基于剛度比值的頂升糾傾整體結(jié)構(gòu)受力性能

岳慶霞， 沈振錕

(山東建筑大學(xué) a.土木工程學(xué)院;b.建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101)

0 引 言

由于勘察、設(shè)計(jì)、施工、使用維護(hù)不當(dāng)及自然災(zāi)害等原因，建筑物地基會產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致建筑物傾斜，影響其安全使用。對整體性能較好的建筑物進(jìn)行糾傾處理，可避免建筑物拆除造成的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)和環(huán)境污染，特別是在歷史建筑或文物建筑保護(hù)方面，社會效益更為顯著。

建筑物糾傾方法總體可以分為3種：頂升法、迫降法和頂升與迫降綜合法。迫降法應(yīng)用最廣泛,但不適用于對建筑物底層標(biāo)高有特別要求、建筑物傾斜斜率較大和基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。頂升糾傾法在建筑物底部安放托換結(jié)構(gòu)，將上部結(jié)構(gòu)截?cái)?，在托換結(jié)構(gòu)底部設(shè)置千斤頂，以新增或原有承臺作為反力體系將建筑物頂升，從而達(dá)到糾傾的目的。

頂升糾傾法的關(guān)鍵是托換結(jié)構(gòu)、頂升裝置及其控制體系的設(shè)置。四面包裹式托換結(jié)構(gòu)安全度高、性能良好，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，許多學(xué)者針對托換節(jié)點(diǎn)的受力性能展開研究。杜健民等在試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行理論分析，將托換節(jié)點(diǎn)的破壞過程分為滑移前和滑移后2個(gè)階段，并分別提出托換結(jié)構(gòu)抗沖剪承載力的預(yù)測模型和設(shè)計(jì)建議。都愛華等針對界面沖切滑移前這一階段，提出框架柱四面托換節(jié)點(diǎn)的空間“拉桿拱”力學(xué)模型，并推導(dǎo)出框架柱托換節(jié)點(diǎn)承載力的理論計(jì)算公式。張鑫等進(jìn)行16個(gè)四面包裹式托換節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，通過回歸分析并結(jié)合工程實(shí)踐，提出托換梁承載力的計(jì)算公式，該式被納入《建(構(gòu))筑物移位工程技術(shù)規(guī)程》(GJ/T 239—2011)。岳慶霞等對配置不同界面鋼筋的14組托換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出考慮界面鋼筋的摩擦剪切公式，并提出拉-壓桿計(jì)算模型，推導(dǎo)得到托換梁受剪承載力計(jì)算公式，可以根據(jù)托換梁的受剪承載力及界面承載力計(jì)算公式確定界面鋼筋的配量，優(yōu)化托換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的研究大多針對建筑物平移工程中單個(gè)托換節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)和承載力，并逐漸形成托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，而針對建筑物頂升糾傾托換結(jié)構(gòu)的研究較少，實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)一般參考平移托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。但是,建筑物頂升糾傾托換與平移托換有所不同。建筑物平移托換時(shí)，建筑各點(diǎn)在豎向沒有相對位移，可以進(jìn)行單個(gè)托換節(jié)點(diǎn)的受力性能研究，而建筑物頂升糾傾托換時(shí)，托換節(jié)點(diǎn)之間承受不同的豎向位移，各托換節(jié)點(diǎn)之間通過連梁發(fā)生相互作用，托換結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)要協(xié)同受力和變形，因此在頂升糾傾工程中，托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要在考慮自身整體剛度的同時(shí)考慮托換結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用，二者之間剛度要協(xié)調(diào)。

本文考慮上部結(jié)構(gòu)與托換結(jié)構(gòu)剛度的比值，通過理論計(jì)算與Abaqus有限元模擬，分析不同剛度比值情況下上部結(jié)構(gòu)的受力與變形特征，從而給出托換結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)剛度比值的建議值，為建筑物頂升糾傾托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 算例概況

1.1 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以一個(gè)典型框架結(jié)構(gòu)為頂升糾傾研究對象，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)整體共6層，橫向?yàn)?跨、柱距為7.2 m，縱向?yàn)?跨、柱距為6.0 m，結(jié)構(gòu)平面布置示意見圖1。

圖 1 框架結(jié)構(gòu)平面布置示意,mm

框架設(shè)計(jì)層高為3.6 m，結(jié)構(gòu)整體采用C30混凝土和HRB400鋼筋。框架柱截面為600 mm×600 mm，框架梁截面為350 mm×750 mm，次梁截面為250 mm×550 mm，板厚為120 mm。載荷參考國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)，活載荷取2.0 kN/m，風(fēng)載荷取1.2 kN/m，不考慮地震作用。運(yùn)用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)，梁柱截面配筋見圖2。

