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(石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

20世紀后半葉，建筑物的糾偏技術、托換技術、平移技術及增層改造時的地基基礎加固技術逐漸興起。一方面是由于土力學理論的發(fā)展、地基處理技術及相應施工機械與監(jiān)測技術的進步而使這些技術的實現成為可能，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托換加固技術，以減少經濟損失。

目前，由于設計、施工的問題而引起建筑物傾斜的例子是非常多的，其造成社會影響和經濟損失也是非常明顯的。在對傾斜的建筑物進行傾斜分析和糾偏處理時，必須要注意的一點就是上部結構和基礎、地基處于一個彼此協(xié)調、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)，表現為傾斜或沉降過大，或構件出現裂縫等，這不僅與地基基礎有關，還與上部結構的荷載、剛度及施工方式等因素有關[2-5]。但上部結構、基礎和地基的協(xié)同作用分析十分復雜，特別是在糾偏這一復雜課題中，上部結構、基礎和地基的正確分析與否將決定糾偏措施的順利進行及整座建筑物的安全，因此將兩者結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。

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#料倉如圖1，為五層圓形鋼筋混土框架結構，頂部為一鋼結構大料斗，其料倉位于兩車間之間。項目建成后，建筑場地出現不同程度的非均勻沉降，使得位于車間外側電解鋁料倉出現非均勻下沉和傾斜，料倉上部少量混凝土構件因變形而出現受力裂縫。經鑒定,3#最大傾斜量達8.57‰，料倉頂、底中心軸線最大偏移量212.5 mm，嚴重影響使用，其原因是場地內沿東南方向存在小煤礦采空區(qū)，致使電解鋁料倉出現非均勻下沉和傾斜。為確保該項目順利投產，需對料倉進行頂升糾偏加固。

1.2 頂升糾偏

該兩料倉為八根柱組成的混凝土框架結構，如圖2，柱底為條形基礎，基礎埋深4 m。

鑒于該場地地質條件，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下設置反力樁，在其上設置千斤頂，頂升結構。

但當基礎開挖后，發(fā)現混凝土基礎與地下基巖整澆為一體，施工無法進行，后經綜合考慮各種因素，決定在基礎上加鋼筋混凝土托換梁繼而斷柱，托換梁下部設置千斤頂,由原地基提供反力,通過千斤頂的頂升來調整水平位置,頂升后的空隙用鐵塊填塞連接,達到糾偏的目的。該方法優(yōu)點在于，可以不降低建筑物標高，對地基擾動少，糾偏速度相對較快。

2 結構頂升有限元仿真分析

2.1 建立有限元模型

鋼筋混凝土框架結構在糾偏時上部結構和下部地基、基礎協(xié)同工作非常重要，ethof[6]在1947年提出此問題，當時他給出了估算框架結構等效剛度的公式以考慮共同作用,基于J.S.Przemieniecki[7]給出的結構的分析方法和O.C.Zeinkeiwicz et al[8]給出的有限元法研究地基基礎共同作用方法，結合本案每個柱的不同位置的傾斜量不同，而需頂升量不同，又由于料倉上部結構為一框架整體，所以在糾偏工作進行前，采用仿真技術對糾偏工作進行了詳細地模擬。糾偏有限元分析的幾何模型包括上部結構、基礎和地基，上部結構與基礎幾何模型按原尺寸取。根據地基基礎規(guī)范和實際分析，上部荷載對地基土體應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，據此，地基模型深度方向取40 m，長、寬均取60 m。

利用有限元軟件進行分析。柱采用BEAM4單元模擬；樓板采用SHELL63單元模擬；基礎是變截面的，采用BEAM189模擬；土體采用實體建模，采用SOLID45模擬；上部結構和基礎間的千斤頂采用LINK11模擬；基礎與土間采用線面接觸，接觸單元和目標單元分別是CONTA177、TARGE170；千斤頂與柱底采用點點接觸，采用CONTA178單元[9]。

頂升過程需要保證上部結構不發(fā)生破壞，混凝土的材料參數根據實測結果確定，經取芯檢測，混凝土的強度為38.7 MPa，設計強度為C30，滿足設計要求。模型中混凝土材料的彈性模量為3.0×1010Pa，泊松系數為0.2，密度為2 500 kg/m3。

地基土是典型的非線性材料，其應力應變關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關系。具體有限元模型見圖3。

圖1 料倉 圖2 柱編號圖 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三個自由度；框架頂部的鋼料斗，以節(jié)點荷載的形式施加在頂部的框架梁上；同時計入整個結構的重力荷載，重力加速度為9.8 m/s2；通過改變千斤頂的伸長量模擬頂升過程。

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構發(fā)生整體轉動，所以模擬以下四種工作狀況(簡稱工況)。

工況Ⅰ 考慮僅某一個柱子不同步的情況。在模型中，采用僅頂升7#柱，其余柱下不動，當結構任意構件接近承載力極限狀態(tài)時，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來考慮這種工況。

工況Ⅲ 考慮相鄰三個柱不能與其余五個柱同步的情況。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來考慮這種工況。經對工況Ⅰ～工況Ⅳ的有限元仿真分析、對比可知，工況Ⅰ最不利。

對工況Ⅰ具體結合料倉托換梁和上部結構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#柱底兩側托換梁的剪力較大，是因為3#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)

