不均勻沉降下既有建筑主動(dòng)托換施工方案設(shè)計(jì)研究

閆曉潔 （山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500）

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)既有建筑主動(dòng)托換施工方案進(jìn)行了大量研究，這些研究主要集中在托換技術(shù)的研究與開發(fā)、施工工藝的優(yōu)化、安全措施的完善等方面，代表性的研究成果包括：為提高既有建筑主動(dòng)托換施工技術(shù)的安全性和有效性，國內(nèi)外學(xué)者積極開展新技術(shù)的研發(fā)工作，如高性能混凝土添加劑、新型鋼構(gòu)節(jié)點(diǎn)等；針對(duì)不同類型和規(guī)模的既有建筑，學(xué)者們研究了與之相適應(yīng)的主動(dòng)托換施工工藝，如梁式托換、樁式托換等，以滿足施工過程中的受力要求和環(huán)境條件；為確保既有建筑主動(dòng)托換施工順利進(jìn)行，學(xué)者們著重對(duì)施工過程中的安全監(jiān)控、應(yīng)急預(yù)案等方面進(jìn)行了深入研究。

主動(dòng)托換施工方案的設(shè)計(jì)是為了確保既有建筑結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性和穩(wěn)定性。由于建筑結(jié)構(gòu)類型、使用年限、材料性能等因素的差異，不同的建筑結(jié)構(gòu)在不同程度上存在安全隱患。通過制定合理的主動(dòng)托換施工方案，可以有效降低或避免施工過程中的結(jié)構(gòu)變形、裂縫等潛在風(fēng)險(xiǎn)，保證建筑結(jié)構(gòu)的安全。為深化主動(dòng)托換在有關(guān)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，以不均勻沉降作為背景，對(duì)此展開研究。

1 既有建筑主動(dòng)托換中的結(jié)構(gòu)力學(xué)轉(zhuǎn)換分析

既有建筑主動(dòng)托換施工方案的設(shè)計(jì)需要考慮到社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展需求。通過合理利用資源、減少能源消耗、降低環(huán)境污染等措施，主動(dòng)托換施工方案可以實(shí)現(xiàn)既有建筑的綠色改造和可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，對(duì)于城市更新和舊城改造等項(xiàng)目，主動(dòng)托換施工方案可以促進(jìn)城市空間的有效利用和歷史文化保護(hù)，推動(dòng)城市的可持續(xù)發(fā)展。

為深化主動(dòng)托換施工方案，主梁采用新樁+托換梁的門式托換結(jié)構(gòu)，其形式與原基礎(chǔ)的連接形式不同，可采用下承梁和增設(shè)梁。下承梁是在原來的基礎(chǔ)承臺(tái)下面，直接支撐已有的基礎(chǔ)承臺(tái)，基礎(chǔ)承臺(tái)荷載由下承梁直接承擔(dān)。但由于既有建筑的新舊混凝土連接問題，應(yīng)格外關(guān)注托換工程在連接處的應(yīng)力狀況及安全性。根據(jù)項(xiàng)目施工方的要求，試點(diǎn)工程必須進(jìn)行樁基的托換，本次托換的樁基由6根獨(dú)立樁基、5根下排樁構(gòu)成。

結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可知，為了確保托換層施工的順利實(shí)施，應(yīng)在作業(yè)過程中保證抗剪接頭的承載力，提高其承載力的方法主要有兩種，其一是增加既有建筑新舊混凝土結(jié)合區(qū)域的摩擦阻力與粘結(jié)強(qiáng)度，包括對(duì)接頭位置進(jìn)行打毛處理、刷涂界面劑等；其二，在接頭位置增加構(gòu)造措施，優(yōu)化托換接頭受力狀態(tài)（在工程實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)采用多種措施，包括植入錨筋、將接頭鑿成企口型式等）。

在此過程中，主動(dòng)端滑移與接頭剪力之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 主動(dòng)端滑移與接頭剪力之間的關(guān)系

