北方山區(qū)磚混結(jié)構(gòu)頂升糾傾技術(shù)研究與應(yīng)用*

張永前，付素娟，王立軍，賈媛媛，劉澤東

（1．河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2．河北省建筑科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；3．河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050021；4．河北星球建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 張家口 075000）

0 引言

近年來(lái)，北方山區(qū)場(chǎng)地建筑由于地基不均勻沉降造成的房屋傾斜問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。頂升法是對(duì)既有建筑糾傾的一種常用方法，憑借其投資少、工期短、效果良好等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用［1］。由于頂升糾傾技術(shù)涉及內(nèi)容繁雜，要求設(shè)計(jì)和施工人員明確掌握結(jié)構(gòu)、構(gòu)件力學(xué)及變形特性、結(jié)構(gòu)傳力途徑，根據(jù)工程特點(diǎn)選擇糾傾方法，并對(duì)頂升過(guò)程中建筑的受力及變形情況進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而制定安全可靠的加固方案，合理安排施工順序。否則有可能導(dǎo)致“越糾越傾”，甚至造成房屋倒塌，危及生命安全。下文結(jié)合某磚混結(jié)構(gòu)的頂升糾傾工程進(jìn)行介紹。

1 工程概況

該建筑為地下1層、地上6層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓，鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，建筑高度18．87m，縱向長(zhǎng)度67．3m，橫向長(zhǎng)度14m。建筑由5個(gè)單元組成，其中2單元與3單元交接處設(shè)置1道變形縫，并未設(shè)置伸縮縫，建筑平面布置如圖1所示。建筑投入使用3年后，變形縫西側(cè)3個(gè)單元樓體向西北方向發(fā)生嚴(yán)重傾斜，東向西沉降差為222mm，傾斜率5．5‰；南向北沉降差為45mm，傾斜率為4．7‰，均高于規(guī)范中4‰的允許值［2］。根據(jù)勘察檢測(cè)報(bào)告分析，該建筑傾斜的原因主要有以下3點(diǎn)。

圖1 建筑平面

1）該建筑位于山下，建造時(shí)為平整場(chǎng)地，地基處理采用了大量填土，造成地基土質(zhì)東西分布不均。地基土以變形縫為界，1～2單元為基巖地基，3～5單元為素填土地基，且填土層中存在大量建筑垃圾和生活垃圾，未能達(dá)到設(shè)計(jì)地基承載力。

2）建筑西側(cè)地勢(shì)較低，排水不暢，長(zhǎng)期受雨水浸泡等影響，造成填土層含水率過(guò)高，產(chǎn)生局部沉降。

3）該建筑5單元北側(cè)附近的化糞池漏水，加劇房屋傾斜程度，使其向西北方向傾斜。

2 糾傾加固方案

2.1 糾傾方法選擇

由于該建筑只有伸縮縫西側(cè)的3個(gè)單元樓體傾斜率超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，東側(cè)樓2個(gè)單元沉降觀測(cè)穩(wěn)定。建筑東西地基土質(zhì)不均，若采用掏土法迫降糾偏，掏土量不易控制，也必然使伸縮縫以西部分產(chǎn)生附加沉降；且原建筑西側(cè)地勢(shì)較低，迫降糾傾不能改變其不利地勢(shì)。根據(jù)工程特點(diǎn)及問(wèn)題，最終選用頂升糾傾法，從根本上治理地基不均勻沉降和建筑傾斜的問(wèn)題。

2.2 方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于磚混結(jié)構(gòu)自重較大，延性差，頂升糾傾過(guò)程將改變結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，條形基礎(chǔ)受力由地基的均布作用，變?yōu)榍Ы镯斂刂频募凶饔谩Ｈ魤w受力不均易產(chǎn)生裂縫，為防止上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中、變形不均勻的影響，頂升糾傾設(shè)計(jì)的重點(diǎn)如下。

1）安全的頂升托換體系 應(yīng)具備一定的剛度儲(chǔ)備，能夠與墻體有良好的共同作用，保證豎向荷載的均勻傳遞；又要具備一定的延性，協(xié)調(diào)頂升過(guò)程的受力和變形，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次損傷。

2）平穩(wěn)的頂升施工過(guò)程 精確控制各測(cè)點(diǎn)千斤頂頂升速度、頂升位移，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)構(gòu)件的受力及變形，保證線性同步糾傾。

2.3 具體方案

1）止傾加固 在建筑物縱橫墻交接處的基礎(chǔ)下方設(shè)置人工成孔托換樁（樁徑800mm），樁長(zhǎng)12～16m，共計(jì)60根，樁端進(jìn)入持力層深度不小于規(guī)范限值要求，改變結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式，增強(qiáng)基礎(chǔ)承載力，同時(shí)為建筑頂升提供反力。

