徐 珂， 姬浩杰， 梁 巖

(1 清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100084；2 河南六建建筑集團(tuán)有限公司， 洛陽 471001；3 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院， 鄭州 450001)

0 概況

應(yīng)天門是隋唐兩京考古發(fā)掘出的第一座宮城門闕遺址，其遺存為夯土墩臺，頂部比現(xiàn)有地面高1～6m，地面下夯土深度約1m。本工程建筑設(shè)計(jì)在平面上分中部城樓、東西連廊、東西朵樓、東西飛廊、東西闕樓共9個(gè)建筑物，因建筑造型和空間限制，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用斜柱支撐框架跨越遺址[1-2]，基礎(chǔ)布置在遺址外側(cè)，支撐斜柱與地面呈45°～65°，柱下水平分力大。

以城樓為例(文獻(xiàn)[1]中圖8)，初步分析時(shí)預(yù)估柱下最大豎向荷載效應(yīng)為21 000～24 000kN，水平荷載效應(yīng)為10 000～12 000kN，即豎向與水平荷載效應(yīng)約為2∶1的關(guān)系。如果不能約束或平衡該水平分力，會造成兩方面破壞：1)基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆混凝土樁基礎(chǔ)，樁頂出現(xiàn)水平位移大變形時(shí)會引起柱身剪切或彎曲破壞，結(jié)構(gòu)喪失基礎(chǔ)支撐效應(yīng)；2)柱腳持續(xù)外推過程中，柱與地面夾角減小，柱軸力和水平推力持續(xù)增大，增加斜柱彎曲效應(yīng)，逐步超過構(gòu)件承載能力，該過程不可逆，直至最終改變結(jié)構(gòu)體系特性。因此平衡柱下水平分力是本工程重點(diǎn)問題，在排除壓重摩擦提供反力、斜樁支撐提供反力等外部方案后，設(shè)計(jì)采用在基礎(chǔ)間設(shè)置拉梁的方案，其力學(xué)關(guān)系屬于結(jié)構(gòu)內(nèi)部自平衡，受外部環(huán)境影響小，整體安全性高。采用自平衡方案的問題是，按常規(guī)施工方法需要開挖遺址，這是遺址保護(hù)工程不允許實(shí)施的方案，故需要考慮非常規(guī)工藝。

1 方案討論

在與建筑師、考古單位仔細(xì)協(xié)商、研究土遺址分布情況的前提下，經(jīng)考古單位詳細(xì)測量，得出墩臺遺址在地面下遺存范圍不超過1.0m深度的結(jié)論后，選擇在遺址下合適深度采用暗挖頂管工藝實(shí)現(xiàn)遺址兩側(cè)基礎(chǔ)間桿件連通，平衡上部結(jié)構(gòu)在柱腳處產(chǎn)生的水平推力(圖1)。

圖1 遺址層結(jié)構(gòu)體系與遺址關(guān)系

通過整體分析可知，柱腳間拉桿在各種工況組合下一直處于受拉狀態(tài)，不會出現(xiàn)受壓狀態(tài)，理論上在基礎(chǔ)間的拉桿采用預(yù)應(yīng)力筋或鋼構(gòu)件可以滿足軸向受拉使用要求[3]。以城樓柱腳最大水平分力11 000kN計(jì)算，采用72根φ15.2(fptk=1 860MPa)鋼絞線可滿足設(shè)計(jì)要求，合成一捆直徑小于0.2m，在土中所需頂管直徑小、施工容易實(shí)現(xiàn)，這樣做會帶來諸多問題。在方案深化中又提出以下改進(jìn)意見：

(1)單獨(dú)使用預(yù)應(yīng)力筋作為拉桿構(gòu)件，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉或上部荷載變化時(shí)，基礎(chǔ)間水平位移變化明顯，按上述鋼絞線規(guī)格計(jì)算，在城樓荷載作用下，一側(cè)樁頂位移會達(dá)到40～50mm，日常荷載變化對樁頂推拉頻繁。需要增加拉桿截面剛度，控制軸向變形，減少樁頂位移量。