從圖1可以看出，0～△0之間為彈性階段，對(duì)應(yīng)I階段，在此過程中所產(chǎn)生的位移主要由梁體結(jié)構(gòu)彎曲變形、沉降變形所產(chǎn)生，此階段所產(chǎn)生的變形并不代表梁柱結(jié)構(gòu)在托換過程中產(chǎn)生了相對(duì)滑移；△0～△1階段為第II階段，此階段為塑性分布階段，梁柱結(jié)構(gòu)在托換層中的不均勻摩阻力開始變得越來越均勻，也可以將此階段稱之為彈塑性握裹階段，在此種條件下，主動(dòng)端產(chǎn)生了初始滑移；△1～△2階段為第III階段，此階段被稱之為線彈性階段，此階段是指隨著接頭整體滑移行為的發(fā)生，既有建筑托換層新舊混凝土之間的鋼筋銷栓作用、企口咬合力完全發(fā)揮；△2～△3 階段為第IV 階段，此階段為破壞階段，當(dāng)作用力發(fā)揮到一定程度時(shí)，剪切面屈服強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)較強(qiáng)的數(shù)值，混凝土發(fā)生了局部擠壓破壞，結(jié)構(gòu)中的托換層承載潛力被耗盡，此時(shí)接頭的抗剪能力已經(jīng)達(dá)到了承載極限，荷載無法再上升，并呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì)，接頭整體滑移較大。

通常情況下，將I階段與III階段的延長線進(jìn)行相交處理，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交點(diǎn)，此交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值為Q1，Q1對(duì)應(yīng)的數(shù)值為托換層接頭整體結(jié)構(gòu)發(fā)生初始滑移荷載的數(shù)值。主動(dòng)端的初始化滑移荷載值為Q0，對(duì)應(yīng)的極限破壞荷載值為Qp。

為確保托換層中的接頭結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度可以滿足或符合技術(shù)規(guī)范要求，接頭的抗剪強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)滿足：接頭初始滑移的荷載值應(yīng)＞1.3×托換層荷載值；接頭結(jié)構(gòu)的極限承載力應(yīng)＞2×托換荷載。以上文所述的試點(diǎn)工程為例，樁基的最大托換荷載值為1.8×104kN，則對(duì)應(yīng)的接頭初始化滑移荷載值為2.34×104kN、極限破壞荷載值為3.6×104kN?？梢詫?duì)托換結(jié)構(gòu)的柱截面尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)，優(yōu)化梁柱接頭的不同角度（斜交狀態(tài)），選擇適合托換層施工的接頭型式，確保相關(guān)工作在實(shí)施中可以達(dá)到預(yù)期效果。

2 主動(dòng)托換施工方案設(shè)計(jì)

2.1 上托盤梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與方案

基于上述分析結(jié)果，對(duì)不均勻沉降下既有建筑主動(dòng)托換施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于墻體結(jié)構(gòu)的托換，墻內(nèi)支撐采用普通的縱向和橫向雙夾墻梁，其中一根梁采用800mm×800mm橫斷面，在墻體2m位置設(shè)Φ203mm管棚抬梁，并配設(shè)200mm穿墻鋼筋以增強(qiáng)抗剪能力[1]。上托架梁面距室內(nèi)地面0.10m。若根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況得出建筑存在不均勻沉降問題，則需要在糾偏項(xiàng)目中對(duì)上托盤梁進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

一般托盤梁結(jié)構(gòu)的總荷載在10000kN 以上[3]。結(jié)合實(shí)際施工過程中可能會(huì)造成不均勻沉降問題，對(duì)結(jié)構(gòu)荷載增加造成的沉降進(jìn)行理論驗(yàn)算[4]。

錨桿靜壓樁在上承臺(tái)梁完成后所產(chǎn)生的拖曳力，在理論上遠(yuǎn)大于單個(gè)荷載作用下所產(chǎn)生的沉降，且由于壓樁過程尚未將樁帽完全轉(zhuǎn)移到樁基礎(chǔ)上，需要考慮牽引沉降[5]。基于以上分析，本項(xiàng)目擬采用16mm@480mm的HRB400鋼筋及1根穿墻式鋼管棚，通過計(jì)算上部支撐梁的高度，保證托換型節(jié)點(diǎn)的豎向承載能力[6]。上托盤梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 上托盤梁結(jié)構(gòu)

2.2 標(biāo)高放樣

確定上托盤梁結(jié)構(gòu)后進(jìn)行標(biāo)高放樣，可采用以下三種不同的放樣方案。

第一種方案：依據(jù)沉降分區(qū)實(shí)測(cè)資料，在平面圖上直線布置房屋差異沉降資料，上托盤梁高度800mm，以1m/點(diǎn)的方式確定高程。但由于下列原因，實(shí)際采用這種方式來確認(rèn)標(biāo)高是無法實(shí)施的[7]：第一，由于建筑物的不均勻沉降使建筑物的軸線產(chǎn)生了很大的偏差，使原來的設(shè)計(jì)和標(biāo)高與現(xiàn)場(chǎng)放樣產(chǎn)生了很大的偏差；第二，內(nèi)外不能透視，不能對(duì)建筑物的地表沉陷進(jìn)行直觀反饋；第三，室內(nèi)磚地基分割縱橫，給放樣工作帶來了很大的難度。

