鋼結(jié)構(gòu)純鉸支座在鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)斷柱頂升中的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)純鉸支座在鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)斷柱頂升中的應(yīng)用

1地質(zhì)勘探工作深圳南安光明街的一棟私人住宅由七層組成。頂層高4.8米，其余一層高3.0米，總高度22.8米。層2結(jié)構(gòu)平面如圖1所示,建筑物基礎(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ),埋深為2.3m,施工前未進(jìn)行地質(zhì)勘探。該建筑主體結(jié)構(gòu)完工填充墻砌筑完畢后,在裝修外墻時(shí)吊線發(fā)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)朝正立面軸④方向傾斜,傾斜量達(dá)27cm,傾斜率為11.8%,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于危房標(biāo)準(zhǔn)。房屋傾斜后,業(yè)主委托勘察單位進(jìn)行地質(zhì)鉆探,結(jié)果顯示場地土層自上而下分布為:①人工填土層,層厚2.50～3.60m;②淤泥質(zhì)土、軟塑狀,層厚0.80～1.2m;③礫砂層,稍密～中密狀,層厚0.80～1.40m;④粘性土,呈可塑～硬塑狀,層厚4.10～12.6m;⑤強(qiáng)風(fēng)化斜長片麻巖。鉆探資料揭示基礎(chǔ)持力層為回填土層,其下又存在淤泥質(zhì)土,這是造成建筑物沉降傾斜的根本原因。2荷載作用下的標(biāo)準(zhǔn)組合發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)傾斜后,業(yè)主立即停止了裝修施工,并對(duì)沉降進(jìn)行了觀測,在停工后六個(gè)月內(nèi),基礎(chǔ)沉降已暫時(shí)趨于穩(wěn)定,為保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用荷載條件下正常、安全使用,必須對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。該棟建筑整體朝一側(cè)傾斜,經(jīng)現(xiàn)場勘察,未發(fā)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)有開裂現(xiàn)象,說明結(jié)構(gòu)整體剛度良好,根據(jù)傾斜率反算最大沉降差約為140mm,在如此沉降量的情況下,可以認(rèn)為基礎(chǔ)在現(xiàn)有荷載下已處于極限狀態(tài)。對(duì)該結(jié)構(gòu)采用廣廈10.0軟件進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,分別計(jì)算不同階段的內(nèi)力值,對(duì)基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)時(shí),需計(jì)算在設(shè)計(jì)荷載作用下的標(biāo)準(zhǔn)組合值,并計(jì)算現(xiàn)有荷載下(僅計(jì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)自重,不計(jì)活荷載,不考慮風(fēng)荷載及地震作用)的柱底軸力標(biāo)準(zhǔn)值,以軸力最大的柱子(圖1)為例,設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合N設(shè)計(jì)=2840kN,現(xiàn)有荷載作用下標(biāo)準(zhǔn)組合N現(xiàn)有=1928kN。此柱位在現(xiàn)有荷載下已處于極限狀態(tài),根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001),可認(rèn)為該柱位基礎(chǔ)現(xiàn)有的基底承載力為P現(xiàn)有=1928/2=964kN。