模擬試驗數據顯示頂升過程中有以3#柱底為鉸支座轉動的趨勢，因此3#柱的軸力較大，頂升過程中，通過7#柱兩側的梁抬升6#，8#柱，減小其軸力。對軸力大的3#柱進行承載力驗算。經驗算,所有的柱子均未到達承載力極限狀態(tài)。

數據顯示,除7#外其余各柱的位移為負值，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柱帶動相鄰框架梁的局部豎向位移，而非整體剛性轉動。原因是結構的剛度沒有足夠大。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值。表明頂升過程中，非剛體轉動，而是局部框架梁產生位移。

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值。表明頂升過程中，非剛體轉動，而是局部框架梁產生位移。

工況Ⅳ考慮相鄰四個柱子不同步的情況。結果表明,一層頂框架環(huán)梁最先達到承載力極限狀態(tài)，此時千斤頂伸長27 mm。 數據顯示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整體上升。

2.3 糾偏結果分析

目前，我國建筑物糾偏技術規(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超過8.6 mm，所以若按上述兩種條件控制施工，則構件很可能會喪失承載力。

對頂升糾偏施工過程各工況進行了模擬，通過分析,工況Ⅰ最不利。根據最不利工況Ⅰ的模型，在7#柱下的千斤頂模擬頂升過程，當任意構件裂縫寬度到達0.2 mm時，達到鋼筋混凝土裂縫允許寬度最大值，停止加載。計算表明,一層頂框架環(huán)梁裂縫寬度最先到達0.2 mm，此時千斤頂伸長量是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構的正常使用時最大裂縫寬度限值控制，施工過程嚴格控制差異頂升量不超過5 mm，降低施工速度，并隨時觀察結構開裂情況。通過施工前精細準備，施工過程嚴格把關，整個頂升過程平穩(wěn)，結構所有構件均未發(fā)現可見裂縫。

于此同時在施工前，還分析了托換梁剛度變化對上部結構內力影響和托換梁剛度變化對土體壓縮變形的影響。結果表明,托換梁的剛度越大，框架梁所受的彎矩和剪力越小；剛度越大土體的壓縮越大。主要原因是托換梁剛度越大，結構整體運動的趨勢越顯著，7#所承擔的荷載越大，柱下土體中的附加應力相應增大，使得的7#柱下的土體壓縮量增大。所以托換梁設計要考慮其剛度。

3 料倉頂升糾偏加固

3.1 頂升糾偏前監(jiān)測

在頂升前一層頂板、頂層平臺、其他各層梁底處、對各柱的豎向傾斜度等進行了測量。在滿足安全使用的條件下，以生產工藝要求作為頂升依據，因此以頂層平臺沉降測量數據作為頂升依據。

3.2 柱荷載的托換

頂升時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，必須增設一個能支承上部結構荷重的托換體系。為此利用植筋技術增設鋼筋混凝土托換結構，將框架柱荷載安全有效地傳遞到基礎承臺上，減少框架梁柱的變形。

要實現托換頂升前提條件是將柱子與基礎斷開，為保證柱子斷開后，料倉整體結構的安全，以及在頂升過程中結構的整體性。在斷柱前，所做第一項工作是設計環(huán)托梁。根據有限元分析，考慮托換梁剛度變化對結構上部和下部內力和變形影響，在托換梁剛度許可范圍內截面盡可能大[12]，以確保上部結構的安全，使上部結構在頂升過程中處于整體運動狀態(tài)。綜合上述分析，同時又結合現場的施工條件、工程造價、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 料倉糾偏后框架柱與基礎連接

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。另外，在原地環(huán)梁上用植筋方式埋設圓鋼，向上通過托換梁預埋鋼管伸入托換梁中，防止頂升料倉時，結構產生扭轉及水平位移。柱兩側的托換梁內預留空洞，將千斤頂放置在托換梁的預留空洞內，便于操作。

當環(huán)托梁混凝土強度達到設計強度的60%時，開始切斷柱子，柱荷載通過托換系統(tǒng)傳至基礎承臺。

3.3 頂升及頂升后框架柱、基礎連接恢復工作

根據有限元分析結合施工易操作性，采用了任意構件達到承載力極限狀態(tài)作為糾偏工程的極限狀態(tài)。頂升過程千斤頂伸長量控制在3 mm以內，相鄰兩柱的差異頂升量控制為5 mm以內，并重點監(jiān)測一層頂框架環(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，應在柱兩側植筋，使柱子與基礎連成整體，以保證長期使用的安全，柱鋼筋采用等截面、等強鋼筋植筋連接，錨固長度適當加大，柱箍筋加密，斷柱區(qū)域用更高一級灌漿料澆筑。連接鋼筋的數量不小于原柱縱向鋼筋數量，托換環(huán)梁與原基礎梁間的縫隙用強度是C35的灌漿料灌注。

4 結論

通過40 d的施工，該建筑物的傾斜得到了糾正。糾偏前，3#、4#料倉傾斜率分別為8.57‰、5.64‰，糾偏后,房屋傾斜率分別恢復到1.14‰、0.64‰。滿足國家有關設計標準要求[11-12]，托換系統(tǒng)設計施工、頂升順序、頂升設備的選用是成功的，在整個頂升糾偏過程中，上部結構柱、梁、板沒發(fā)現任何變形和開裂等異常情況，使該房屋轉危為安，保證了房屋安全和正常使用，避免了對3#、4#倉拆除重建，為甲方按期投入生產爭取了時間。綜合效益十分顯著。

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

參 考 文 獻

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