(2)單獨(dú)使用鋼構(gòu)件時(shí)，在柱腳發(fā)生水平位移后被動(dòng)參與工作，不具有主動(dòng)控制位移能力。調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力張拉值可以控制柱腳水平位移量，這點(diǎn)優(yōu)于單獨(dú)使用鋼構(gòu)件。

(3)拉桿構(gòu)件在地下長期使用，如果受到環(huán)境腐蝕，最終會影響結(jié)構(gòu)安全。作為整個(gè)結(jié)構(gòu)體系最重要的構(gòu)件，應(yīng)該有足夠的保護(hù)層厚度，避免腐蝕及意外破壞導(dǎo)致拉桿構(gòu)件退出結(jié)構(gòu)體系。

(4)考古資料顯示局部夯土內(nèi)存在空洞，推測為20世紀(jì)50～70年代開挖的防空洞，方向和尺寸難以量化，未來可能出現(xiàn)塌方情況，如壓迫拉桿會改變結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)狀態(tài)，發(fā)展趨勢無法預(yù)估，應(yīng)增加拉桿抗彎性能，減少結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化的可能性。

(5)拉桿在有限尺寸下，一次性張拉預(yù)應(yīng)力至控制值，拉桿壓縮變形量會超過樁頂位移允許值，應(yīng)結(jié)合施工進(jìn)度進(jìn)行分次張拉，每次張拉引起的樁頂位移量應(yīng)控制在合理而微小的范圍。

(6)理論計(jì)算與實(shí)際情況存在差異，施工中需進(jìn)行應(yīng)力、位移監(jiān)測。通過理論計(jì)算預(yù)判結(jié)構(gòu)變化趨勢，對比施工監(jiān)測結(jié)果，判斷預(yù)應(yīng)力分次張拉控制值的合理性和結(jié)構(gòu)體系生成過程的安全性，控制施工進(jìn)度。

綜合上述意見，拉桿方案采用鋼管混凝土組合構(gòu)件，中心布置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋(圖2)?；炷敛牧峡梢约s束鋼管，避免鋼管在預(yù)應(yīng)力最大張拉值時(shí)發(fā)生屈曲破壞，同時(shí)增加拉桿軸向剛度，設(shè)計(jì)控制目標(biāo)是拉桿在結(jié)構(gòu)恒、活荷載及重力作用下處于受壓狀態(tài)，如果出現(xiàn)受拉狀態(tài)，混凝土材料會退出工作，拉桿軸向剛度會發(fā)生突變，不利于上部結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定性[4]。

圖2 暗挖頂管預(yù)應(yīng)力拉桿剖面圖

結(jié)合施工可操作性以及對遺址的影響，采用內(nèi)徑不小于800mm、壁厚不小于80mm鋼筋混凝土頂管進(jìn)行暗挖施工，該直徑可供施工人員進(jìn)入內(nèi)部處理頂管推進(jìn)過程中遇到的問題。施工完成后頂管上部距離遺址夯土底部還有0.5～0.6m。

大噸位柱下設(shè)置兩道預(yù)應(yīng)力拉桿，位于鋼柱兩側(cè)對稱位置，保持樁基礎(chǔ)承臺受力平衡。這樣拉桿的預(yù)應(yīng)力最大控制值為5 600kN，假如出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋失效情況下，基礎(chǔ)間水平力全部由鋼管承擔(dān)。φ600×16鋼管的拉應(yīng)力低于200MPa，拉桿不會出現(xiàn)拉斷破壞，這種情況下模擬計(jì)算，以城樓為例，樁頂位移會達(dá)到8～12mm，對樁身可能會產(chǎn)生剪切破壞，承臺變成支撐在樁身上的結(jié)構(gòu)，可保證上部結(jié)構(gòu)不會立即失穩(wěn)。拉桿的外側(cè)混凝土頂管和鋼管外注漿混凝土則成為鋼管混凝土組合構(gòu)件的保護(hù)層，合計(jì)厚度不小于180mm，核心預(yù)應(yīng)力筋處于拉桿中心，理論上不會受到環(huán)境腐蝕和外力破壞。

