不均勻沉降下既有建筑主動托換施工方案設計研究

閆曉潔 （山東華邦建設集團有限公司，山東 濰坊 262500）

近年來，國內外學者針對既有建筑主動托換施工方案進行了大量研究，這些研究主要集中在托換技術的研究與開發、施工工藝的優化、安全措施的完善等方面，代表性的研究成果包括：為提高既有建筑主動托換施工技術的安全性和有效性，國內外學者積極開展新技術的研發工作，如高性能混凝土添加劑、新型鋼構節點等；針對不同類型和規模的既有建筑，學者們研究了與之相適應的主動托換施工工藝，如梁式托換、樁式托換等，以滿足施工過程中的受力要求和環境條件；為確保既有建筑主動托換施工順利進行，學者們著重對施工過程中的安全監控、應急預案等方面進行了深入研究。

主動托換施工方案的設計是為了確保既有建筑結構在施工過程中的安全性和穩定性。由于建筑結構類型、使用年限、材料性能等因素的差異，不同的建筑結構在不同程度上存在安全隱患。通過制定合理的主動托換施工方案，可以有效降低或避免施工過程中的結構變形、裂縫等潛在風險，保證建筑結構的安全。為深化主動托換在有關領域的推廣應用，以不均勻沉降作為背景，對此展開研究。

1 既有建筑主動托換中的結構力學轉換分析

既有建筑主動托換施工方案的設計需要考慮到社會的可持續發展需求。通過合理利用資源、減少能源消耗、降低環境污染等措施，主動托換施工方案可以實現既有建筑的綠色改造和可持續發展。同時，對于城市更新和舊城改造等項目，主動托換施工方案可以促進城市空間的有效利用和歷史文化保護，推動城市的可持續發展。

為深化主動托換施工方案，主梁采用新樁+托換梁的門式托換結構，其形式與原基礎的連接形式不同，可采用下承梁和增設梁。下承梁是在原來的基礎承臺下面，直接支撐已有的基礎承臺，基礎承臺荷載由下承梁直接承擔。但由于既有建筑的新舊混凝土連接問題，應格外關注托換工程在連接處的應力狀況及安全性。根據項目施工方的要求，試點工程必須進行樁基的托換，本次托換的樁基由6根獨立樁基、5根下排樁構成。

結合相關工程經驗可知，為了確保托換層施工的順利實施，應在作業過程中保證抗剪接頭的承載力，提高其承載力的方法主要有兩種，其一是增加既有建筑新舊混凝土結合區域的摩擦阻力與粘結強度，包括對接頭位置進行打毛處理、刷涂界面劑等；其二，在接頭位置增加構造措施，優化托換接頭受力狀態（在工程實際應用中，通常會采用多種措施，包括植入錨筋、將接頭鑿成企口型式等）。

在此過程中，主動端滑移與接頭剪力之間的關系如圖1所示。

圖1 主動端滑移與接頭剪力之間的關系

從圖1可以看出，0～△0之間為彈性階段，對應I階段，在此過程中所產生的位移主要由梁體結構彎曲變形、沉降變形所產生，此階段所產生的變形并不代表梁柱結構在托換過程中產生了相對滑移；△0～△1階段為第II階段，此階段為塑性分布階段，梁柱結構在托換層中的不均勻摩阻力開始變得越來越均勻，也可以將此階段稱之為彈塑性握裹階段，在此種條件下，主動端產生了初始滑移；△1～△2階段為第III階段，此階段被稱之為線彈性階段，此階段是指隨著接頭整體滑移行為的發生，既有建筑托換層新舊混凝土之間的鋼筋銷栓作用、企口咬合力完全發揮；△2～△3 階段為第IV 階段，此階段為破壞階段，當作用力發揮到一定程度時，剪切面屈服強度達到一個較強的數值，混凝土發生了局部擠壓破壞，結構中的托換層承載潛力被耗盡，此時接頭的抗剪能力已經達到了承載極限，荷載無法再上升，并呈現逐步下降趨勢，接頭整體滑移較大。

通常情況下，將I階段與III階段的延長線進行相交處理，此時會產生一個交點，此交點對應的荷載值為Q1，Q1對應的數值為托換層接頭整體結構發生初始滑移荷載的數值。主動端的初始化滑移荷載值為Q0，對應的極限破壞荷載值為Qp。

為確保托換層中的接頭結構抗剪強度可以滿足或符合技術規范要求，接頭的抗剪強度應當滿足：接頭初始滑移的荷載值應＞1.3×托換層荷載值；接頭結構的極限承載力應＞2×托換荷載。以上文所述的試點工程為例，樁基的最大托換荷載值為1.8×104kN，則對應的接頭初始化滑移荷載值為2.34×104kN、極限破壞荷載值為3.6×104kN。可以對托換結構的柱截面尺寸進行適當調整，同時，優化梁柱接頭的不同角度（斜交狀態），選擇適合托換層施工的接頭型式，確保相關工作在實施中可以達到預期效果。

