豎向構(gòu)件托換過(guò)程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化分析

祝文畏,楊學(xué)林,王擎忠,張林波

(1.浙江省建筑設(shè)計(jì)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(huì)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)建筑物的安全性能、使用功能等各方面提出了越來(lái)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(zāi)害以及施工質(zhì)量等原因，又不可避免地出現(xiàn)大量問(wèn)題,許多既有建筑物都面臨著改造與加固問(wèn)題。

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)目前既有建筑面積約達(dá)600億m2,同時(shí)每年新建16～20億m2,城市化進(jìn)程不斷加快[1]。由于地震、臺(tái)風(fēng)、火災(zāi)等災(zāi)害的影響以及規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工和使用等方面的原因,建筑損傷、破壞、傾斜等問(wèn)題不斷出現(xiàn)。同時(shí),為了適應(yīng)人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,解決城市發(fā)展與古建筑保護(hù)、市政建設(shè)以及中心區(qū)域商業(yè)開(kāi)發(fā)與既有建筑使用等之間的矛盾,均需要運(yùn)用糾傾、移位、托換、增層等建筑特種工程技術(shù)予以解決[2]。

1 約束釋放引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)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(chǔ)和較強(qiáng)的整體剛度。受重力荷載作用,在原有的約束條件下結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生內(nèi)力和變形。為了移動(dòng)建筑物,豎向構(gòu)件(柱或剪力墻)將進(jìn)行切斷,豎向構(gòu)件的底部約束釋放將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)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?cái)嗪?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(wú)約束。此時(shí),底層柱處于0彎矩狀態(tài),上述單層框架梁處于簡(jiǎn)支狀態(tài)(圖3a)),梁的跨中彎矩比柱底簡(jiǎn)支增加了66.7%,比原結(jié)構(gòu)增加了80.0%。實(shí)際上,這種極端不利情況發(fā)生概率較小。由于結(jié)構(gòu)自重,截?cái)嘀着c支承結(jié)構(gòu)(如千斤頂)之間的摩擦力限制了柱底的自由滑動(dòng),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(dòng)之間,剛架的實(shí)際內(nèi)力見(jiàn)圖3b)。多層房屋由于節(jié)點(diǎn)彎矩隨轉(zhuǎn)動(dòng)剛度變化而向上層柱重新分配也會(huì)削弱這種影響。門式剛架或者頂部大空間結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件軸壓比一般較小,彎矩起控制作用,豎向移位過(guò)程中引起的彎矩大幅增加將使結(jié)構(gòu)存在安全隱患,此類結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)柱腳采取可靠水平約束或者采取其他措施進(jìn)行加強(qiáng)。

表1 截?cái)嗖课粚?duì)結(jié)構(gòu)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(zhǎng)28.0 m,寬15.0 m,為框架結(jié)構(gòu),x方向(東西向)柱網(wǎng)尺寸：4 m×7 m,y方向(南北向)柱網(wǎng)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(jié)構(gòu)整體同步頂升移位的方法調(diào)整標(biāo)高。廠房2層結(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)圖6。

工程采用在2層柱底截?cái)囗斏?柱底截?cái)嗪蠹俣?層柱底鉸接,截?cái)嗲昂?結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件彎矩變化見(jiàn)表2。由表2可知,柱底截?cái)嗪?、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(shí)際工程中,柱底截?cái)嗪?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(shí)即使考慮到原設(shè)計(jì)配筋中地震、活荷載等荷載組合因素,頂升過(guò)程仍難以保證屋面梁的安全,必須通過(guò)設(shè)置中間臨時(shí)支撐或者梁加固等措施。

圖6 廠房2層結(jié)構(gòu)布置圖

表2 柱截?cái)嗲昂髽?gòu)件彎矩比較表kN·m

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著托換、移位、頂升以及迫降等工程特種改造技術(shù)的運(yùn)用,施工過(guò)程中構(gòu)件的約束也將發(fā)生變化,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布情況也較為復(fù)雜,施工過(guò)程中必須進(jìn)行相應(yīng)的模擬分析,并對(duì)不利部位進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)。