2 深化設(shè)計(jì)

考慮現(xiàn)場條件和施工工藝等因素，深化設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)單位和施工單位合作完成，主要解決以下問題。

2.1 錨固節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為減少拉桿預(yù)應(yīng)力筋張拉端及錨固端的錨固節(jié)點(diǎn)空間尺寸，將錨固點(diǎn)直接與鋼柱腳連接，拉桿與斜柱間傳力明確，能夠提高傳遞效率。具體做法是預(yù)應(yīng)力筋通過內(nèi)鋼管穿過柱腳節(jié)點(diǎn)，采用一塊錨板錨固所有預(yù)應(yīng)力筋連接于柱腳外伸法蘭盤，錨板有圓形和矩形兩種形式(圖3)。

圖3 預(yù)應(yīng)力筋錨板構(gòu)造

中心預(yù)應(yīng)力筋束密集，錨板按最小施工間距設(shè)計(jì)總體尺寸小，內(nèi)部填充混凝土承壓能力有限。以城樓拉桿預(yù)應(yīng)力最大控制值為5 600kN的錨板為例，錨板支撐截面為500mm×220mm，扣除鋼絞線所占面積后，混凝土所占面積理論值為0.1m2，承壓能力有限，同時(shí)考慮此處混凝土填充質(zhì)量難以保證，按錨板承擔(dān)全部預(yù)應(yīng)力張拉力進(jìn)行設(shè)計(jì)。錨板材料選用《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 699—2015)中45#調(diào)質(zhì)鋼，鋼材彈性模量E=2.06×105MPa，剪切模量G=7.9×104MPa，泊松比μ=0.3。

采用ANSYS軟件的實(shí)體單元模擬錨板進(jìn)行有限元分析，錨板與柱腳法蘭盤接觸面用單向受壓單元作為錨板的邊界條件，預(yù)應(yīng)力筋拉力按錨具尺寸等效為面荷載，施加在錨板承壓面上，在基本組合作用下，按照von Mises應(yīng)力不大于材料折減后屈服強(qiáng)度和剪應(yīng)力不大于材料折減后抗剪強(qiáng)度雙控原則確定各錨板厚度，實(shí)際選用板厚在50～180mm[5]。典型錨板位移云圖見圖4，最大位移約為0.124mm，位于錨板中心位置，且有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖4 錨板有限元分析位移云圖/mm

為驗(yàn)證錨板有限元分析結(jié)果，在正式加工錨板前，施工單位和監(jiān)控單位根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行城樓36m拉桿全尺寸錨板預(yù)應(yīng)力張拉和混凝土灌注模擬試驗(yàn)(圖5、圖6)，張拉結(jié)束后對錨板變形和應(yīng)力變化、鋼管軸力、預(yù)應(yīng)力筋伸長量和實(shí)際拉力進(jìn)行測量記錄，與模擬分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，用于指導(dǎo)施工。

圖5 預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)

圖6 預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

2.2 預(yù)應(yīng)力分次張拉比例

根據(jù)施工階段分次張拉，可以避免一次性張拉引起的樁頂水平位移過大，造成樁身破壞。理想的張拉比例是與上部結(jié)構(gòu)剛度和荷載變化相對應(yīng)，控制樁頂在原點(diǎn)附近有限度位移。模擬分析需要了解樁基礎(chǔ)水平承載能力、樁基礎(chǔ)抗側(cè)力剛度和上部建筑施工過程。樁基礎(chǔ)水平承載力及抗側(cè)力剛度可以通過試樁試驗(yàn)確定。