2）托換加固 在條形基礎(chǔ)上部墻體采用混凝土雙梁夾墻方式進(jìn)行托換（單梁截面250mm×500mm），增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及剛度，保證千斤頂?shù)募凶饔镁鶆蛳蛏蟼鬟f［3］。

3）頂升方案 以樁基礎(chǔ)承臺(tái)為反力支座，選擇條形基礎(chǔ)底面為頂升面，在樁承臺(tái)與基礎(chǔ)之間布置千斤頂，對(duì)建筑進(jìn)行頂升糾傾。

4）整體加固 頂升糾傾結(jié)束后，用預(yù)制的等高鋼墊塊置換千斤頂將其撤出，隨后將原基礎(chǔ)、鋼墊墩和人工成孔樁澆筑成整體，使建筑物基礎(chǔ)形式由條形基礎(chǔ)變?yōu)闃痘A(chǔ)，如圖2所示。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型及模擬參數(shù)

在ABAQUS軟件中，為減少整體建模計(jì)算量，保證模擬收斂精度，選擇結(jié)構(gòu)中傾斜最嚴(yán)重的第5單元進(jìn)行1∶1有限元數(shù)值分析，研究頂升糾傾過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力及變形。其中，墻體厚240mm，樓層高2600mm，樓板厚120mm，托換梁截面500mm×500mm，條形基礎(chǔ)（將其簡(jiǎn)化為矩形截面1100mm×500mm）?；A(chǔ)、混凝土及上部結(jié)構(gòu)均采用C3D8單元，結(jié)構(gòu)采用整體式配筋，以保證鋼筋與混凝土之間有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度而實(shí)現(xiàn)共同作用，將鋼筋與混凝土嵌入約束［4］。有限元分析中主要材料參數(shù)如下：C35混凝土，密度為 2500kg／m3，彈性模量3．15×1010N／m2，泊松比為 0．2；鋼筋密度為7800kg／m3，彈性模量為 2．1×1011N／m2，泊松比為 0．3，屈服強(qiáng)度為400MPa；MU10普通磚和M5水泥砂漿的磚砌體密度為 1937kg／m3，彈性模量 2．55×1010N／m2，泊松比為0．25。單元整體有限元模型如圖3所示。

圖2 頂升糾傾加固

圖3 單元整體有限元模型

3.2 邊界條件和模擬過(guò)程

1）各樓層和構(gòu)件之間均采用綁定約束（Tie），采用鋼墊板和參考點(diǎn)耦合組成的結(jié)構(gòu)模擬該單元所需的22個(gè)千斤頂（分布見(jiàn)圖4），保證墊塊與基礎(chǔ)之間力的傳遞，防止施加點(diǎn)荷載產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題［5］。

2）數(shù)值計(jì)算中，第1步對(duì)模型施加自重荷載，第2步根據(jù)幅值施加頂升位移荷載。頂升糾傾是一個(gè)緩慢變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，糾傾過(guò)程中建筑物移動(dòng)的速度和加速度均較小，在有限元模擬中將其視為靜態(tài)變化過(guò)程。結(jié)合實(shí)際施工頂升速率，將各點(diǎn)的單步增量幅值控制在3mm以?xún)?nèi)，平穩(wěn)加載至所需頂升量［6］。

圖4 數(shù)值模擬千斤頂分布

3.3 模擬分析結(jié)果

頂升糾傾過(guò)程中，千斤頂?shù)募辛Ω淖兞嗽薪Y(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。有限元模擬過(guò)程應(yīng)保證托換體系與結(jié)構(gòu)整體的協(xié)調(diào)性，控制頂升過(guò)程的平穩(wěn)性。下面從結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的受力和變形2個(gè)角度出發(fā)，對(duì)頂升糾偏進(jìn)行分析。

1）受力分析 從圖5a、5b可看出，整體結(jié)構(gòu)在重力和千斤頂作用下，千斤頂?shù)募泻奢d從條形基礎(chǔ)到托換梁逐步擴(kuò)散，傳遞至墻體時(shí)已基本均勻。在條形基礎(chǔ)下邊緣的頂升位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力3．068MPa。條形基礎(chǔ)底部跨中受拉，最大拉應(yīng)力為0．706MPa，應(yīng)力變化從梁端向中部遞減，均小于混凝土抗拉、抗壓極限值。圖5c中顯示，上部結(jié)構(gòu)整體處于壓應(yīng)力狀態(tài)（壓應(yīng)力為0．7MPa），集中荷載變化主要對(duì)地下1層墻體產(chǎn)生輕微應(yīng)力集中，底層局部門(mén)窗洞口拉應(yīng)力集中，整體均小于磚砌體極限承載限值。總體而言，千斤頂?shù)募凶饔脤?duì)底部3層墻體影響較大，對(duì)上部樓層影響很小，整個(gè)加載過(guò)程上部結(jié)構(gòu)受力安全。

