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高层建筑竖向构件分离顶升纠偏关键技术研究

2024-08-26 18 上传者：管理员

摘要：为了揭示高层建筑竖向构件分离顶升纠偏工艺的内在机理，给出了顶升系统的理论模拟方法，分别从千斤顶布置、顶升控制模式和顶升误差三个因素对结构内力的影响展开研究。通过对比各因素影响下结构的内力计算结果，总结了墙柱分离顶升纠偏设计、施工过程中的关键技术。结果表明：分离顶升过程中，单向双千斤顶布置形式不可取；“力为主、位移为辅”的双控顶升模式更适用于实际工程；顶升时的微小误差，可能会引起极大的结构附加内力，应通过理论分析和施工控制加以避免。

关键词：
千斤顶布置
竖向构件分离顶升纠偏
顶升控制模式
顶升误差
高层建筑
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目前，我国城市化进程不断推进，高层建筑随之涌现。受结构自身、地基基础、施工质量、外部干扰等多种因素的影响，建筑物常出现倾斜现象，当倾斜率超过规范[1-3]限值时，将影响建筑正常使用功能及结构安全性。

纠偏工程[4-5]旨在利用纠偏技术，辅以地基处理技术[6-8]和既有结构加固技术[9-11],将倾斜的建筑物纠正至原始状态或规范规定的安全范围内，以延续建筑的使用功能，能有效避免因拆除重建造成的经济损失，维持建筑既有使用功能，使“危房”重焕生机。竖向构件分离顶升纠偏技术在纠偏工程中应用较多，通常在适当位置增设顶升托换支座，将竖向构件截断分离，转移荷载至支座上的千斤顶，通过控制千斤顶顶升达到纠偏目的。

我国的建筑物顶升纠偏加固技术仅有约30年的发展历程。截至目前，我国已完成大量顶升纠偏工程[12-14],但其理论体系远远落后于工程实践：涂光祉等[15]以三跨27m单层工业厂房为研究对象，采用钢管桩托换顶升纠偏方案，研究总结了施工过程中的控制措施，为同类型的工程实践提供参考；李向阳等[16]采用截桩顶升法，对某五层楼进行纠偏，介绍了纠偏的设计和施工过程，总结了顶升纠偏施工要点；刘丽萍等[17]采用预压托换桩加固及顶升纠偏方案，对西安市某住宅楼进行纠偏，并以此为例，提出了顶升纠偏中预压托换桩设计公式；成勃等[18]针对某在建短肢剪力墙住宅倾斜情况进行了检测和分析，制定了相应的纠倾方案，有效传递了剪力墙较大的竖向压力，纠倾效果良好。

基于上述内容，本文对某十层钢筋混凝土框架结构进行了墙柱分离顶升纠偏数值模拟计算。通过变参数分析，开展了千斤顶布置方式、顶升控制模式以及顶升误差对整体结构的影响研究。然后，通过对比上部结构弯矩，探讨各因素的影响机理，总结墙柱分离顶升纠偏设计、施工过程中的重难点。

图3顶升纠偏方案示意图

1、工程概况

1.1结构基本信息

某十层钢筋混凝土框架结构，其标准层平面图如图1所示。结构层高首层4.8m,其余各层4.0m;柱截面尺寸800×800,混凝土强度等级C40;梁截面尺寸350×750,混凝土强度等级为C35。拟将首层柱在柱底位置截断，用千斤顶进行托换顶升纠偏。

