钢结构纯铰支座在钢结构钢结构钢结构钢结构钢结构断柱顶升中的应用

钢结构纯铰支座在钢结构钢结构钢结构钢结构钢结构断柱顶升中的应用

1地质勘探工作深圳南安光明街的一栋私人住宅由七层组成。顶层高4.8米，其余一层高3.0米，总高度22.8米。层2结构平面如图1所示,建筑物基础为柱下独立基础,埋深为2.3m,施工前未进行地质勘探。该建筑主体结构完工填充墙砌筑完毕后,在装修外墙时吊线发现主体结构朝正立面轴④方向倾斜,倾斜量达27cm,倾斜率为11.8%,已远远大于危房标准。房屋倾斜后,业主委托勘察单位进行地质钻探,结果显示场地土层自上而下分布为:①人工填土层,层厚2.50～3.60m;②淤泥质土、软塑状,层厚0.80～1.2m;③砾砂层,稍密～中密状,层厚0.80～1.40m;④粘性土,呈可塑～硬塑状,层厚4.10～12.6m;⑤强风化斜长片麻岩。钻探资料揭示基础持力层为回填土层,其下又存在淤泥质土,这是造成建筑物沉降倾斜的根本原因。2荷载作用下的标准组合发现结构倾斜后,业主立即停止了装修施工,并对沉降进行了观测,在停工后六个月内,基础沉降已暂时趋于稳定,为保证结构在设计使用荷载条件下正常、安全使用,必须对基础进行加固处理。该栋建筑整体朝一侧倾斜,经现场勘察,未发现上部结构有开裂现象,说明结构整体刚度良好,根据倾斜率反算最大沉降差约为140mm,在如此沉降量的情况下,可以认为基础在现有荷载下已处于极限状态。对该结构采用广厦10.0软件进行复核计算,分别计算不同阶段的内力值,对基础加固设计时,需计算在设计荷载作用下的标准组合值,并计算现有荷载下(仅计现有结构自重,不计活荷载,不考虑风荷载及地震作用)的柱底轴力标准值,以轴力最大的柱子(图1)为例,设计荷载标准组合N设计=2840kN,现有荷载作用下标准组合N现有=1928kN。此柱位在现有荷载下已处于极限状态,根据《建筑地基基础设计规范》(GB50011-2001),可认为该柱位基础现有的基底承载力为P现有=1928/2=964kN。由于基底承载力特征值与设计荷载作用下柱底标准组合N设计相差甚远,常规加固方案无法满足承载力要求,拟采用锚杆静压桩方案进行加固。为防止基础土方开挖及凿压桩孔洞口对原基础的影响,采用如图2所示方法加大原基础,预留压桩孔,通过压桩孔静压200mm×200mm方桩,桩长预计8m,穿过淤泥层,以砾砂层为持力层,收桩压力为450kN,单桩设计承载力特征值取300kN。压桩设计中,应综合考虑原基础及新增桩基的共同作用,新增桩基与原基础形成复合桩基,由于原基础已有应力历史,根据现状,认为它已处于极限状态,那么新增的桩基需托换设计使用荷载作用下原基础承载力的差值,即P托换=N设计-P现有。仍以柱1为例,P托换=2840-964=1876kN。设计布设6根静压桩,桩基承载力特征值为6×300=1800kN,基本满足要求。由于原建筑在现有荷载下已基本稳定,新增托换桩持力层为砾砂层,沉降可满足要求,无需验算。3土、浇而成顶升托换梁结构是断柱纠偏的重要结构,托换顶升梁一般由钢筋混凝土现浇而成。为保证顶升过程的安全,顶升托换梁下设置小柱作为安全措施,换程或千斤顶故障时,在小柱与托换梁间采用钢楔块楔紧,使托换结构在千斤顶完全卸荷下仍能保证临时稳定,增加一道安全防线。3.1托换梁高验算托换梁设计计算包括整体设计计算及新旧混凝土的纯剪界面计算1.