因場地有限，共進(jìn)行兩組以水平破壞為目標(biāo)的試驗(yàn)，每組試樁由兩根樁組成，一根為檢測樁，另一根為輔助用錨樁。檢測樁按直徑0.7m、樁長20.5m工程樁標(biāo)準(zhǔn)施工，成樁后先進(jìn)行豎向承載力檢測，達(dá)到豎向荷載控制值48h后再進(jìn)行水平承載力檢測。水平加載標(biāo)高為承臺底部標(biāo)高，以單向多循環(huán)模式加載至破壞標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果判定：當(dāng)樁身不允許開裂時(shí)，單樁水平承載力特征值為210kN，推定水平臨界荷載為280kN，對應(yīng)水平位移為8.85mm；當(dāng)樁頂水平位移6mm時(shí)，對應(yīng)荷載為240kN；當(dāng)樁頂水平位移10mm時(shí)，對應(yīng)荷載為300kN。

根據(jù)試樁數(shù)據(jù)，樁頂邊界條件按水平彈簧剛度為30kN/mm約束樁頂進(jìn)行模擬分析。在此假定下，設(shè)計(jì)文件確定樁頂位移控制目標(biāo)為：施工階段上部荷載和預(yù)應(yīng)力過程中位移限值為±2.0mm，即最大擺動(dòng)位移值≤4mm；使用階段位移限值為±1.5mm，即最大擺動(dòng)位移值≤1.5mm。

施工單位結(jié)合場地和安裝特點(diǎn)與設(shè)計(jì)單位共同編制詳細(xì)的施工方案，并進(jìn)行施工模擬分析。在施工前確定預(yù)應(yīng)力分次張拉節(jié)點(diǎn)，以城樓為例：1)下部遺址層鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢后進(jìn)行第一次張拉，總體張拉比例為30%。2)與常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)工程施工區(qū)別是，中部城墻層安裝完鋼結(jié)構(gòu)暫停后續(xù)安裝，等待中下部混凝土結(jié)構(gòu)全部澆筑完成后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力第二次張拉，監(jiān)控合格后再開始上部建筑層鋼結(jié)構(gòu)安裝，張拉比例為40%。這樣施工的原因?yàn)椋阂皇堑却Y(jié)構(gòu)自重荷載和剛度增加；二是減少上部建筑層鋼框架結(jié)構(gòu)安裝變形。3)結(jié)構(gòu)主體完成后進(jìn)行建筑初步裝修，包括建筑墻體、地面做法、立面裝修等，然后進(jìn)行第三次張拉，張拉比例為剩余的30%，并進(jìn)行預(yù)應(yīng)力有效拉力調(diào)整。4)進(jìn)行建筑精裝修施工，完成后正式使用。具體施工階段見文獻(xiàn)[1]的表4。

2.3 預(yù)應(yīng)力拉桿布置

城樓屬于對稱性結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力拉桿受力和柱腳位移方向明確。朵樓下部遺址層四根斜柱在柱腳處與其它斜柱共用基礎(chǔ)，其中東南角的柱腳斜柱水平夾角為53.9°，與連廊、飛廊支撐斜柱腳交匯于一點(diǎn)，組合后的基礎(chǔ)豎向力、水平推力值是本工程最大值，豎向力標(biāo)準(zhǔn)組合值約為22 630kN，水平推力約為12 930kN。斜柱下四座基礎(chǔ)承臺通過基礎(chǔ)間暗挖雙層預(yù)應(yīng)力拉桿相互連接(圖7)，平衡X，Y雙向水平分力。

圖7 朵樓基礎(chǔ)承臺間暗挖頂管拉桿

闕樓是非對稱性結(jié)構(gòu)，平面呈L形，下部遺址層斜柱布置在陰角區(qū)數(shù)量少、陽角區(qū)數(shù)量多，遺址兩側(cè)沒有明顯的受力對稱關(guān)系(圖8)，按照各承臺雙向水平位移接近0的原則，確定各拉桿預(yù)應(yīng)力控制值[1,6]。施工模擬所得聯(lián)合承臺柱角相對原點(diǎn)的X向、Y向水平位移均不大于±1.5mm(圖9)。