图1某十层钢筋混凝土框架结构标准层平面图

1.2顶升纠偏方案

(1)根据《岩土工程勘察报告》,探明建筑倾斜原因，制定相应的控沉措施确保地基基础稳定。

(2)根据理论计算，增设抱柱梁、抱墙梁，布置千斤顶，典型剖面如图2所示。

(3)在截断层的梁柱之间设置临时斜撑，以平衡附加弯矩。

(4)采用静力切割等工艺截断竖向构件，使墙柱分离，静力切割施工现场如图3(a)所示。

(5)控制千斤顶对结构实现顶升纠偏，同步顶升施工现场如图3(b)所示。

(6)连接竖向构件，复原整体结构，墙柱复原施工现场如图3(c)所示。

此外，施工前应布置必要的工程监测点，便于施工过程以及后续使用阶段对建筑沉降与倾斜进行监测，保证各项工序合理进行。

图2抱柱梁剖面示意图

2、截断分离对结构内力的影响分析

2.1建立模型

采用Rhino软件和MIDAS Gen软件建立某十层钢筋混凝土框架结构的顶升纠偏模型如图4所示，其结构参数如1.1节所述。为方便计算，楼面恒荷载取1.5kN/m2(结构自重由软件自动计算),活荷载取3.5kN/m2。在MIDAS Gen软件中，采用上下两端铰接的钢结构梁单元模拟千斤顶，采用刚度放大的混凝土梁单元模拟抱柱梁，形成图5所示的“柱下小框架”,以模拟一组千斤顶系统。

图4某十层钢筋混凝土框架结构顶升纠偏模型

图5托换千斤顶系统模拟示意图

2.2截断分离前后计算结果分析

以②轴的一榀框架为分析对象，对比截断分离前后，竖向构件底部约束由“嵌固”转变为“半刚接”(四个千斤顶为一组)过程中的内力结果。风荷载作用下，柱截断分离前后各楼层柱底弯矩计算结果如表1所示。表1显示，柱截断分离后，风荷载作用下的柱底弯矩略有减小，减小幅度小于5%,仍存在较大底层柱底弯矩。对柱底节点进行分析可知：计算模型中，同组各千斤顶反力不同，形成的力偶平衡了底层柱底弯矩。

表1风荷载作用下柱截断分离前后各楼层柱底弯矩计算结果

3、截断分离后结构内力影响因素分析

3.1千斤顶布置方式对分离后结构内力的影响分析

本节以②轴的一榀框架为分析对象，研究图5所示的两种千斤顶布置方式对柱截断分离后结构内力变化的影响。风荷载作用下，千斤顶布置调整前后的1层与2层柱顶弯矩如图6所示。

图6显示，单柱设置两个千斤顶时，风荷载作用下，柱截断分离后，千斤顶无法形成其垂直方向的弯矩，使得该方向的柱底弯矩始终为零，柱顶弯矩大幅增加，框架梁端弯矩大幅增加，易造成安全隐患，应在工程实践中尽量避免。

图6风荷载下千斤顶布置调整前后柱顶弯矩

3.2顶升控制模式对分离后结构内力的影响分析

本节以②轴的一榀框架为分析对象，通过调整柱底边界条件，研究下列三种顶升控制模式对分离后结构内力变化的影响。

(1)“位移”控制模式一：同组千斤顶的顶升量始终保持相同，各轴号对应的底层柱顶升位移如图7(a)所示，顶升工况下构件附加弯矩见图8(a)。

(2)“位移”控制模式二：所有柱下千斤顶满足“共面”要求，各轴号对应的底层柱顶升位移如图7(b)所示，顶升工况下的构件附加弯矩见图8(b)。

(3)“力”控制模式：同组千斤顶的反力，在顶升过程中始终保持基本相同，各轴号对应的底层柱千斤顶顶升力如表2所示，竖向荷载+顶升力工况下的构件弯矩如图8(c)所示。

图7两种位移控制模式顶升位移

表2“力”控制模式千斤顶顶升力/kN

图8各控制模式下，典型框架附加弯矩图

由表2及图7、8可知；

(1)采用“位移”控制模式一时，底层梁、柱构件内会产生较大附加弯矩，最大值为547kN·m,出现在中间三跨的柱顶。附加弯矩在2层以上开始迅速减小，存在安全隐患，需对底层构件进行承载力验算，必要时进行局部加固。此控制模式下，各组千斤顶的顶点未处于同一平面，同组千斤顶的反力不同，反力差在柱底形成附加弯矩。

