祝文畏,楊學林,王擎忠,張林波

(1.浙江省建筑設計研究院,浙江 杭州 310006；2.杭州圣基建筑特種工程有限公司,浙江 杭州 310007)

隨著人類社會的不斷進步,人們對建筑物的安全性能、使用功能等各方面提出了越來越高的要求。然而,建筑物由于材料自然老化、累積損傷、環(huán)境侵蝕、自然災害以及施工質量等原因，又不可避免地出現(xiàn)大量問題,許多既有建筑物都面臨著改造與加固問題。

據統(tǒng)計,我國目前既有建筑面積約達600億m2,同時每年新建16～20億m2,城市化進程不斷加快[1]。由于地震、臺風、火災等災害的影響以及規(guī)劃、勘察、設計、施工和使用等方面的原因,建筑損傷、破壞、傾斜等問題不斷出現(xiàn)。同時,為了適應人口增長和經濟的發(fā)展,解決城市發(fā)展與古建筑保護、市政建設以及中心區(qū)域商業(yè)開發(fā)與既有建筑使用等之間的矛盾,均需要運用糾傾、移位、托換、增層等建筑特種工程技術予以解決[2]。

1 約束釋放引起的結構內力調整分析

建筑物為了滿足承載力和使用功能的要求,一般都具有穩(wěn)定的基礎和較強的整體剛度。受重力荷載作用,在原有的約束條件下結構將產生內力和變形。為了移動建筑物,豎向構件(柱或剪力墻)將進行切斷,豎向構件的底部約束釋放將導致結構內力重分布。

圖1 豎向荷載作用下單層框架彎矩圖

圖2 彎矩變化示意圖

柱底截斷后,除部分柱腳采取限位措施外,柱底理論上僅有豎向受壓約束,而水平方向無約束。此時,底層柱處于0彎矩狀態(tài),上述單層框架梁處于簡支狀態(tài)(圖3a)),梁的跨中彎矩比柱底簡支增加了66.7%,比原結構增加了80.0%。實際上,這種極端不利情況發(fā)生概率較小。由于結構自重,截斷柱底與支承結構(如千斤頂)之間的摩擦力限制了柱底的自由滑動,鋼與混凝土之間的摩擦系數(shù)一般可取0.4,因此柱底處于鉸接與自由滑動之間,剛架的實際內力見圖3b)。多層房屋由于節(jié)點彎矩隨轉動剛度變化而向上層柱重新分配也會削弱這種影響。門式剛架或者頂部大空間結構豎向構件軸壓比一般較小,彎矩起控制作用,豎向移位過程中引起的彎矩大幅增加將使結構存在安全隱患,此類結構應對柱腳采取可靠水平約束或者采取其他措施進行加強。

表1 截斷部位對結構彎矩影響

圖3 豎向荷載作用下單層剛架彎矩圖

圖4 水平荷載作用下單層剛架彎矩圖

圖5 水平荷載作用下彎矩變化示意圖

2 算例分析

某雙層廠房,平面長28.0 m,寬15.0 m,為框架結構,x方向(東西向)柱網尺寸：4 m×7 m,y方向(南北向)柱網尺寸1層為2 m×7.5 m,2層為1 m×15.0 m。其中1層、2層層高均為6.0 m,框架柱截面尺寸600 mm×700 mm,1層框架梁截面尺寸350 mm×700 mm,2層框架梁截面尺寸500 mm×1 100 mm。由于使用功能變更,2層層高需抬高1.0 m,現(xiàn)采取混凝土結構整體同步頂升移位的方法調整標高。廠房2層結構布置圖見圖6。

工程采用在2層柱底截斷頂升,柱底截斷后假定2層柱底鉸接,截斷前后,結構主要構件彎矩變化見表2。由表2可知,柱底截斷后,、軸柱頂彎矩分別減少-5.5%、-8.8%,梁頂彎矩分別減小-9.8%及-5.5%,軸中間支座增加2.6%；梁、軸跨中彎矩分別增加了1.8%、3.3%。這與前面理論分析是吻合的。

然而,實際工程中,柱底截斷后,柱底鑒于鉸接與自由端之間,軸梁跨中彎矩有可能增加60%,此時即使考慮到原設計配筋中地震、活荷載等荷載組合因素,頂升過程仍難以保證屋面梁的安全,必須通過設置中間臨時支撐或者梁加固等措施。

圖6 廠房2層結構布置圖

表2 柱截斷前后構件彎矩比較表kN·m

3 結 語

隨著托換、移位、頂升以及迫降等工程特種改造技術的運用,施工過程中構件的約束也將發(fā)生變化,結構的內力重分布情況也較為復雜,施工過程中必須進行相應的模擬分析,并對不利部位進行針對性加強。