圖8 闕樓暗挖頂管預(yù)應(yīng)力拉桿平面布置圖

圖9 模擬闕樓施工階段樁頂位移圖

闕樓下共布置八根拉桿，三個(gè)組合承臺不是對稱關(guān)系，每根拉桿長度不同，考慮施工時(shí)每根預(yù)應(yīng)力筋做不到絕對同步張拉，為驗(yàn)證不同張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)整體剛度的形成、樁頂位移的影響，按照從左至右、從中到邊、從邊到中三種張拉順序進(jìn)行模擬分析，結(jié)果顯示三種張拉順序在中間過程位移有區(qū)別，最后停止點(diǎn)是一致的(圖10)，鋼管內(nèi)力和預(yù)應(yīng)力拉力變化趨勢也與之相同。朵樓區(qū)段主要基礎(chǔ)間拉桿為矩形布置，也進(jìn)行了相關(guān)分析得到相同結(jié)論，因此在理論上可以降低每次張拉過程同步施工的要求[7]。

圖10 闕樓第一次張拉按不同張拉順序分析結(jié)果

2.4 預(yù)應(yīng)力拉桿構(gòu)件截面設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)模型中預(yù)應(yīng)力拉桿是鋼管混凝土組合構(gòu)件，設(shè)計(jì)預(yù)期在施工結(jié)束后的使用階段，預(yù)應(yīng)力筋為受拉體，混凝土和鋼管為組合受壓體。

預(yù)應(yīng)力拉桿在施工過程中是由鋼管→預(yù)應(yīng)力+鋼管→預(yù)應(yīng)力+混凝土+鋼管演變的過程，并且伴隨著上部剛度、荷載不斷增加和分次張拉施工，組合受壓體的受力也存在受拉和受壓不斷轉(zhuǎn)換的過程。

施工需要先進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張緊再澆筑混凝土形成組合構(gòu)件，這樣才能保證預(yù)應(yīng)力筋在構(gòu)件中的線型。張緊預(yù)應(yīng)力即第一次張拉，為減少預(yù)應(yīng)力筋在自重作用下的變形，鋼管內(nèi)每隔2.0m設(shè)置定位支架。施工監(jiān)測數(shù)據(jù)符合預(yù)期后，進(jìn)行管內(nèi)混凝土壓力注入。

第一次張拉前，拉桿為鋼管構(gòu)件，在上部結(jié)構(gòu)作用下處于受拉狀態(tài)；張拉后，在預(yù)應(yīng)力作用下鋼管處于受壓狀態(tài)。實(shí)際情況是暗挖頂管與土體之間沒有明顯變形空隙，土體約束頂管，頂管與鋼管間為壓力注入混凝土，可認(rèn)為是全長外包混凝土約束鋼管，不會出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。為穩(wěn)妥起見，模擬分析時(shí)驗(yàn)算鋼管穩(wěn)定性，其中鋼管按兩端連接于承臺、跨中無豎向支撐的構(gòu)件模擬，計(jì)算彎矩按整體模型分析結(jié)果加上重力偏心引起附加彎矩計(jì)算。以城樓為例，拉桿計(jì)算長度為36m，按壓彎構(gòu)件計(jì)算鋼管穩(wěn)定性強(qiáng)度設(shè)計(jì)值小于120MPa。

3 拉桿內(nèi)力變化

根據(jù)設(shè)計(jì)階段施工模擬分析預(yù)計(jì)拉桿內(nèi)力變化趨勢是：拉桿第一次張拉前，在上部荷載作用下，拉桿為受拉狀態(tài)，桿體為鋼管，拉力由鋼管承擔(dān)；張拉后變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，壓力由鋼管承擔(dān)。第二次張拉前，桿體已完成混凝土灌注，桿體為鋼管混凝土，隨著上部荷載增加，拉桿由受壓狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，拉力主要由預(yù)應(yīng)力筋和鋼管承擔(dān)；張拉后變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，壓力由鋼管和混凝土承擔(dān)。第三次張拉后，在全部恒、活荷載及重力作用下，拉桿為受壓狀態(tài)(圖11)。

