北方山区砖混结构顶升纠倾技术研究与应用*

张永前，付素娟，王立军，贾媛媛，刘泽东

（1．河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2．河北省建筑科学研究院，河北 石家庄 050021；3．河北建研科技有限公司，河北 石家庄 050021；4．河北星球建筑设计有限公司，河北 张家口 075000）

0 引言

近年来，北方山区场地建筑由于地基不均匀沉降造成的房屋倾斜问题时有发生。顶升法是对既有建筑纠倾的一种常用方法，凭借其投资少、工期短、效果良好等优势，得到广泛应用［1］。由于顶升纠倾技术涉及内容繁杂，要求设计和施工人员明确掌握结构、构件力学及变形特性、结构传力途径，根据工程特点选择纠倾方法，并对顶升过程中建筑的受力及变形情况进行系统分析，从而制定安全可靠的加固方案，合理安排施工顺序。否则有可能导致“越纠越倾”，甚至造成房屋倒塌，危及生命安全。下文结合某砖混结构的顶升纠倾工程进行介绍。

1 工程概况

该建筑为地下1层、地上6层砖混结构住宅楼，钢筋混凝土条形基础，建筑高度18．87m，纵向长度67．3m，横向长度14m。建筑由5个单元组成，其中2单元与3单元交接处设置1道变形缝，并未设置伸缩缝，建筑平面布置如图1所示。建筑投入使用3年后，变形缝西侧3个单元楼体向西北方向发生严重倾斜，东向西沉降差为222mm，倾斜率5．5‰；南向北沉降差为45mm，倾斜率为4．7‰，均高于规范中4‰的允许值［2］。根据勘察检测报告分析，该建筑倾斜的原因主要有以下3点。

图1 建筑平面

1）该建筑位于山下，建造时为平整场地，地基处理采用了大量填土，造成地基土质东西分布不均。地基土以变形缝为界，1～2单元为基岩地基，3～5单元为素填土地基，且填土层中存在大量建筑垃圾和生活垃圾，未能达到设计地基承载力。

2）建筑西侧地势较低，排水不畅，长期受雨水浸泡等影响，造成填土层含水率过高，产生局部沉降。

3）该建筑5单元北侧附近的化粪池漏水，加剧房屋倾斜程度，使其向西北方向倾斜。

2 纠倾加固方案

2.1 纠倾方法选择

由于该建筑只有伸缩缝西侧的3个单元楼体倾斜率超过标准，东侧楼2个单元沉降观测稳定。建筑东西地基土质不均，若采用掏土法迫降纠偏，掏土量不易控制，也必然使伸缩缝以西部分产生附加沉降；且原建筑西侧地势较低，迫降纠倾不能改变其不利地势。根据工程特点及问题，最终选用顶升纠倾法，从根本上治理地基不均匀沉降和建筑倾斜的问题。

2.2 方案设计要点

由于砖混结构自重较大，延性差，顶升纠倾过程将改变结构受力状态，条形基础受力由地基的均布作用，变为千斤顶控制的集中作用。若墙体受力不均易产生裂缝，为防止上部结构出现应力集中、变形不均匀的影响，顶升纠倾设计的重点如下。

1）安全的顶升托换体系 应具备一定的刚度储备，能够与墙体有良好的共同作用，保证竖向荷载的均匀传递；又要具备一定的延性，协调顶升过程的受力和变形，防止结构产生二次损伤。

2）平稳的顶升施工过程 精确控制各测点千斤顶顶升速度、顶升位移，实时监测构件的受力及变形，保证线性同步纠倾。

2.3 具体方案

1）止倾加固 在建筑物纵横墙交接处的基础下方设置人工成孔托换桩（桩径800mm），桩长12～16m，共计60根，桩端进入持力层深度不小于规范限值要求，改变结构基础形式，增强基础承载力，同时为建筑顶升提供反力。

2）托换加固 在条形基础上部墙体采用混凝土双梁夹墙方式进行托换（单梁截面250mm×500mm），增强结构整体稳定性及刚度，保证千斤顶的集中作用均匀向上传递［3］。

3）顶升方案 以桩基础承台为反力支座，选择条形基础底面为顶升面，在桩承台与基础之间布置千斤顶，对建筑进行顶升纠倾。

4）整体加固 顶升纠倾结束后，用预制的等高钢垫块置换千斤顶将其撤出，随后将原基础、钢垫墩和人工成孔桩浇筑成整体，使建筑物基础形式由条形基础变为桩基础，如图2所示。

3 数值模拟分析

3.1 模型及模拟参数

在ABAQUS软件中，为减少整体建模计算量，保证模拟收敛精度，选择结构中倾斜最严重的第5单元进行1∶1有限元数值分析，研究顶升纠倾过程中结构的受力及变形。其中，墙体厚240mm，楼层高2600mm，楼板厚120mm，托换梁截面500mm×500mm，条形基础（将其简化为矩形截面1100mm×500mm）。基础、混凝土及上部结构均采用C3D8单元，结构采用整体式配筋，以保证钢筋与混凝土之间有足够的黏结强度而实现共同作用，将钢筋与混凝土嵌入约束［4］。有限元分析中主要材料参数如下：C35混凝土，密度为 2500kg／m3，弹性模量3．15×1010N／m2，泊松比为 0．2；钢筋密度为7800kg／m3，弹性模量为 2．1×1011N／m2，泊松比为 0．3，屈服强度为400MPa；MU10普通砖和M5水泥砂浆的砖砌体密度为 1937kg／m3，弹性模量 2．55×1010N／m2，泊松比为0．25。单元整体有限元模型如图3所示。

