既有建筑結構在地基擾動情況下的結構響應

李天際

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

1 工程概況

復旦大學相輝堂是上海市第四批優秀歷史建筑，為三類保護建筑，總建筑面積為5 047 m2。項目包括相輝堂修繕和北堂擴建（圖1），其中修繕面積1 777 m2；北堂擴建工程，地上建筑面積2 070 m2，地下建筑面積1 200 m2。建筑層數為地下1層、地上2層，建筑高度為14.75 m。

圖1 項目平面示意

相輝堂復建于1947年，房屋主體為木屋架、鋼筋混凝土框排架混合結構體系。其中1層結構為混凝土框架結構，2層結構為混凝土排架結構，柱頂設有鋼筋混凝土圈梁。基礎為柱下獨立基礎，基礎墊層為厚101 mm素混凝土，基礎埋深約－0.9 m。房屋外墻采用254 mm青磚，石灰砂漿砌筑。相輝堂作為三類保護建筑，建筑的立面和結構體系不得改變，空間格局、入口門廳及其原有特色裝飾也為重點保護部位，修繕標準較高。

相輝堂在工程開工前，經檢測鑒定，實心黏土磚強度等級達到MU5，砂漿強度等級為M1。原結構1層、2層實測混凝土強度分別為C18和C15。房屋有多處老化損傷，經驗算，主體結構在正常使用情況下安全性不足，綜合抗震能力不滿足抗震鑒定要求[1-5]。

2 施工內容及沉降監測

2.1 施工內容

擴建工程地下室開挖面積2 886 m2，基坑周長256 m，地下室基本挖深5.6 m，局部深坑開挖深度近10 m。基坑圍護體系采用鉆孔灌注樁和三軸攪拌樁止水帷幕（局部SMW工法樁）。基坑部分主要施工內容包括：圍護、降水、破樁、挖土、圈梁、棧橋、支撐等，該部分的施工會對既有建筑產生不利影響。

2.2 沉降監測

軟土地層條件下的基坑施工時，施工機械對周圍土體擾動和施工工藝對土體物理力學性態的改變會使周邊土體產生形變（沉降或隆起及水平位移），從而造成周邊環境的變形，因此需要對鄰近建筑物等進行動態監測（圖2）。監測點F30～F52分別布置于相輝堂南北側樓梯、周邊及內部。

3 有限元數值模擬

3.1 基礎沉降

3.1.1 數值模型及參數

采用有限元軟件MIDAS GTS對實際擴建基坑及相輝堂進行建模，用以分析基坑開挖對相輝堂基礎沉降的影響（圖3、表1）。

圖2 相輝堂監測點位布置示意

圖3 整體模型與相輝堂模型

表1 土體參數

3.1.2 分析結果

施工工況的不同，對緊鄰基坑的歷史保護建筑的影響也不同[6-8]。工程采用的主要工況為：靜壓錨桿樁施工、基坑支護及樁施工、第1層土方施工、內撐圍檁施工、第2層土方施工和承臺大底板施工（表2）。

3.1.3 數據處理

通過擬合方法，對表2中的模擬值與對應的監測值進行平均處理（圖4），用以消除差異。再通過插值法，獲取相輝堂所有柱子的沉降位移。由圖4可知，監測值和模擬值趨勢吻合較好。

表2 沉降變形模擬結果（單位：mm）

圖4 數據處理

3.2 結構響應

3.2.1 數值模型及參數

利用有限元軟件MIDAS GEN，建立相輝堂數值模型（圖5）。模型中，分別使用了梁單元、柱單元以及桁架單元。1層結構混凝土為C18，2層結構混凝土為C15。木材為松木，抗彎強度取10.4 MPa。

模型中，1層鋼筋混凝土柱截面分別為254 mm×254 mm、305 mm×305 mm和305 mm×406 mm，其縱筋分別為φ12.7 mm、φ15.9 mm和φ19.1 mm，箍筋為φ6.4 mm@76 mm～254 mm。2層鋼筋混凝土柱截面分別為254 mm×254 mm和305 mm×305 mm，縱筋為φ12.7 mm，箍筋為φ6.4 mm@76 mm～254 mm。柱頂圈梁截面尺寸為254 mm×203 mm，縱筋為φ9.5 mm，箍筋為φ6.4 mm@254 mm。鋼筋混凝土梁截面分別為203 mm×356 mm、254 mm×356 mm、254 mm× 508 mm、254 mm×762 mm和254 mm×813 mm，其縱筋分別為φ12.7 mm、φ15.9 mm、φ19.1 mm和φ25.4 mm，箍筋為φ6.4 mm/7.9 mm@51 mm～305 mm。屋架上弦、下弦和斜腹桿為矩形木材，截面尺寸分別為152 mm×305 mm、152 mm×305 mm和152 mm×254 mm。

3.2.2 分析結果

結合3.1.3節中數據處理結果，獲取相輝堂所有柱子的沉降位移后，將所有沉降位移導入至MIDAS GEN的結構分析模型中（主要通過強制位移手段，將位移匹配到相應柱的模型中），通過計算獲取相輝堂在各施工工況下結構的應力和變形（圖6）。分析中對應的施工工況分別為：靜壓錨桿樁施工、基坑支護及樁施工、第1層土方施工、內撐圍檁施工、第2層土方施工和承臺大底板施工。

圖5 模型及約束條件

圖6 變形等值線

由圖6可知，在靜壓錨桿樁施工階段，結構產生的最大拉壓應力分別為2.6、2.7 MPa，最大變形為4.8 mm，且變形主要集中于相輝堂北側外框柱中部區域；基坑支護及樁施工階段，結構產生的最大拉壓應力分別為8.9、9.6 MPa，最大變形為5.2 mm，變形主要集中于相輝堂北側外框柱中部及對應屋架上弦桿附近；第1層土方施工階段，結構產生的最大拉壓應力分別為2.4、2.1 MPa，最大變形為4.1 mm，變形主要集中于北側和西側外框柱、梁、圈梁及對應屋架上弦桿附近；內撐圍檁施工階段，結構產生的最大拉壓應力分別為3.2、2.0 MPa，最大變形為6.3 mm，變形主要集中于北側外框柱、梁和圈梁處；第2層土方施工階段，結構產生的最大拉壓應力分別為10.8、5.7 MPa，最大變形為11.6 mm，變形主要集中于東北部的框架柱和梁附近；承臺大底板施工階段，結構產生的最大拉壓應力分別為24.4、14.4 MPa，最大變形為16.8 mm，主要集中于西側內部框架柱和梁附近。

由以上對比可知，在北堂承臺大底板施工階段對相輝堂的影響較大。

4 結語

優秀歷史保護建筑修繕及擴建工程一向標準高、難度大，主要在于不同施工工況和施工順序會對既有建筑結構產生不同的影響。使用有限元分析軟件MIDAS GTS，用以研究不同施工工況對既有建筑結構基礎產生的沉降影響，是保障原有建筑結構安全的重要手段。在獲取沉降數據的基礎之上，將數據導入MIDAS GEN結構分析軟件中，用以研究在不同施工工況下既有建筑結構的響應。而在不同施工工況下獲取的既有建筑結構構件的應力和變形可以為后續修繕工程提供理論支撐。

經相輝堂項目對上述思路和方法的運用，證實該方法對于指導優秀歷史保護建筑修繕及擴建工程的施工具有可行性，可供類似工程借鑒。