圖11 城樓施工模擬分析拉桿中鋼管內(nèi)力變化曲線

預(yù)應(yīng)力筋有效拉力在三次張拉階段成臺階式上升；張拉階段期間，隨著結(jié)構(gòu)荷載增加，預(yù)應(yīng)力筋有效拉力呈小幅上升趨勢;第三次張拉后至使用后施加全部活荷載，預(yù)應(yīng)力筋有效拉力達(dá)到峰值。

4 預(yù)應(yīng)力拉桿施工方案

預(yù)應(yīng)力拉桿位于場地黃土狀粉質(zhì)黏土層，是洛陽地區(qū)頂管施工常遇土層，在無水狀態(tài)下較為穩(wěn)定。針對本工程特點(diǎn)，要求不能采用可能導(dǎo)致遺址破壞或受到污染的施工方式。如采用機(jī)械掘進(jìn)方式施工，施工過程中存在產(chǎn)生地面隆起，破壞遺址的風(fēng)險(xiǎn)，且施工現(xiàn)場設(shè)置的泥漿池，也會污染遺址。因此，本工程不宜采用機(jī)械掘進(jìn)方式施工頂管。人工掘進(jìn)式施工方法在洛陽地區(qū)是常見施工方法，雖然可能存在安全隱患，但是其具有對土體擠密效應(yīng)小，不會引起地面隆起，施工為干作業(yè)，不會污染遺址等適合本工程的特點(diǎn)。而且，人工掘進(jìn)式施工方法更容易控制和修正軸線偏差。在施工前制定詳細(xì)安全施工方案，采取有效保障措施，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控頂管內(nèi)狀態(tài)，能夠有效保證施工人員安全和土遺址穩(wěn)定。因此，綜合比較，采用人工掘進(jìn)式施工方法是適合本工程要求的。

拉桿全過程施工方案如下：先人工暗挖成孔，將混凝土頂管推進(jìn)，頂管間采用密封材料封堵，完成后在管內(nèi)推進(jìn)φ600×16鋼管，邊推進(jìn)邊設(shè)置鋼管與混凝土頂管間定位裝置，同時(shí)在鋼管內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋定位支架，后續(xù)鋼管間采用現(xiàn)場等強(qiáng)對接焊縫拼接。鋼管安裝完畢后，先用C35膨脹性混凝土壓力注入混凝土頂管與鋼管間縫隙，達(dá)到混凝土強(qiáng)度后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力第一次張拉，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)符合要求后，再用C35膨脹性混凝土壓力注入鋼管內(nèi)部，要求連續(xù)施工并記錄注入量與預(yù)算量差異。后期根據(jù)上部結(jié)構(gòu)施工階段和荷載增加情況，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力分次張拉。

設(shè)計(jì)要求每根鋼絞線穿入前，施工人員對鋼絞線進(jìn)行統(tǒng)一編碼標(biāo)示，防止鋼絞線在鋼管內(nèi)產(chǎn)生纏繞交叉錯(cuò)位的情況，所有鋼絞線依編碼次序穿入，鋼絞線到達(dá)另一端時(shí)穿入錨板，需對號入孔，保證每根鋼絞線位置在兩端一致。張拉時(shí)由上至下分層依次張拉，避免未張拉鋼絞線對已張拉鋼絞線施加外部荷載。由于鋼絞線在澆筑完成后不能更換、增加，東、西闕樓每根頂管內(nèi)增加1～2束鋼絞線備用。

在每個(gè)張拉端設(shè)置至少一個(gè)穿心式壓力傳感器，布置在先期張拉的預(yù)應(yīng)力筋上，監(jiān)測張拉過程中預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際拉力變化情況。對重要拉桿的鋼管外側(cè)設(shè)置振弦式應(yīng)變計(jì)，可以監(jiān)測鋼管內(nèi)力變化，兩者監(jiān)測數(shù)據(jù)與承臺位移監(jiān)測共同組成預(yù)應(yīng)力張拉過程監(jiān)控體系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 監(jiān)控工作情況