整体设计计算为保证托换梁与原柱的共同作用,托换梁应采用包柱式施工,计算受力主筋不宜采用植筋方式植入柱中,而应夹柱两侧通过,托换梁根据高跨比关系,一般为深受弯构件,应按深受弯构件的要求进行设计计算,不宜按牛腿、一般单筋梁或桩承台方式进行设计计算。托换梁设计计算模型为简支深梁承受柱传来的集中荷载作用。房屋倾斜后,结构内力有不同程度的变化,断柱时结构内力又将发生变化。实际纠偏时,托换梁承受的荷载不考虑风荷载及地震作用,仅为现有结构恒载作用下的自重标准值。计算结果表明,竖向自重恒载作用下柱底弯矩、剪力相对轴力来说较小,设计托换梁时可忽略。考虑顶升施工过程中,由于顶升量的不均匀,各柱的柱底轴力是变化的。为安全计,设计托换梁时,综合考虑弯矩、剪力作用及顶升不均匀的轴力调整,可将计算柱底轴力标准值乘以1.5倍的安全系数作为设计值。以柱1为例进行设计计算,计算轴力标准值N现有=2032kN,托换梁截面尺寸为800×900,混凝土强度为C25,对托换梁在施工过程中可能出现的两套支承点(千斤顶和托换小柱)分别进行验算。顶升结构布置见图3。正截面受弯承载力验算时应取托换小柱作为支点计算,受剪截面验算则应取千斤顶位置作为支点进行计算。(1)抗弯计算弯矩设计值为。托换梁按简支设计,计算跨度取托换小柱的间距l0=1.65m,h=900mm,l0/h=1.65/0.9=1.83<2.0,根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)10.7.1条,托换梁应按深梁进行设计:式中各参数含义见规范。h0=h-as=h-0.1h=810mm,按一般受弯梁计算托换梁截面受压区高度x=170mm>0.2h0。经计算:αd=0.873,z=633mm,As≥M/fyz=1257.3×106(300×633)=6621mm2,实配钢筋14φ25,As=6860mm2,满足要求。(2)抗剪计算剪力设计值V=P/2=(1/2)×1.5×2032=1524kN。托换梁按简支设计,计算跨度取千斤顶的间距l0=0.9m,根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)10.7.4条,l0<=1.8m时,取l0=h=1.8m,得l0/h=2.0。截面验算按下式进行:计算结果显示托换梁高主要由此验算控制。深梁斜截面抗剪计算:由于l0/h取2.0,λ=0.25,则,说明托换梁截面竖向箍筋不起控制作用,按一般梁设计仅配竖向箍筋时不能满足抗剪承载力要求。按上式计算配水平筋:Ash/sv≥3.06mm2/mm,实配4φ12@100,Ash/sv=4.52,满足要求。托换梁配筋大样见图4。3.2界面抗冲剪分析在混凝土结构加固中,考虑新旧结构的协同工作,包大截面法加固都会涉及到新旧混凝土界面连接的问题,如梁柱包大截面加固,一般的处理方法是界面凿毛10～20mm,植界面拉结筋,浇筑混凝土前刷水泥净浆或树脂类界面剂。此类界面处于弯剪或压剪应力状态,按上述处理一般满足新旧混凝土共同工作,极限状态下一般不是由界面破坏控制。托换梁的新旧界面受力不同,剪力平行作用于界面,弯矩产生的正应力相对剪力来说很小,界面几乎为纯剪受力状态,如果处理不当,在极限状态下可能出现柱冲剪破坏。根据相关试验研究显示,界面发生初始滑移的承载力约为极限承载力的80%,界面发生初始滑移是由于新旧混凝土界面粘结力的破坏,由于外夹梁及界面植筋的存在,界面发生初始滑移后,承载力仍能增至极限值。极限破坏时,托换梁在柱四角会发生如局部承压破坏的四角劈裂裂缝。