由于基底承載力特征值與設(shè)計(jì)荷載作用下柱底標(biāo)準(zhǔn)組合N設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn),常規(guī)加固方案無法滿足承載力要求,擬采用錨桿靜壓樁方案進(jìn)行加固。為防止基礎(chǔ)土方開挖及鑿壓樁孔洞口對(duì)原基礎(chǔ)的影響,采用如圖2所示方法加大原基礎(chǔ),預(yù)留壓樁孔,通過壓樁孔靜壓200mm×200mm方樁,樁長預(yù)計(jì)8m,穿過淤泥層,以礫砂層為持力層,收樁壓力為450kN,單樁設(shè)計(jì)承載力特征值取300kN。壓樁設(shè)計(jì)中,應(yīng)綜合考慮原基礎(chǔ)及新增樁基的共同作用,新增樁基與原基礎(chǔ)形成復(fù)合樁基,由于原基礎(chǔ)已有應(yīng)力歷史,根據(jù)現(xiàn)狀,認(rèn)為它已處于極限狀態(tài),那么新增的樁基需托換設(shè)計(jì)使用荷載作用下原基礎(chǔ)承載力的差值,即P托換=N設(shè)計(jì)-P現(xiàn)有。仍以柱1為例,P托換=2840-964=1876kN。設(shè)計(jì)布設(shè)6根靜壓樁,樁基承載力特征值為6×300=1800kN,基本滿足要求。由于原建筑在現(xiàn)有荷載下已基本穩(wěn)定,新增托換樁持力層為礫砂層,沉降可滿足要求,無需驗(yàn)算。3土、澆而成頂升托換梁結(jié)構(gòu)是斷柱糾偏的重要結(jié)構(gòu),托換頂升梁一般由鋼筋混凝土現(xiàn)澆而成。為保證頂升過程的安全,頂升托換梁下設(shè)置小柱作為安全措施,換程或千斤頂故障時(shí),在小柱與托換梁間采用鋼楔塊楔緊,使托換結(jié)構(gòu)在千斤頂完全卸荷下仍能保證臨時(shí)穩(wěn)定,增加一道安全防線。3.1托換梁高驗(yàn)算托換梁設(shè)計(jì)計(jì)算包括整體設(shè)計(jì)計(jì)算及新舊混凝土的純剪界面計(jì)算1.整體設(shè)計(jì)計(jì)算為保證托換梁與原柱的共同作用,托換梁應(yīng)采用包柱式施工,計(jì)算受力主筋不宜采用植筋方式植入柱中,而應(yīng)夾柱兩側(cè)通過,托換梁根據(jù)高跨比關(guān)系,一般為深受彎構(gòu)件,應(yīng)按深受彎構(gòu)件的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,不宜按牛腿、一般單筋梁或樁承臺(tái)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。托換梁設(shè)計(jì)計(jì)算模型為簡支深梁承受柱傳來的集中荷載作用。房屋傾斜后,結(jié)構(gòu)內(nèi)力有不同程度的變化,斷柱時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力又將發(fā)生變化。實(shí)際糾偏時(shí),托換梁承受的荷載不考慮風(fēng)荷載及地震作用,僅為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)恒載作用下的自重標(biāo)準(zhǔn)值。計(jì)算結(jié)果表明,豎向自重恒載作用下柱底彎矩、剪力相對(duì)軸力來說較小,設(shè)計(jì)托換梁時(shí)可忽略?？紤]頂升施工過程中,由于頂升量的不均勻,各柱的柱底軸力是變化的。為安全計(jì),設(shè)計(jì)托換梁時(shí),綜合考慮彎矩、剪力作用及頂升不均勻的軸力調(diào)整,可將計(jì)算柱底軸力標(biāo)準(zhǔn)值乘以1.5倍的安全系數(shù)作為設(shè)計(jì)值。以柱1為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,計(jì)算軸力標(biāo)準(zhǔn)值N現(xiàn)有=2032kN,托換梁截面尺寸為800×900,混凝土強(qiáng)度為C25,對(duì)托換梁在施工過程中可能出現(xiàn)的兩套支承點(diǎn)(千斤頂和托換小柱)分別進(jìn)行驗(yàn)算。頂升結(jié)構(gòu)布置見圖3。