北方山區磚混結構頂升糾傾技術研究與應用*

張永前，付素娟，王立軍，賈媛媛，劉澤東

（1．河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2．河北省建筑科學研究院，河北 石家莊 050021；3．河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050021；4．河北星球建筑設計有限公司，河北 張家口 075000）

0 引言

近年來，北方山區場地建筑由于地基不均勻沉降造成的房屋傾斜問題時有發生。頂升法是對既有建筑糾傾的一種常用方法，憑借其投資少、工期短、效果良好等優勢，得到廣泛應用［1］。由于頂升糾傾技術涉及內容繁雜，要求設計和施工人員明確掌握結構、構件力學及變形特性、結構傳力途徑，根據工程特點選擇糾傾方法，并對頂升過程中建筑的受力及變形情況進行系統分析，從而制定安全可靠的加固方案，合理安排施工順序。否則有可能導致“越糾越傾”，甚至造成房屋倒塌，危及生命安全。下文結合某磚混結構的頂升糾傾工程進行介紹。

1 工程概況

該建筑為地下1層、地上6層磚混結構住宅樓，鋼筋混凝土條形基礎，建筑高度18．87m，縱向長度67．3m，橫向長度14m。建筑由5個單元組成，其中2單元與3單元交接處設置1道變形縫，并未設置伸縮縫，建筑平面布置如圖1所示。建筑投入使用3年后，變形縫西側3個單元樓體向西北方向發生嚴重傾斜，東向西沉降差為222mm，傾斜率5．5‰；南向北沉降差為45mm，傾斜率為4．7‰，均高于規范中4‰的允許值［2］。根據勘察檢測報告分析，該建筑傾斜的原因主要有以下3點。

圖1 建筑平面

1）該建筑位于山下，建造時為平整場地，地基處理采用了大量填土，造成地基土質東西分布不均。地基土以變形縫為界，1～2單元為基巖地基，3～5單元為素填土地基，且填土層中存在大量建筑垃圾和生活垃圾，未能達到設計地基承載力。

2）建筑西側地勢較低，排水不暢，長期受雨水浸泡等影響，造成填土層含水率過高，產生局部沉降。

3）該建筑5單元北側附近的化糞池漏水，加劇房屋傾斜程度，使其向西北方向傾斜。

2 糾傾加固方案

2.1 糾傾方法選擇

由于該建筑只有伸縮縫西側的3個單元樓體傾斜率超過標準，東側樓2個單元沉降觀測穩定。建筑東西地基土質不均，若采用掏土法迫降糾偏，掏土量不易控制，也必然使伸縮縫以西部分產生附加沉降；且原建筑西側地勢較低，迫降糾傾不能改變其不利地勢。根據工程特點及問題，最終選用頂升糾傾法，從根本上治理地基不均勻沉降和建筑傾斜的問題。

2.2 方案設計要點

由于磚混結構自重較大，延性差，頂升糾傾過程將改變結構受力狀態，條形基礎受力由地基的均布作用，變為千斤頂控制的集中作用。若墻體受力不均易產生裂縫，為防止上部結構出現應力集中、變形不均勻的影響，頂升糾傾設計的重點如下。

1）安全的頂升托換體系 應具備一定的剛度儲備，能夠與墻體有良好的共同作用，保證豎向荷載的均勻傳遞；又要具備一定的延性，協調頂升過程的受力和變形，防止結構產生二次損傷。

2）平穩的頂升施工過程 精確控制各測點千斤頂頂升速度、頂升位移，實時監測構件的受力及變形，保證線性同步糾傾。

2.3 具體方案

1）止傾加固 在建筑物縱橫墻交接處的基礎下方設置人工成孔托換樁（樁徑800mm），樁長12～16m，共計60根，樁端進入持力層深度不小于規范限值要求，改變結構基礎形式，增強基礎承載力，同時為建筑頂升提供反力。

2）托換加固 在條形基礎上部墻體采用混凝土雙梁夾墻方式進行托換（單梁截面250mm×500mm），增強結構整體穩定性及剛度，保證千斤頂的集中作用均勻向上傳遞［3］。

3）頂升方案 以樁基礎承臺為反力支座，選擇條形基礎底面為頂升面，在樁承臺與基礎之間布置千斤頂，對建筑進行頂升糾傾。

4）整體加固 頂升糾傾結束后，用預制的等高鋼墊塊置換千斤頂將其撤出，隨后將原基礎、鋼墊墩和人工成孔樁澆筑成整體，使建筑物基礎形式由條形基礎變為樁基礎，如圖2所示。

3 數值模擬分析

3.1 模型及模擬參數

在ABAQUS軟件中，為減少整體建模計算量，保證模擬收斂精度，選擇結構中傾斜最嚴重的第5單元進行1∶1有限元數值分析，研究頂升糾傾過程中結構的受力及變形。其中，墻體厚240mm，樓層高2600mm，樓板厚120mm，托換梁截面500mm×500mm，條形基礎（將其簡化為矩形截面1100mm×500mm）。基礎、混凝土及上部結構均采用C3D8單元，結構采用整體式配筋，以保證鋼筋與混凝土之間有足夠的黏結強度而實現共同作用，將鋼筋與混凝土嵌入約束［4］。有限元分析中主要材料參數如下：C35混凝土，密度為 2500kg／m3，彈性模量3．15×1010N／m2，泊松比為 0．2；鋼筋密度為7800kg／m3，彈性模量為 2．1×1011N／m2，泊松比為 0．3，屈服強度為400MPa；MU10普通磚和M5水泥砂漿的磚砌體密度為 1937kg／m3，彈性模量 2．55×1010N／m2，泊松比為0．25。單元整體有限元模型如圖3所示。