根据此类界面受力的特点,托换梁除按整体计算外,另需验算界面的抗剪承载力。经试验研究,界面承载力设计值可取F=0.15fcA进行验算,其中fc为新旧混凝土轴心抗压强度的较小值,A为新旧混凝土界面的总面积。以柱1为例:F=1.5×2032=3048kN,A=F/0.15fc=3048×103/0.15×11.9=11708mm2,现柱周长s=(0.4+0.5)×2=1.8m,则需梁高H=1.708/1.8=0.95m>0.9m,不能满足要求,可将托换梁上500mm范围内将柱包大截面与托换梁同时浇筑增加界面高度。根据上述分析,包柱式托换梁发生冲剪极限破坏时,类似于局部承压破坏将在托换梁内产生纵向拉应力,在柱四周配置箍筋可以约束此部分混凝土,提高极限承载力,同时在柱四周植界面筋,也可提高界面抗冲剪极限承载能力。界面处理大样见图5。4铰支护设计及设备在顶升纠偏施工过程中,将建筑物绕某一轴线整体旋转达到纠偏的目的。常规的旋转轴位于沉降最小的外排柱。为达到旋转目的,外排柱设计成模拟铰支座,不切断整根柱,将沿旋转方向的外排钢筋切断,使柱脚抵抗弯矩的能力减小,在顶升过程中,人为控制铰支座处柱位的开裂位置,起着铰支座的旋转作用,模拟铰支座见图6。但在工程实践中,此类模拟铰支座的作用难以实现,由于模拟支座承台仍有较大的抗弯能力,难以达到完全铰支座的作用,该排柱及以上构件常常在顶升过程中开裂,甚至能听到结构开裂的声音。为解决以上可能出现的问题,采用钢筋混凝土组合结构制成铰支座。铰支座只能朝一个方向旋转,旋转阻力为滚动摩擦,且能传递水平剪力,接近理想铰支座状态。铰支座设计成工具式结构,可重复利用,单套钢结构铰支座设计竖向承载力为1500kN,可旋转最大角度约为4°。每个柱位通过托换梁布设2个铰支座,这样铰支座基本能适应普通七层框架结构的顶升工作。深圳光明七层楼房倾斜率为11.8%,铰支座布置在轴C上,A排柱最大顶升量为12000×11.8‰=142mm。一般液压千斤顶的最大顶顶程为200mm,这样顶升过程中千斤顶无需换程,即可完成纠偏工作,增加了施工安全度,减化了施工程序,该铰支座照片见图7。采用钢结构铰支座后,实现全断柱纠偏,纠偏阻力减少,顶升过程非常顺利,上部结构及铰支座柱位未见任何开裂现象。纠偏到位后,铰支座柱位的修复与顶升柱位相同,有充足的操作空间,修复方便。纠偏示意见图8。采用工具式钢结构铰支座后,还可使铰支座的布置位置更加灵活。一般断柱顶升铰支座均布置在沉降小的最外排柱,其它轴线的柱位均采用千斤顶顶升。实际工程实践中曾处理过倾斜率达6.7‰的房屋。如采用外排柱设铰支座方案,最大顶升量将达670mm,千斤顶需换程4次,千斤顶采用垫块支承,稳定性差,顶升的过程将超过12h,一个白天不能施工完毕,大大增加了施工风险。如铰支座安排在中柱,形成一边升,一边降,形似翘翘板的方式,顶升量仅为一半335mm,顶升工作可在一个白天结束,大大方便了施工。应注意的是,放沉柱位采用螺旋千斤顶较为适宜,它可以带压放沉,且容易操作,与顶升相配合。我公司曾施工的三水某私宅采用中柱布置铰支座方案进行纠偏,放沉一侧照片如图9。5托换梁的生长(1)对既有建筑物发生沉降的独立基础的加固,应合理评估现有基础的承载力,采用锚杆静压桩加固时,可按复合桩基的概念设计,桩基与地基共同承受上部结构荷载。(2)顶升托换梁的设计应按深受弯构件进行计算,与普通梁相比较,托换梁底的配筋大,梁截面高度由剪力控制,梁的剪力不是主要由竖向箍筋承受,而是主要由水平分布筋承受。(3