正截面受彎承載力驗(yàn)算時(shí)應(yīng)取托換小柱作為支點(diǎn)計(jì)算,受剪截面驗(yàn)算則應(yīng)取千斤頂位置作為支點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。(1)抗彎計(jì)算彎矩設(shè)計(jì)值為。托換梁按簡支設(shè)計(jì),計(jì)算跨度取托換小柱的間距l(xiāng)0=1.65m,h=900mm,l0/h=1.65/0.9=1.83<2.0,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)10.7.1條,托換梁應(yīng)按深梁進(jìn)行設(shè)計(jì):式中各參數(shù)含義見規(guī)范。h0=h-as=h-0.1h=810mm,按一般受彎梁計(jì)算托換梁截面受壓區(qū)高度x=170mm>0.2h0。經(jīng)計(jì)算:αd=0.873,z=633mm,As≥M/fyz=1257.3×106(300×633)=6621mm2,實(shí)配鋼筋14φ25,As=6860mm2,滿足要求。(2)抗剪計(jì)算剪力設(shè)計(jì)值V=P/2=(1/2)×1.5×2032=1524kN。托換梁按簡支設(shè)計(jì),計(jì)算跨度取千斤頂?shù)拈g距l(xiāng)0=0.9m,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)10.7.4條,l0<=1.8m時(shí),取l0=h=1.8m,得l0/h=2.0。截面驗(yàn)算按下式進(jìn)行:計(jì)算結(jié)果顯示托換梁高主要由此驗(yàn)算控制。深梁斜截面抗剪計(jì)算:由于l0/h取2.0,λ=0.25,則,說明托換梁截面豎向箍筋不起控制作用,按一般梁設(shè)計(jì)僅配豎向箍筋時(shí)不能滿足抗剪承載力要求。按上式計(jì)算配水平筋:Ash/sv≥3.06mm2/mm,實(shí)配4φ12@100,Ash/sv=4.52,滿足要求。托換梁配筋大樣見圖4。3.2界面抗沖剪分析在混凝土結(jié)構(gòu)加固中,考慮新舊結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作,包大截面法加固都會(huì)涉及到新舊混凝土界面連接的問題,如梁柱包大截面加固,一般的處理方法是界面鑿毛10～20mm,植界面拉結(jié)筋,澆筑混凝土前刷水泥凈漿或樹脂類界面劑。此類界面處于彎剪或壓剪應(yīng)力狀態(tài),按上述處理一般滿足新舊混凝土共同工作,極限狀態(tài)下一般不是由界面破壞控制。托換梁的新舊界面受力不同,剪力平行作用于界面,彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力相對(duì)剪力來說很小,界面幾乎為純剪受力狀態(tài),如果處理不當(dāng),在極限狀態(tài)下可能出現(xiàn)柱沖剪破壞。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究顯示,界面發(fā)生初始滑移的承載力約為極限承載力的80%,界面發(fā)生初始滑移是由于新舊混凝土界面粘結(jié)力的破壞,由于外夾梁及界面植筋的存在,界面發(fā)生初始滑移后,承載力仍能增至極限值。極限破壞時(shí),托換梁在柱四角會(huì)發(fā)生如局部承壓破壞的四角劈裂裂縫。根據(jù)此類界面受力的特點(diǎn),托換梁除按整體計(jì)算外,另需驗(yàn)算界面的抗剪承載力。經(jīng)試驗(yàn)研究,界面承載力設(shè)計(jì)值可取F=0.15fcA進(jìn)行驗(yàn)算,其中fc為新舊混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的較小值,A為新舊混凝土界面的總面積。以柱1為例:F=1.5×2032=3048kN,A=F/0.15fc=3048×103/0.15×11.9=11708mm2,現(xiàn)柱周長s=(0.4+0.5)×2=1.8m,則需梁高H=1.708/1.8=0.95m>0.9m,不能滿足要求,可將托換梁上500mm范圍內(nèi)將柱包大截面與托換梁同時(shí)澆筑增加界面高度。