图2 顶升纠倾加固

图3 单元整体有限元模型

3.2 边界条件和模拟过程

1）各楼层和构件之间均采用绑定约束（Tie），采用钢垫板和参考点耦合组成的结构模拟该单元所需的22个千斤顶（分布见图4），保证垫块与基础之间力的传递，防止施加点荷载产生应力集中问题［5］。

2）数值计算中，第1步对模型施加自重荷载，第2步根据幅值施加顶升位移荷载。顶升纠倾是一个缓慢变化的动态过程，纠倾过程中建筑物移动的速度和加速度均较小，在有限元模拟中将其视为静态变化过程。结合实际施工顶升速率，将各点的单步增量幅值控制在3mm以内，平稳加载至所需顶升量［6］。

图4 数值模拟千斤顶分布

3.3 模拟分析结果

顶升纠倾过程中，千斤顶的集中力改变了原有结构受力状态。有限元模拟过程应保证托换体系与结构整体的协调性，控制顶升过程的平稳性。下面从结构和构件的受力和变形2个角度出发，对顶升纠偏进行分析。

1）受力分析 从图5a、5b可看出，整体结构在重力和千斤顶作用下，千斤顶的集中荷载从条形基础到托换梁逐步扩散，传递至墙体时已基本均匀。在条形基础下边缘的顶升位置会出现应力集中现象，最大压应力3．068MPa。条形基础底部跨中受拉，最大拉应力为0．706MPa，应力变化从梁端向中部递减，均小于混凝土抗拉、抗压极限值。图5c中显示，上部结构整体处于压应力状态（压应力为0．7MPa），集中荷载变化主要对地下1层墙体产生轻微应力集中，底层局部门窗洞口拉应力集中，整体均小于砖砌体极限承载限值。总体而言，千斤顶的集中作用对底部3层墙体影响较大，对上部楼层影响很小，整个加载过程上部结构受力安全。

2）变形分析 从图5d中可看出，整个纠倾模拟过程中的最大挠度均出现在托换结构底部跨中，最大挠度达 0．09mm，是计算跨度的 1／38888（0．09／3500），远小于钢筋混凝土受弯构件挠度限值（计算跨度的1／400）的规定，说明该设计满足结构变形要求，整体加载过程结构变形安全［7］。

4 工程试验

4.1 纠倾施工过程

图5 有限元计算云图

纠倾施工时采用高精度的PLC同步顶升控制系统，在托换梁侧面布置应变传感仪，各测点布置位移计，自动采集施工中顶升力、顶升位移及托梁受力的变化情况。整个纠倾施工分为顶升称重、由北向南纠倾、由西向东纠倾和局部调整4个过程。

4.2 工程数据分析

以5单元①轴托梁为例，整个顶升纠倾过程中①、③、⑤（梁端支座）轴处应力较大，②、④轴（跨中）应力较小，符合有限元模拟中托梁受力从端部向跨中应力递减，底部梁端压应力集中，跨中受拉应力的结果。顶升称重初始，各测点应力较小，说明托梁最初受力均匀；称重过程千斤顶的集中荷载逐步增大，直到建筑由千斤顶完全顶起时，托梁内力达到最大，完成了由条形基础向桩基的转化过程。纠倾施工过程托梁内力受顶升荷载变化的影响，托梁端部受影响最大，梁端所受压应力波动在 0．2～1．5MPa，托梁中部受拉应力，波动范围在 0．2～0．4MPa，随着顶升位移变化而上下波动。局部调整时托梁的内力整体趋于稳定，最终梁端压应力稳定在1．4MPa，梁中拉应力为0．36MPa。整个纠倾施工过程安全平稳，托换结构受力均处于极限承载范围内。

本次工程工期近3个月，顶升纠倾过程近6h，最大纠倾顶升量 233．06mm，将建筑的倾斜率由5．5‰降至 0．6‰，基本恢复垂直。目前，该工程已完成并使用1年多，经观测没有发生新的沉降、倾斜和地基损伤。

5 结语

1）人工成孔桩结合钢筋混凝土托换梁技术是治理北方山区砖混结构倾斜问题的有效方法，不仅满足顶升纠倾的安全性要求，同时增强了建筑结构的整体性，对结构影响较小。

2）ABAQUS有限元分析结果表明：千斤顶附加的集中作用，经托换结构传递至墙体时已基本均匀，托梁和上部结构的墙梁协同作用良好，整个结构及构件受力及变形均有较大的安全储备。

3）工程监测结果与有限元分析结果吻合，证明有限元模拟分析可靠，为施工安全提供预先把控。

4）通过该建筑倾斜原因的分析，提醒在建筑设计、施工中应注意山区填土地基的合理处理，防止地基土质不均对建筑造成倾斜隐患，同时该工程具体纠倾方案可为类似工程提供参考。