監(jiān)控工作由鄭州大學(xué)承擔(dān)，結(jié)合其教學(xué)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定四種模型模擬地基情況。模型1：原設(shè)計(jì)方案。模型2：同原設(shè)計(jì)方案，建立實(shí)體承臺單元，在承臺單元側(cè)面根據(jù)現(xiàn)場遺址土層高度施加側(cè)向土壓力荷載。模型3：建立實(shí)體承臺單元和外部土體單元，土體彈性模量取其壓縮模量10倍；土體模型在水平向尺寸取承臺外邊緣向外延伸1倍樁長，豎向尺寸取樁底向下延伸1倍樁長；在地基外表面約束其法向自由度，底部約束三向平動(dòng)自由度。模型4：同模型3，區(qū)別是土體模型在水平向尺寸取承臺外邊緣向外延伸2倍樁長，豎向尺寸取樁底向下延伸2倍樁長[8-11]。

樁基礎(chǔ)于2016年11月-2017年3月施工，2017年10月完成樁基承臺周邊土回填及遺址層鋼結(jié)構(gòu)安裝，開始第一次預(yù)應(yīng)力張拉，首先在西闕樓按原設(shè)計(jì)張拉比例進(jìn)行張拉，數(shù)據(jù)顯示基礎(chǔ)沉降、承臺扭轉(zhuǎn)、預(yù)應(yīng)力拉力、頂管應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢與模擬分析一致，變化比例小于四種模擬分析結(jié)果，其中樁頂位移數(shù)據(jù)小于模擬數(shù)據(jù)平均值50%，說明場地土對地下構(gòu)件約束能力超過模擬預(yù)期。各方討論后決定由三次張拉改為兩次張拉，減少張拉次數(shù)可以降低多次張拉帶來斷絲、錨具滑脫風(fēng)險(xiǎn)，各樓根據(jù)自身特點(diǎn)第一次張拉分別按40%或50%比例張拉。因兩次張拉模擬數(shù)據(jù)超出設(shè)計(jì)預(yù)警值，施工監(jiān)控要求調(diào)整為以樁頂位移數(shù)據(jù)是否達(dá)到模擬數(shù)據(jù)值平均值50%預(yù)警。工程于2018年12月結(jié)構(gòu)封頂，完成第二次預(yù)應(yīng)力張拉。鋼絞線合計(jì)1 398根，最終城樓有2根鋼絞線斷絲，通過增加其它鋼絞線控制張拉力解決。因兩次張拉時(shí)間間隔較長，第二次張拉時(shí)對出現(xiàn)銹蝕的錨具予以更換，監(jiān)測數(shù)據(jù)符合預(yù)期后，對錨點(diǎn)進(jìn)行封錨。

工程于2019年10月完成建筑裝修工作并正式開放使用，監(jiān)測工作按建設(shè)期間的施工階段和建成后第一次使用階段共21個(gè)節(jié)點(diǎn)測量數(shù)據(jù)。為防止使用階段出現(xiàn)問題，設(shè)計(jì)要求在建筑投入使用后繼續(xù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行一段時(shí)間的監(jiān)測，監(jiān)測工作要求監(jiān)測時(shí)間不少于1年、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)不少于6個(gè)。

圖12為城樓北側(cè)水平位移最大承臺頂位移變化曲線。樁頂位移可以通過承臺位移測量數(shù)據(jù)判斷，圖中正值代表樁頂向外側(cè)偏移，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示城樓承臺頂位移與模擬分析趨勢相符，最大位移發(fā)生在第二次張拉完成后，該承臺最大位移為-0.82mm，方向是向城樓內(nèi)側(cè)移動(dòng)，在裝修過程中向原點(diǎn)回歸，在最后使用階段最大位移為-0.16mm，說明基礎(chǔ)拉桿長度在預(yù)應(yīng)力作用下縮短，處于受壓狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖12 城樓承臺頂位移變化曲線