圖 2 框架梁柱截面配筋,mm

1.2 托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對該框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂升糾傾托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，柱下托換節(jié)點(diǎn)采用廣泛應(yīng)用的四面包裹式托換節(jié)點(diǎn)，托換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)根據(jù)《建(構(gòu))筑物移位工程技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 239—2011)進(jìn)行設(shè)計(jì)，框架柱柱底軸力分布見表1。

表 1 框架柱柱底軸力分布 kN

柱底最大軸力為2 387.9 kN，以此軸力為托換節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)值，認(rèn)為四周托換梁共同分擔(dān)柱底軸力，框架柱托換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)見圖3。

圖 3 托換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),mm

托換節(jié)點(diǎn)間的連梁寬度設(shè)計(jì)為300 mm，選取連梁高度作為對照變量，通過改變連梁高度改變托換結(jié)構(gòu)整體剛度，梁高分別取300、400、500、600和700 mm，均按照滿足構(gòu)造配筋進(jìn)行設(shè)計(jì)，連梁截面配筋見圖4(其中箍筋直徑均為8 mm、間距為200 mm)，托換結(jié)構(gòu)整體平面示意見圖5。

圖 4 連梁截面配筋設(shè)計(jì),mm

圖 5 托換結(jié)構(gòu)平面示意,mm

2 結(jié)構(gòu)豎向剛度計(jì)算

2.1 框架結(jié)構(gòu)剛度

框架結(jié)構(gòu)水平剛度的計(jì)算較為成熟，但豎向剛度的計(jì)算公式較少。孫澄潮等認(rèn)為框架結(jié)構(gòu)的豎向剛度主要由框架梁的抗剪剛度提供，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的影響系數(shù)和上部結(jié)構(gòu)豎向剛度的貢獻(xiàn)衰減系數(shù)，計(jì)算示意見圖6，得到框架結(jié)構(gòu)的豎向剛度計(jì)算公式為

圖 6 框架結(jié)構(gòu)豎向剛度計(jì)算示意

(1)

式中：

(2)

(3)

(4)

式中：為梁段的長度；為上部結(jié)構(gòu)豎向剛度的貢獻(xiàn)衰減系數(shù)，具體取值可參考文獻(xiàn)[12]；為桿在節(jié)點(diǎn)的分配系數(shù)；為桿在節(jié)點(diǎn)的分配系數(shù)。

將=025、=019及框架梁的線剛度代入式(1)，得到框架結(jié)構(gòu)豎向剛度為4881 kN/mm，即層均剛度為81.4 kN/mm。

2.2 托換結(jié)構(gòu)剛度

表 2 托換結(jié)構(gòu)豎向剛度及其與框架結(jié)構(gòu)層均剛度比值

3 有限元模型建立

基于算例的截面和配筋設(shè)計(jì)，應(yīng)用Abaqus軟件分別建立上部框架結(jié)構(gòu)和托換結(jié)構(gòu)計(jì)算模型：首先僅對上部框架結(jié)構(gòu)柱底施加位移，得到框架結(jié)構(gòu)豎向剛度數(shù)值解；然后建立框架結(jié)構(gòu)與托換結(jié)構(gòu)整體模型，通過位移加載，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。

3.1 材料參數(shù)

混凝土材料本構(gòu)選用Abaqus軟件提供的塑性損傷本構(gòu)模型，采用文獻(xiàn)[13]提出的混凝土本構(gòu)模型模擬混凝土的受力性能，混凝土本構(gòu)關(guān)系方程為

(5)

(6)

式中：為混凝土單軸受壓或受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值；為混凝土單軸抗壓或抗拉強(qiáng)度代表值；為與單軸抗壓或抗拉強(qiáng)度相應(yīng)的混凝土峰值壓應(yīng)變或拉應(yīng)變；為混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)。

該混凝土本構(gòu)模型對《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)中混凝土本構(gòu)關(guān)系式出現(xiàn)負(fù)損傷的情況進(jìn)行優(yōu)化，使其更符合混凝土實(shí)際受力狀態(tài)。損傷因子選用基于楊飛等單軸受力曲線的圖解法得到,鋼筋本構(gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》建議的雙折線彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變模型。

3.2 單元選取

上部鋼筋混凝土框架和下部托換結(jié)構(gòu)均采用8節(jié)點(diǎn)線性縮減積分六面體單元C3D8R，框架結(jié)構(gòu)混凝土與托換結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合面默認(rèn)無相對滑移，采用Tie連接。為便于施加位移載荷，托換節(jié)點(diǎn)下部增設(shè)剛性墊塊，防止將載荷直接作用于混凝土，導(dǎo)致混凝土局部應(yīng)力過大而壓碎，墊塊與托換結(jié)構(gòu)間采用Tie連接。鋼筋采用線性三維桁架單元T3D2，嵌入混凝土單元。

3.3 約束條件

約束條件(1)：單獨(dú)對上部框架結(jié)構(gòu)A軸各柱的柱底施加向上10 mm位移，另外2個(gè)方向位移為0，其余各柱各方向位移為0(見圖7)，獲取A軸柱底支反力之和與支座位移曲線。