(2)采用“位移”控制模式二可使所有柱下千斤顶满足“共面”要求，实现同步顶升，上部结构附加弯矩数量级为10-4kN·m可以认为不产生附加弯矩，安全隐患较小。

(3)采用“力”控制模式时，在竖向荷载+顶升力工况下，构件内力计算结果与柱截断分离后无明显差异，可以认为不产生附加弯矩，安全隐患较小。另外，如果原结构柱底弯矩较大，同一柱底千斤顶间反力差异大，若采用该控制模式进行托换顶升，尚应复核由此引起的千斤顶竖向变形差及托换承台附加内力。

综上所述，考虑到实际千斤顶的工作原理，应当采用“力为主、位移为辅”的“双控”顶升模式，通过主控千斤顶反力数据，实时监测、把控各组位移量，完成顶升施工。

3.3顶升误差对分离后结构内力的影响分析

本节以②轴的一榀框架为分析对象，通过调整柱下节点位移，研究“柱间顶升误差”与“柱下顶升误差”对分离后结构内力变化的影响。

对中柱底部同组千斤顶均施加2mm节点位移，模拟“柱间顶升误差”,结构附加弯矩结果如图9(a)所示；对中柱下某一千斤顶施加1mm节点差异位移，模拟“柱下顶升误差”,结构附加弯矩结果如图9(b)所示。

图9顶升误差附加弯矩图/(kN·m)

图9显示：1)2mm柱间顶升误差导致本跨及相邻跨梁、柱各层均存在附加弯矩，周边各组千斤顶反力相应变化。2)1mm柱下顶升误差会导致对应柱首层形成较大附加弯矩；同组其他千斤顶的反力变化极大，有脱空趋势，柱下托换承台、千斤顶有破坏可能，影响不可忽略。

综上所述，微小顶升误差可能引起极大的结构附加内力，导致局部千斤顶因反力过大破坏，上部墙肢因附加内力过大而开裂；这也侧面印证了3.2节的结论：实际工程不应采用纯“位移”顶升控制模式。

实际工程采用“力为主、位移为辅”的“双控”顶升模式时，由于结构的整体性较强，且千斤顶上下均设有钢垫板，一般不会出现千斤顶脱空的情况，顶升误差常体现在千斤顶反力数据突变异常，而非位移数据。在顶升纠偏设计阶段可对既有建筑施工误差限值进行计算分析，用以指导顶升控制系统的选取及施工精度的控制；施工过程中也应实时监测反力、位移数据，及时发现反常现象，防患于未然。

4、结论

本文以某十层钢筋混凝土框架结构为算例，通过MIDAS Gen软件对其进行了顶升纠偏数值模拟分析，主要得到以下结论：

(1)竖向构件截断分离对整体结构内力影响较小，但应设置水平限位措施，避免侧移、稳定问题。

(2)竖向构件截断后，柱下千斤顶可形成力偶平衡部分柱底弯矩，应尽量避免“单排千斤顶”的布置形式。

(3)建议采用“力为主、位移为辅”的“双控”顶升模式，并严格控制顶升误差，提高施工精度，减小整体结构在顶升纠偏施工过程中的附加弯矩。

参考文献:

[1]建筑物倾斜纠偏技术规程:JGJ 270—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2]建筑物移位纠倾增层改造技术规范:CECS 225—2007[S].北京:中国计划出版社,2008.

[3]建筑地基基础设计规范:GB 50007—2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[4]张鑫.建筑物平移与纠倾技术[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[5]杨学林,祝文畏,王擎忠.既有建筑改造技术创新与实践[M].北京:中国建筑工业出版社,2017.

[6]梁永辉,王卫东,冯世进,等.高填方机场湿陷性粉土地基处理现场试验研究[J].岩土工程学报,2022,44(6):1027-1035.