根據(jù)上述分析,包柱式托換梁發(fā)生沖剪極限破壞時(shí),類似于局部承壓破壞將在托換梁內(nèi)產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力,在柱四周配置箍筋可以約束此部分混凝土,提高極限承載力,同時(shí)在柱四周植界面筋,也可提高界面抗沖剪極限承載能力。界面處理大樣見圖5。4鉸支護(hù)設(shè)計(jì)及設(shè)備在頂升糾偏施工過程中,將建筑物繞某一軸線整體旋轉(zhuǎn)達(dá)到糾偏的目的。常規(guī)的旋轉(zhuǎn)軸位于沉降最小的外排柱。為達(dá)到旋轉(zhuǎn)目的,外排柱設(shè)計(jì)成模擬鉸支座,不切斷整根柱,將沿旋轉(zhuǎn)方向的外排鋼筋切斷,使柱腳抵抗彎矩的能力減小,在頂升過程中,人為控制鉸支座處柱位的開裂位置,起著鉸支座的旋轉(zhuǎn)作用,模擬鉸支座見圖6。但在工程實(shí)踐中,此類模擬鉸支座的作用難以實(shí)現(xiàn),由于模擬支座承臺(tái)仍有較大的抗彎能力,難以達(dá)到完全鉸支座的作用,該排柱及以上構(gòu)件常常在頂升過程中開裂,甚至能聽到結(jié)構(gòu)開裂的聲音。為解決以上可能出現(xiàn)的問題,采用鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)制成鉸支座。鉸支座只能朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)阻力為滾動(dòng)摩擦,且能傳遞水平剪力,接近理想鉸支座狀態(tài)。鉸支座設(shè)計(jì)成工具式結(jié)構(gòu),可重復(fù)利用,單套鋼結(jié)構(gòu)鉸支座設(shè)計(jì)豎向承載力為1500kN,可旋轉(zhuǎn)最大角度約為4°。每個(gè)柱位通過托換梁布設(shè)2個(gè)鉸支座,這樣鉸支座基本能適應(yīng)普通七層框架結(jié)構(gòu)的頂升工作。深圳光明七層樓房傾斜率為11.8%,鉸支座布置在軸C上,A排柱最大頂升量為12000×11.8‰=142mm。一般液壓千斤頂?shù)淖畲箜旐敵虨?00mm,這樣頂升過程中千斤頂無需換程,即可完成糾偏工作,增加了施工安全度,減化了施工程序,該鉸支座照片見圖7。采用鋼結(jié)構(gòu)鉸支座后,實(shí)現(xiàn)全斷柱糾偏,糾偏阻力減少,頂升過程非常順利,上部結(jié)構(gòu)及鉸支座柱位未見任何開裂現(xiàn)象。糾偏到位后,鉸支座柱位的修復(fù)與頂升柱位相同,有充足的操作空間,修復(fù)方便。糾偏示意見圖8。采用工具式鋼結(jié)構(gòu)鉸支座后,還可使鉸支座的布置位置更加靈活。一般斷柱頂升鉸支座均布置在沉降小的最外排柱,其它軸線的柱位均采用千斤頂頂升。實(shí)際工程實(shí)踐中曾處理過傾斜率達(dá)6.7‰的房屋。如采用外排柱設(shè)鉸支座方案,最大頂升量將達(dá)670mm,千斤頂需換程4次,千斤頂采用墊塊支承,穩(wěn)定性差,頂升的過程將超過12h,一個(gè)白天不能施工完畢,大大增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。如鉸支座安排在中柱,形成一邊升,一邊降,形似翹翹板的方式,頂升量僅為一半335mm,頂升工作可在一個(gè)白天結(jié)束,大大方便了施工。應(yīng)注意的是,放沉柱位采用螺旋千斤頂較為適宜,它可以帶壓放沉,且容易操作,與頂升相配合。我公司曾施工的三水某私宅采用中柱布置鉸支座方案進(jìn)行糾偏,放沉一側(cè)照片如圖9。5托換梁的生長(1)對(duì)既有建筑物發(fā)生沉降的獨(dú)立基礎(chǔ)的加固,應(yīng)合理評(píng)估現(xiàn)有基礎(chǔ)的承載力,采用錨桿靜壓樁加固時(shí),可按復(fù)合樁基的概念設(shè)計(jì),樁基與地基共同承受上部結(jié)構(gòu)荷載。(2)頂升托換梁的設(shè)計(jì)應(yīng)按深受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算,與普通梁相比較,托換梁底的配筋大,梁截面高度由剪力控制,梁的剪力不是主要由豎向箍筋承受,而是主要由水平分布筋承受。(3