圖13為施工進(jìn)程中闕樓典型頂管內(nèi)鋼管應(yīng)力變化曲線。由圖13可知，實(shí)測應(yīng)力變化趨勢與四種模型變化相符，實(shí)測應(yīng)力變化幅度小于四種模型應(yīng)力變化幅度。在第一次張拉后，三種模擬分析預(yù)估鋼管為受拉狀態(tài)，實(shí)測應(yīng)力值接近零，可以認(rèn)為內(nèi)側(cè)土體對基礎(chǔ)約束能力大于模型假定，是承臺將上部產(chǎn)生的水平荷載傳遞至土體承擔(dān)造成的結(jié)果。第二次張拉后，實(shí)測應(yīng)力值與模型2，3，4數(shù)據(jù)接近，可以理解為承臺在第一次張拉后，在重力外推過程中，內(nèi)側(cè)土體由受壓變?yōu)椴皇軌籂顟B(tài)，約束能力下降，同時(shí)基礎(chǔ)間拉桿受壓截面由鋼管轉(zhuǎn)變?yōu)殇摴芑炷粒S向剛度增加。從全部鋼管應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，主要基礎(chǔ)拉桿在全部裝修完成后并投入使用時(shí)為受壓狀態(tài)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求狀態(tài)。

圖13 闕樓頂管內(nèi)鋼管應(yīng)力變化曲線

圖14為施工階段朵樓遺址層斜鋼柱典型應(yīng)力變化曲線，盡管實(shí)測承臺水平位移絕對值小，上部鋼結(jié)構(gòu)測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線顯示，預(yù)應(yīng)力張拉過程對上部結(jié)構(gòu)剛度還是有明顯影響，無論實(shí)測數(shù)據(jù)還是模擬數(shù)據(jù)，均引起數(shù)據(jù)跳躍。與下部構(gòu)件數(shù)據(jù)相比，上部構(gòu)件應(yīng)力數(shù)據(jù)變化與模擬數(shù)據(jù)擬合吻合度高。

圖14 朵樓斜鋼柱應(yīng)力變化曲線

通過對承臺頂部水平位移、上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)拉桿內(nèi)力、上部結(jié)構(gòu)位移等數(shù)據(jù)的監(jiān)測，在建成使用階段有以下結(jié)論：1)樁頂水平位移處于可控狀態(tài)，樁身未出現(xiàn)剪切破壞的跡象和趨勢；2)各樓所有基礎(chǔ)拉桿基本處于受壓狀態(tài)，且承臺水平位移與頂管變形方向基本一致；3)上部結(jié)構(gòu)的斜柱、柱腳和梁應(yīng)力處于可控狀態(tài)，整體應(yīng)力實(shí)測值與模擬值相差較小且趨勢一致，無應(yīng)力突變情況發(fā)生；4)上部結(jié)構(gòu)位移滿足各階段要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)；5)基礎(chǔ)拉桿內(nèi)鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力實(shí)測值與設(shè)計(jì)控制值最大相差約6.0%(東闕樓)，整體平均有效預(yù)應(yīng)力實(shí)測值與設(shè)計(jì)控制值相差在4%以內(nèi)[12]。

6 結(jié)語

洛陽隋唐城應(yīng)天門遺址保護(hù)建筑采用斜柱支撐框架跨越遺址，基礎(chǔ)間設(shè)置暗挖頂管拉桿平衡斜柱柱腳水平反力，拉桿選用具有抗拉、抗壓剛度的預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土組合構(gòu)件控制柱腳水平位移。通過考慮現(xiàn)場條件及施工工藝等因素的施工模擬計(jì)算、預(yù)應(yīng)力拉桿的足尺試驗(yàn)的結(jié)果，對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并改進(jìn)施工方案。在施工階段監(jiān)測重點(diǎn)數(shù)據(jù)變化，并與施工模擬結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，在符合設(shè)計(jì)要求的前提下控制施工進(jìn)度，保證了樁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)在施工階段和使用階段的安全，未對遺址產(chǎn)生擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了土遺址保護(hù)及展示的設(shè)計(jì)目標(biāo)。