，通過分析,工況Ⅰ最不利。根據(jù)最不利工況Ⅰ的模型，在7#柱下的千斤頂模擬頂升過程，當(dāng)任意構(gòu)件裂縫寬度到達(dá)0.2 mm時(shí)，達(dá)到鋼筋混凝土裂縫允許寬度最大值，停止加載。計(jì)算表明,一層頂框架環(huán)梁裂縫寬度最先到達(dá)0.2 mm，此時(shí)千斤頂伸長(zhǎng)量是3 mm，相鄰兩柱的差異頂升量為5.1 mm，為此，此次糾偏工作頂升極限量按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用時(shí)最大裂縫寬度限值控制，施工過程嚴(yán)格控制差異頂升量不超過5 mm，降低施工速度，并隨時(shí)觀察結(jié)構(gòu)開裂情況。通過施工前精細(xì)準(zhǔn)備，施工過程嚴(yán)格把關(guān)，整個(gè)頂升過程平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件均未發(fā)現(xiàn)可見裂縫。

于此同時(shí)在施工前，還分析了托換梁剛度變化對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響和托換梁剛度變化對(duì)土體壓縮變形的影響。結(jié)果表明,托換梁的剛度越大，框架梁所受的彎矩和剪力越??；剛度越大土體的壓縮越大。主要原因是托換梁剛度越大，結(jié)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越顯著，7#所承擔(dān)的荷載越大，柱下土體中的附加應(yīng)力相應(yīng)增大，使得的7#柱下的土體壓縮量增大。所以托換梁設(shè)計(jì)要考慮其剛度。

3 料倉(cāng)頂升糾偏加固

3.1 頂升糾偏前監(jiān)測(cè)

在頂升前一層頂板、頂層平臺(tái)、其他各層梁底處、對(duì)各柱的豎向傾斜度等進(jìn)行了測(cè)量。在滿足安全使用的條件下，以生產(chǎn)工藝要求作為頂升依據(jù)，因此以頂層平臺(tái)沉降測(cè)量數(shù)據(jù)作為頂升依據(jù)。

3.2 柱荷載的托換

頂升時(shí)上升力作用于框架柱下，但是要使框架上的荷載能夠得到托換，必須增設(shè)一個(gè)能支承上部結(jié)構(gòu)荷重的托換體系。為此利用植筋技術(shù)增設(shè)鋼筋混凝土托換結(jié)構(gòu)，將框架柱荷載安全有效地傳遞到基礎(chǔ)承臺(tái)上，減少框架梁柱的變形。

要實(shí)現(xiàn)托換頂升前提條件是將柱子與基礎(chǔ)斷開，為保證柱子斷開后，料倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)的安全，以及在頂升過程中結(jié)構(gòu)的整體性。在斷柱前，所做第一項(xiàng)工作是設(shè)計(jì)環(huán)托梁。根據(jù)有限元分析，考慮托換梁剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)上部和下部?jī)?nèi)力和變形影響，在托換梁剛度許可范圍內(nèi)截面盡可能大[12]，以確保上部結(jié)構(gòu)的安全，使上部結(jié)構(gòu)在頂升過程中處于整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。綜合上述分析，同時(shí)又結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工條件、工程造價(jià)、糾偏后的正常使用等方面的因素，決定采用1 000 mm×800 mm的截面，環(huán)托梁形式如圖9所示。

圖9 框架柱基剖面及環(huán)托梁的剖面(單位：mm)

圖10 料倉(cāng)糾偏后框架柱與基礎(chǔ)連接

環(huán)托梁將8根柱子包裹起來，形成整體，如圖10。環(huán)托梁采用C50混凝土，受力主筋和柱子之間的連接采用植筋技術(shù)。另外，在原地環(huán)梁上用植筋方式埋設(shè)圓鋼，向上通過托換梁預(yù)埋鋼管伸入托換梁中，防止頂升料倉(cāng)時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)及水平位移。柱兩側(cè)的托換梁內(nèi)預(yù)留空洞，將千斤頂放置在托換梁的預(yù)留空洞內(nèi)，便于操作。

當(dāng)環(huán)托梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%時(shí)，開始切斷柱子，柱荷載通過托換系統(tǒng)傳至基礎(chǔ)承臺(tái)。

3.3 頂升及頂升后框架柱、基礎(chǔ)連接恢復(fù)工作

根據(jù)有限元分析結(jié)合施工易操作性，采用了任意構(gòu)件達(dá)到承載力極限狀態(tài)作為糾偏工程的極限狀態(tài)。頂升過程千斤頂伸長(zhǎng)量控制在3 mm以內(nèi)，相鄰兩柱的差異頂升量控制為5 mm以內(nèi)，并重點(diǎn)監(jiān)測(cè)一層頂框架環(huán)梁和二層頂框架環(huán)梁的變形和裂縫的發(fā)展。

頂升到位后，應(yīng)在柱兩側(cè)植筋，使柱子與基礎(chǔ)連成整體，以保證長(zhǎng)期使用的安全，柱鋼筋采用等截面、等強(qiáng)鋼筋植筋連接，錨固長(zhǎng)度適當(dāng)加大，柱箍筋加密，斷柱區(qū)域用更高一級(jí)灌漿料澆筑。連接鋼筋的數(shù)量不小于原柱縱向鋼筋數(shù)量，托換環(huán)梁與原基礎(chǔ)梁間的縫隙用強(qiáng)度是C35的灌漿料灌注。

4 結(jié)論

通過40 d的施工，該建筑物的傾斜得到了糾正。糾偏前，3#、4#料倉(cāng)傾斜率分別為8.57‰、5.64‰，糾偏后,房屋傾斜率分別恢復(fù)到1.14‰、0.64‰。滿足國(guó)家有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求[11-12]，托換系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工、頂升順序、頂升設(shè)備的選用是成功的，在整個(gè)頂升糾偏過程中，上部結(jié)構(gòu)柱、梁、板沒發(fā)現(xiàn)任何變形和開裂等異常情況，使該房屋轉(zhuǎn)危為安，保證了房屋安全和正常使用，避免了對(duì)3#、4#倉(cāng)拆除重建，為甲方按期投入生產(chǎn)爭(zhēng)取了時(shí)間。綜合效益十分顯著。

糾偏工程實(shí)踐表明，影響建筑物產(chǎn)生傾斜的因素是多方面的。在大多數(shù)情況下上部結(jié)構(gòu)和地基存在協(xié)同工作情況，共同作用分析合理與否關(guān)系到糾偏工作的成敗。為了取得比較理想的糾偏加固效果，針對(duì)不同的工程實(shí)際，應(yīng)該在查明建筑物傾斜原因的基礎(chǔ)上選擇相應(yīng)的糾偏加固技術(shù)，并做好事前理論分析工作，做到既節(jié)約投資又安全可靠。

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