第二種方案：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的結(jié)果，獲得建筑對(duì)角的高差[8]。通過實(shí)際測(cè)量距離按線性比例確定各個(gè)上托盤梁結(jié)構(gòu)的標(biāo)高。該方法能較好地解決方案一中出現(xiàn)的誤差，提高了工程精度。

第三種方案：結(jié)合房屋外觀進(jìn)行放樣。從理論角度出發(fā)，建筑的不均勻沉降不會(huì)影響到建筑物上窗臺(tái)、室外勒腳、基礎(chǔ)放大腳之間的距離，因此結(jié)合這一特點(diǎn)，測(cè)量室外勒腳與第一層基礎(chǔ)放大腳之間的間隔距離，判斷其是否與勒腳、窗臺(tái)的間隔距離一致，如圖3所示。

圖3 勒腳底邊與第一層放大腳位置關(guān)系立面圖

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)要求將第一層的擴(kuò)底處作為上底板的梁底標(biāo)高，以此確定整體的上底板梁標(biāo)高。通過比較分析，雖然第一種方案的測(cè)量精度最適宜，但是在實(shí)際測(cè)試中受到原有隔斷的影響，室內(nèi)外轉(zhuǎn)換的難度很大。第二種方案的操作更容易實(shí)現(xiàn)。

2.3 主動(dòng)托換施工

在施工過程中應(yīng)用主動(dòng)托換機(jī)械頂升裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)調(diào)控，從而使托換過程中上托盤梁結(jié)構(gòu)的變形得到控制。在新梁與托換結(jié)構(gòu)固結(jié)之前，可以利用上托盤梁結(jié)構(gòu)的荷載對(duì)其進(jìn)行預(yù)壓，以此使上托盤梁結(jié)構(gòu)具有靜壓特點(diǎn)，消除部分沉降，并使托換后上部結(jié)構(gòu)的沉降降低。主動(dòng)托換層每次作用后，等效為在托換梁上再加一次垂直荷載，增加托梁承載力，進(jìn)一步使其下承托梁下部受力。托換梁下的托換樁卸荷對(duì)截樁有利，但上部柱體如超載或因不均勻超壓而產(chǎn)生彎曲，對(duì)結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。為此，有必要對(duì)頂升力進(jìn)行合理分配，從而選擇合適的頂升方案。

2.4 灌漿施工

漏洞的頂部高出鋼管上沿，具體位置如圖4所示。

圖4 灌漿結(jié)構(gòu)示意圖

利用注漿體本身的流動(dòng)特性，將注漿體嵌入到鋼管中部，從而確保注漿體密實(shí)，直至從另外一個(gè)漏斗中流出來的泥漿超出了鋼管的上端，即為已經(jīng)注滿。在鋼管和墻洞之間的間隙，首先用水泥漿封住兩邊的裂縫，然后在鋼管的一側(cè)留下一個(gè)注漿孔，然后從一端注入，從另一頭出水口流出，則說明裂縫已經(jīng)充滿。在墻板上部100mm處設(shè)置16mm@480mm構(gòu)造箍筋植筋，提高界面抗剪能力。將螺釘緊固至預(yù)定位置，再用托盤梁加固，并用膠帶將高于托盤梁的螺栓纏繞起來，以避免混凝土澆筑過程中出現(xiàn)粘固等問題。

3 結(jié)語

隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，既有建筑結(jié)構(gòu)的維護(hù)和加固逐漸成為工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。主動(dòng)托換技術(shù)作為一種先進(jìn)的加固方法，在保證既有建筑結(jié)構(gòu)安全、延長使用壽命方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

既有建筑主動(dòng)托換施工方案的設(shè)計(jì)不僅滿足當(dāng)前的使用要求，還應(yīng)考慮未來的發(fā)展需求。合理的主動(dòng)托換施工方案可以有效改善既有建筑結(jié)構(gòu)的受力性能和使用性能，延長其使用壽命。同時(shí)，對(duì)于具有歷史價(jià)值的建筑，主動(dòng)托換施工方案還可以在保護(hù)原有建筑風(fēng)格和歷史文化遺產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提高其結(jié)構(gòu)安全性和使用價(jià)值。為此，本文在分析了主動(dòng)托換中的結(jié)構(gòu)力學(xué)轉(zhuǎn)換問題后，通過上托盤梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)高放樣、主動(dòng)托換、灌漿，完成了施工技術(shù)方案的研究。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)和需求，制定科學(xué)、合理、可行的主動(dòng)托換施工方案，為既有建筑的安全和可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。