既有建筑結(jié)構(gòu)在地基擾動情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

李天際

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

1 工程概況

復(fù)旦大學(xué)相輝堂是上海市第四批優(yōu)秀歷史建筑，為三類保護(hù)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(shù)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(fù)建于1947年，房屋主體為木屋架、鋼筋混凝土框排架混合結(jié)構(gòu)體系。其中1層結(jié)構(gòu)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，2層結(jié)構(gòu)為混凝土排架結(jié)構(gòu)，柱頂設(shè)有鋼筋混凝土圈梁?；A(chǔ)為柱下獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)墊層為厚101 mm素混凝土，基礎(chǔ)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(hù)建筑，建筑的立面和結(jié)構(gòu)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(hù)部位，修繕標(biāo)準(zhǔn)較高。

相輝堂在工程開工前，經(jīng)檢測鑒定，實心黏土磚強度等級達(dá)到MU5，砂漿強度等級為M1。原結(jié)構(gòu)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(jīng)驗算，主體結(jié)構(gòu)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(nèi)容及沉降監(jiān)測

2.1 施工內(nèi)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(hù)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）?；硬糠种饕┕?nèi)容包括：圍護(hù)、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(chǎn)生不利影響。

2.2 沉降監(jiān)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(xué)性態(tài)的改變會使周邊土體產(chǎn)生形變（沉降或隆起及水平位移），從而造成周邊環(huán)境的變形，因此需要對鄰近建筑物等進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測（圖2）。監(jiān)測點F30～F52分別布置于相輝堂南北側(cè)樓梯、周邊及內(nèi)部。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 基礎(chǔ)沉降

3.1.1 數(shù)值模型及參數(shù)

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

圖2 相輝堂監(jiān)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(shù)

3.1.2 分析結(jié)果

施工工況的不同，對緊鄰基坑的歷史保護(hù)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(hù)及樁施工、第1層土方施工、內(nèi)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(shù)據(jù)處理

通過擬合方法，對表2中的模擬值與對應(yīng)的監(jiān)測值進(jìn)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(jiān)測值和模擬值趨勢吻合較好。

表2 沉降變形模擬結(jié)果（單位：mm）

圖4 數(shù)據(jù)處理

3.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

3.2.1 數(shù)值模型及參數(shù)

利用有限元軟件MIDAS GEN，建立相輝堂數(shù)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(jié)構(gòu)混凝土為C18，2層結(jié)構(gòu)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(jié)果

結(jié)合3.1.3節(jié)中數(shù)據(jù)處理結(jié)果，獲取相輝堂所有柱子的沉降位移后，將所有沉降位移導(dǎo)入至MIDAS GEN的結(jié)構(gòu)分析模型中（主要通過強制位移手段，將位移匹配到相應(yīng)柱的模型中），通過計算獲取相輝堂在各施工工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形（圖6）。分析中對應(yīng)的施工工況分別為：靜壓錨桿樁施工、基坑支護(hù)及樁施工、第1層土方施工、內(nèi)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大拉壓應(yīng)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(cè)外框柱中部區(qū)域；基坑支護(hù)及樁施工階段，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大拉壓應(yīng)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(cè)外框柱中部及對應(yīng)屋架上弦桿附近；第1層土方施工階段，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大拉壓應(yīng)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(cè)和西側(cè)外框柱、梁、圈梁及對應(yīng)屋架上弦桿附近；內(nèi)撐圍檁施工階段，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大拉壓應(yīng)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(cè)外框柱、梁和圈梁處；第2層土方施工階段，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大拉壓應(yīng)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大拉壓應(yīng)力分別為24.4、14.4 MPa，最大變形為16.8 mm，主要集中于西側(cè)內(nèi)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(jié)語

優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑修繕及擴建工程一向標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降影響，是保障原有建筑結(jié)構(gòu)安全的重要手段。在獲取沉降數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIDAS GEN結(jié)構(gòu)分析軟件中，用以研究在不同施工工況下既有建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。而在不同施工工況下獲取的既有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力和變形可以為后續(xù)修繕工程提供理論支撐。

經(jīng)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(dǎo)優(yōu)秀歷史保護(hù)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。