2 主動托換施工方案設計

2.1 上托盤梁結構設計與方案

基于上述分析結果，對不均勻沉降下既有建筑主動托換施工方案進行設計。對于墻體結構的托換，墻內支撐采用普通的縱向和橫向雙夾墻梁，其中一根梁采用800mm×800mm橫斷面，在墻體2m位置設Φ203mm管棚抬梁，并配設200mm穿墻鋼筋以增強抗剪能力[1]。上托架梁面距室內地面0.10m。若根據現場實際監測情況得出建筑存在不均勻沉降問題，則需要在糾偏項目中對上托盤梁進行設計[2]。

一般托盤梁結構的總荷載在10000kN 以上[3]。結合實際施工過程中可能會造成不均勻沉降問題，對結構荷載增加造成的沉降進行理論驗算[4]。

錨桿靜壓樁在上承臺梁完成后所產生的拖曳力，在理論上遠大于單個荷載作用下所產生的沉降，且由于壓樁過程尚未將樁帽完全轉移到樁基礎上，需要考慮牽引沉降[5]。基于以上分析，本項目擬采用16mm@480mm的HRB400鋼筋及1根穿墻式鋼管棚，通過計算上部支撐梁的高度，保證托換型節點的豎向承載能力[6]。上托盤梁結構如圖2所示。

圖2 上托盤梁結構

2.2 標高放樣

確定上托盤梁結構后進行標高放樣，可采用以下三種不同的放樣方案。

第一種方案：依據沉降分區實測資料，在平面圖上直線布置房屋差異沉降資料，上托盤梁高度800mm，以1m/點的方式確定高程。但由于下列原因，實際采用這種方式來確認標高是無法實施的[7]：第一，由于建筑物的不均勻沉降使建筑物的軸線產生了很大的偏差，使原來的設計和標高與現場放樣產生了很大的偏差；第二，內外不能透視，不能對建筑物的地表沉陷進行直觀反饋；第三，室內磚地基分割縱橫，給放樣工作帶來了很大的難度。

第二種方案：結合現場測量得到的結果，獲得建筑對角的高差[8]。通過實際測量距離按線性比例確定各個上托盤梁結構的標高。該方法能較好地解決方案一中出現的誤差，提高了工程精度。

第三種方案：結合房屋外觀進行放樣。從理論角度出發，建筑的不均勻沉降不會影響到建筑物上窗臺、室外勒腳、基礎放大腳之間的距離，因此結合這一特點，測量室外勒腳與第一層基礎放大腳之間的間隔距離，判斷其是否與勒腳、窗臺的間隔距離一致，如圖3所示。

圖3 勒腳底邊與第一層放大腳位置關系立面圖

在此基礎上，結合設計要求將第一層的擴底處作為上底板的梁底標高，以此確定整體的上底板梁標高。通過比較分析，雖然第一種方案的測量精度最適宜，但是在實際測試中受到原有隔斷的影響，室內外轉換的難度很大。第二種方案的操作更容易實現。

2.3 主動托換施工

在施工過程中應用主動托換機械頂升裝置，該裝置可以實現隨時調控，從而使托換過程中上托盤梁結構的變形得到控制。在新梁與托換結構固結之前，可以利用上托盤梁結構的荷載對其進行預壓，以此使上托盤梁結構具有靜壓特點，消除部分沉降，并使托換后上部結構的沉降降低。主動托換層每次作用后，等效為在托換梁上再加一次垂直荷載，增加托梁承載力，進一步使其下承托梁下部受力。托換梁下的托換樁卸荷對截樁有利，但上部柱體如超載或因不均勻超壓而產生彎曲，對結構安全構成威脅。為此，有必要對頂升力進行合理分配，從而選擇合適的頂升方案。

2.4 灌漿施工

漏洞的頂部高出鋼管上沿，具體位置如圖4所示。

圖4 灌漿結構示意圖

利用注漿體本身的流動特性，將注漿體嵌入到鋼管中部，從而確保注漿體密實，直至從另外一個漏斗中流出來的泥漿超出了鋼管的上端，即為已經注滿。在鋼管和墻洞之間的間隙，首先用水泥漿封住兩邊的裂縫，然后在鋼管的一側留下一個注漿孔，然后從一端注入，從另一頭出水口流出，則說明裂縫已經充滿。在墻板上部100mm處設置16mm@480mm構造箍筋植筋，提高界面抗剪能力。將螺釘緊固至預定位置，再用托盤梁加固，并用膠帶將高于托盤梁的螺栓纏繞起來，以避免混凝土澆筑過程中出現粘固等問題。

3 結語

隨著社會進步和科技發展，既有建筑結構的維護和加固逐漸成為工程界關注的熱點。主動托換技術作為一種先進的加固方法，在保證既有建筑結構安全、延長使用壽命方面具有顯著優勢。

既有建筑主動托換施工方案的設計不僅滿足當前的使用要求，還應考慮未來的發展需求。合理的主動托換施工方案可以有效改善既有建筑結構的受力性能和使用性能，延長其使用壽命。同時，對于具有歷史價值的建筑，主動托換施工方案還可以在保護原有建筑風格和歷史文化遺產的基礎上，提高其結構安全性和使用價值。為此，本文在分析了主動托換中的結構力學轉換問題后，通過上托盤梁結構設計、標高放樣、主動托換、灌漿，完成了施工技術方案的研究。在實際工程中，應根據具體項目的特點和需求，制定科學、合理、可行的主動托換施工方案，為既有建筑的安全和可持續發展提供有力保障。