2）變形分析 從圖5d中可看出，整個(gè)糾傾模擬過(guò)程中的最大撓度均出現(xiàn)在托換結(jié)構(gòu)底部跨中，最大撓度達(dá) 0．09mm，是計(jì)算跨度的 1／38888（0．09／3500），遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件撓度限值（計(jì)算跨度的1／400）的規(guī)定，說(shuō)明該設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)變形要求，整體加載過(guò)程結(jié)構(gòu)變形安全［7］。

4 工程試驗(yàn)

4.1 糾傾施工過(guò)程

圖5 有限元計(jì)算云圖

糾傾施工時(shí)采用高精度的PLC同步頂升控制系統(tǒng)，在托換梁側(cè)面布置應(yīng)變傳感儀，各測(cè)點(diǎn)布置位移計(jì)，自動(dòng)采集施工中頂升力、頂升位移及托梁受力的變化情況。整個(gè)糾傾施工分為頂升稱(chēng)重、由北向南糾傾、由西向東糾傾和局部調(diào)整4個(gè)過(guò)程。

4.2 工程數(shù)據(jù)分析

以5單元①軸托梁為例，整個(gè)頂升糾傾過(guò)程中①、③、⑤（梁端支座）軸處應(yīng)力較大，②、④軸（跨中）應(yīng)力較小，符合有限元模擬中托梁受力從端部向跨中應(yīng)力遞減，底部梁端壓應(yīng)力集中，跨中受拉應(yīng)力的結(jié)果。頂升稱(chēng)重初始，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力較小，說(shuō)明托梁最初受力均勻；稱(chēng)重過(guò)程千斤頂?shù)募泻奢d逐步增大，直到建筑由千斤頂完全頂起時(shí)，托梁內(nèi)力達(dá)到最大，完成了由條形基礎(chǔ)向樁基的轉(zhuǎn)化過(guò)程。糾傾施工過(guò)程托梁內(nèi)力受頂升荷載變化的影響，托梁端部受影響最大，梁端所受壓應(yīng)力波動(dòng)在 0．2～1．5MPa，托梁中部受拉應(yīng)力，波動(dòng)范圍在 0．2～0．4MPa，隨著頂升位移變化而上下波動(dòng)。局部調(diào)整時(shí)托梁的內(nèi)力整體趨于穩(wěn)定，最終梁端壓應(yīng)力穩(wěn)定在1．4MPa，梁中拉應(yīng)力為0．36MPa。整個(gè)糾傾施工過(guò)程安全平穩(wěn)，托換結(jié)構(gòu)受力均處于極限承載范圍內(nèi)。

本次工程工期近3個(gè)月，頂升糾傾過(guò)程近6h，最大糾傾頂升量 233．06mm，將建筑的傾斜率由5．5‰降至 0．6‰，基本恢復(fù)垂直。目前，該工程已完成并使用1年多，經(jīng)觀測(cè)沒(méi)有發(fā)生新的沉降、傾斜和地基損傷。

5 結(jié)語(yǔ)

1）人工成孔樁結(jié)合鋼筋混凝土托換梁技術(shù)是治理北方山區(qū)磚混結(jié)構(gòu)傾斜問(wèn)題的有效方法，不僅滿足頂升糾傾的安全性要求，同時(shí)增強(qiáng)了建筑結(jié)構(gòu)的整體性，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。

2）ABAQUS有限元分析結(jié)果表明：千斤頂附加的集中作用，經(jīng)托換結(jié)構(gòu)傳遞至墻體時(shí)已基本均勻，托梁和上部結(jié)構(gòu)的墻梁協(xié)同作用良好，整個(gè)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件受力及變形均有較大的安全儲(chǔ)備。

3）工程監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合，證明有限元模擬分析可靠，為施工安全提供預(yù)先把控。

4）通過(guò)該建筑傾斜原因的分析，提醒在建筑設(shè)計(jì)、施工中應(yīng)注意山區(qū)填土地基的合理處理，防止地基土質(zhì)不均對(duì)建筑造成傾斜隱患，同時(shí)該工程具體糾傾方案可為類(lèi)似工程提供參考。