圖2 頂升糾傾加固

圖3 單元整體有限元模型

3.2 邊界條件和模擬過程

1）各樓層和構件之間均采用綁定約束（Tie），采用鋼墊板和參考點耦合組成的結構模擬該單元所需的22個千斤頂（分布見圖4），保證墊塊與基礎之間力的傳遞，防止施加點荷載產生應力集中問題［5］。

2）數值計算中，第1步對模型施加自重荷載，第2步根據幅值施加頂升位移荷載。頂升糾傾是一個緩慢變化的動態過程，糾傾過程中建筑物移動的速度和加速度均較小，在有限元模擬中將其視為靜態變化過程。結合實際施工頂升速率，將各點的單步增量幅值控制在3mm以內，平穩加載至所需頂升量［6］。

圖4 數值模擬千斤頂分布

3.3 模擬分析結果

頂升糾傾過程中，千斤頂的集中力改變了原有結構受力狀態。有限元模擬過程應保證托換體系與結構整體的協調性，控制頂升過程的平穩性。下面從結構和構件的受力和變形2個角度出發，對頂升糾偏進行分析。

1）受力分析 從圖5a、5b可看出，整體結構在重力和千斤頂作用下，千斤頂的集中荷載從條形基礎到托換梁逐步擴散，傳遞至墻體時已基本均勻。在條形基礎下邊緣的頂升位置會出現應力集中現象，最大壓應力3．068MPa。條形基礎底部跨中受拉，最大拉應力為0．706MPa，應力變化從梁端向中部遞減，均小于混凝土抗拉、抗壓極限值。圖5c中顯示，上部結構整體處于壓應力狀態（壓應力為0．7MPa），集中荷載變化主要對地下1層墻體產生輕微應力集中，底層局部門窗洞口拉應力集中，整體均小于磚砌體極限承載限值。總體而言，千斤頂的集中作用對底部3層墻體影響較大，對上部樓層影響很小，整個加載過程上部結構受力安全。

2）變形分析 從圖5d中可看出，整個糾傾模擬過程中的最大撓度均出現在托換結構底部跨中，最大撓度達 0．09mm，是計算跨度的 1／38888（0．09／3500），遠小于鋼筋混凝土受彎構件撓度限值（計算跨度的1／400）的規定，說明該設計滿足結構變形要求，整體加載過程結構變形安全［7］。

4 工程試驗

4.1 糾傾施工過程

圖5 有限元計算云圖

糾傾施工時采用高精度的PLC同步頂升控制系統，在托換梁側面布置應變傳感儀，各測點布置位移計，自動采集施工中頂升力、頂升位移及托梁受力的變化情況。整個糾傾施工分為頂升稱重、由北向南糾傾、由西向東糾傾和局部調整4個過程。

4.2 工程數據分析

以5單元①軸托梁為例，整個頂升糾傾過程中①、③、⑤（梁端支座）軸處應力較大，②、④軸（跨中）應力較小，符合有限元模擬中托梁受力從端部向跨中應力遞減，底部梁端壓應力集中，跨中受拉應力的結果。頂升稱重初始，各測點應力較小，說明托梁最初受力均勻；稱重過程千斤頂的集中荷載逐步增大，直到建筑由千斤頂完全頂起時，托梁內力達到最大，完成了由條形基礎向樁基的轉化過程。糾傾施工過程托梁內力受頂升荷載變化的影響，托梁端部受影響最大，梁端所受壓應力波動在 0．2～1．5MPa，托梁中部受拉應力，波動范圍在 0．2～0．4MPa，隨著頂升位移變化而上下波動。局部調整時托梁的內力整體趨于穩定，最終梁端壓應力穩定在1．4MPa，梁中拉應力為0．36MPa。整個糾傾施工過程安全平穩，托換結構受力均處于極限承載范圍內。

本次工程工期近3個月，頂升糾傾過程近6h，最大糾傾頂升量 233．06mm，將建筑的傾斜率由5．5‰降至 0．6‰，基本恢復垂直。目前，該工程已完成并使用1年多，經觀測沒有發生新的沉降、傾斜和地基損傷。

5 結語

1）人工成孔樁結合鋼筋混凝土托換梁技術是治理北方山區磚混結構傾斜問題的有效方法，不僅滿足頂升糾傾的安全性要求，同時增強了建筑結構的整體性，對結構影響較小。

2）ABAQUS有限元分析結果表明：千斤頂附加的集中作用，經托換結構傳遞至墻體時已基本均勻，托梁和上部結構的墻梁協同作用良好，整個結構及構件受力及變形均有較大的安全儲備。

3）工程監測結果與有限元分析結果吻合，證明有限元模擬分析可靠，為施工安全提供預先把控。

4）通過該建筑傾斜原因的分析，提醒在建筑設計、施工中應注意山區填土地基的合理處理，防止地基土質不均對建筑造成傾斜隱患，同時該工程具體糾傾方案可為類似工程提供參考。