圖 7 柱底位移約束

約束條件(2)：建筑物頂升糾傾工程由布置在每個(gè)托換節(jié)點(diǎn)下方的千斤頂提供頂升力，千斤頂布置在每個(gè)托換節(jié)點(diǎn)的四角。對每個(gè)托換節(jié)點(diǎn)底部的剛性墊塊施加不同的豎向位移，模擬建筑物頂升過程，托換節(jié)點(diǎn)位移約束示意見圖8。

圖 8 托換節(jié)點(diǎn)位移約束示意

根據(jù)建筑物傾斜糾偏設(shè)計(jì)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，建筑物高度小于等于24 m、傾斜量大于傾斜方向建筑物長度的4‰時(shí)需要進(jìn)行糾傾加固，因此分別模擬不同連梁高度的整體結(jié)構(gòu)分別在縱向頂升6‰和8‰的該方向長度(定義為糾傾率)時(shí)結(jié)構(gòu)的受力情況，每排柱的托換節(jié)點(diǎn)頂升量見表3。

表 3 不同糾傾率時(shí)各軸托換節(jié)點(diǎn)頂升量

4 有限元模型分析

4.1 模擬求解結(jié)構(gòu)豎向剛度

為驗(yàn)證式(1)框架結(jié)構(gòu)豎向剛度計(jì)算的準(zhǔn)確性，通過數(shù)值模擬的方法，利用剛度定義求解框架結(jié)構(gòu)豎向剛度，采用約束條件(1)得到的A軸柱底支反力之和與支座位移的關(guān)系見圖9。

圖 9 A軸柱底支反力之和與支座位移關(guān)系曲線

支座位移小于5 mm時(shí)曲線斜率基本不變，因此認(rèn)為支座位移為0～5 mm時(shí)結(jié)構(gòu)處于彈性階段；支座位移大于5 mm后結(jié)構(gòu)處于彈塑性階段，故該段斜率即為框架結(jié)構(gòu)豎向剛度。根據(jù)圖9，框架結(jié)構(gòu)豎向剛度約為485.3 kN/mm，即層均剛度為80.9 kN/mm。該結(jié)果與解析解結(jié)果基本一致，可驗(yàn)證解析結(jié)果的可靠性。

4.2 模擬建筑物糾傾受力分析

采用約束條件(2)進(jìn)行框架糾傾結(jié)構(gòu)頂升糾傾模擬，在縱向連梁高度為400 mm、糾傾率為6‰的情況下，整體結(jié)構(gòu)的VON MISES應(yīng)力云圖見圖10。應(yīng)力較大部位主要集中在上部結(jié)構(gòu)的第1層柱和托換結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨層數(shù)的增高逐漸減小。其他工況的應(yīng)力分布也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。

圖 10 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖,Pa

建筑物糾傾率為8‰時(shí)，第1層2軸各柱的VON MISES應(yīng)力云圖見圖11。

圖 11 糾傾率為8‰時(shí)第1層2軸各柱的應(yīng)力云圖,Pa

隨著梁高的增大，框架柱的應(yīng)力先減小后增大，梁高為400 mm時(shí)應(yīng)力最小；應(yīng)力逐漸向A軸柱集中，梁高為400 mm時(shí)各軸柱受力均勻，最為合理。糾傾率為6‰時(shí)，也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

綜合各工況的模擬結(jié)果，得到梁高與結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的關(guān)系見圖12。當(dāng)梁高為300 mm時(shí),結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力與無連梁情況差別不大，未明顯體現(xiàn)出連梁的作用。當(dāng)梁高為400 mm時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力達(dá)到最小值。當(dāng)梁高大于500 mm時(shí)，隨著梁高增大，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值也逐漸增大。

圖 12 梁高與結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力關(guān)系曲線

4.3 托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)推薦剛度值

當(dāng)梁高為400 mm時(shí)，糾傾過程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)最優(yōu)，此時(shí)托換結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)層均剛度的比值為0.85，接近于1，因此認(rèn)為可以根據(jù)上部結(jié)構(gòu)層均剛度確定托換結(jié)構(gòu)連梁的剛度和高度，使糾傾過程中上部結(jié)構(gòu)受力更加合理。

5 結(jié) 論

以某6層框架結(jié)構(gòu)為例，對上部框架結(jié)構(gòu)和托換結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行計(jì)算分析，主要結(jié)論如下。

(1)對比框架結(jié)構(gòu)豎向剛度的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算，二者吻合。

(2)在頂升糾傾工程中，結(jié)構(gòu)頂升第1層柱受力最大;連梁高度小于300 mm時(shí)，連梁的作用不明顯。

(3)當(dāng)托換結(jié)構(gòu)的豎向剛度與上部結(jié)構(gòu)的層均剛度相近時(shí)，托換結(jié)構(gòu)受力最合理。