既有建筑结构在地基扰动情况下的结构响应

李天际

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

1 工程概况

复旦大学相辉堂是上海市第四批优秀历史建筑，为三类保护建筑，总建筑面积为5 047 m2。项目包括相辉堂修缮和北堂扩建（图1），其中修缮面积1 777 m2；北堂扩建工程，地上建筑面积2 070 m2，地下建筑面积1 200 m2。建筑层数为地下1层、地上2层，建筑高度为14.75 m。

图1 项目平面示意

相辉堂复建于1947年，房屋主体为木屋架、钢筋混凝土框排架混合结构体系。其中1层结构为混凝土框架结构，2层结构为混凝土排架结构，柱顶设有钢筋混凝土圈梁。基础为柱下独立基础，基础垫层为厚101 mm素混凝土，基础埋深约－0.9 m。房屋外墙采用254 mm青砖，石灰砂浆砌筑。相辉堂作为三类保护建筑，建筑的立面和结构体系不得改变，空间格局、入口门厅及其原有特色装饰也为重点保护部位，修缮标准较高。

相辉堂在工程开工前，经检测鉴定，实心黏土砖强度等级达到MU5，砂浆强度等级为M1。原结构1层、2层实测混凝土强度分别为C18和C15。房屋有多处老化损伤，经验算，主体结构在正常使用情况下安全性不足，综合抗震能力不满足抗震鉴定要求[1-5]。

2 施工内容及沉降监测

2.1 施工内容

扩建工程地下室开挖面积2 886 m2，基坑周长256 m，地下室基本挖深5.6 m，局部深坑开挖深度近10 m。基坑围护体系采用钻孔灌注桩和三轴搅拌桩止水帷幕（局部SMW工法桩）。基坑部分主要施工内容包括：围护、降水、破桩、挖土、圈梁、栈桥、支撑等，该部分的施工会对既有建筑产生不利影响。

2.2 沉降监测

软土地层条件下的基坑施工时，施工机械对周围土体扰动和施工工艺对土体物理力学性态的改变会使周边土体产生形变（沉降或隆起及水平位移），从而造成周边环境的变形，因此需要对邻近建筑物等进行动态监测（图2）。监测点F30～F52分别布置于相辉堂南北侧楼梯、周边及内部。

3 有限元数值模拟

3.1 基础沉降

3.1.1 数值模型及参数

采用有限元软件MIDAS GTS对实际扩建基坑及相辉堂进行建模，用以分析基坑开挖对相辉堂基础沉降的影响（图3、表1）。

图2 相辉堂监测点位布置示意

图3 整体模型与相辉堂模型

表1 土体参数

3.1.2 分析结果

施工工况的不同，对紧邻基坑的历史保护建筑的影响也不同[6-8]。工程采用的主要工况为：静压锚杆桩施工、基坑支护及桩施工、第1层土方施工、内撑围檩施工、第2层土方施工和承台大底板施工（表2）。

3.1.3 数据处理

通过拟合方法，对表2中的模拟值与对应的监测值进行平均处理（图4），用以消除差异。再通过插值法，获取相辉堂所有柱子的沉降位移。由图4可知，监测值和模拟值趋势吻合较好。

表2 沉降变形模拟结果（单位：mm）

图4 数据处理

3.2 结构响应

3.2.1 数值模型及参数

利用有限元软件MIDAS GEN，建立相辉堂数值模型（图5）。模型中，分别使用了梁单元、柱单元以及桁架单元。1层结构混凝土为C18，2层结构混凝土为C15。木材为松木，抗弯强度取10.4 MPa。

模型中，1层钢筋混凝土柱截面分别为254 mm×254 mm、305 mm×305 mm和305 mm×406 mm，其纵筋分别为φ12.7 mm、φ15.9 mm和φ19.1 mm，箍筋为φ6.4 mm@76 mm～254 mm。2层钢筋混凝土柱截面分别为254 mm×254 mm和305 mm×305 mm，纵筋为φ12.7 mm，箍筋为φ6.4 mm@76 mm～254 mm。柱顶圈梁截面尺寸为254 mm×203 mm，纵筋为φ9.5 mm，箍筋为φ6.4 mm@254 mm。钢筋混凝土梁截面分别为203 mm×356 mm、254 mm×356 mm、254 mm× 508 mm、254 mm×762 mm和254 mm×813 mm，其纵筋分别为φ12.7 mm、φ15.9 mm、φ19.1 mm和φ25.4 mm，箍筋为φ6.4 mm/7.9 mm@51 mm～305 mm。屋架上弦、下弦和斜腹杆为矩形木材，截面尺寸分别为152 mm×305 mm、152 mm×305 mm和152 mm×254 mm。

3.2.2 分析结果

结合3.1.3节中数据处理结果，获取相辉堂所有柱子的沉降位移后，将所有沉降位移导入至MIDAS GEN的结构分析模型中（主要通过强制位移手段，将位移匹配到相应柱的模型中），通过计算获取相辉堂在各施工工况下结构的应力和变形（图6）。分析中对应的施工工况分别为：静压锚杆桩施工、基坑支护及桩施工、第1层土方施工、内撑围檩施工、第2层土方施工和承台大底板施工。

图5 模型及约束条件

图6 变形等值线

由图6可知，在静压锚杆桩施工阶段，结构产生的最大拉压应力分别为2.6、2.7 MPa，最大变形为4.8 mm，且变形主要集中于相辉堂北侧外框柱中部区域；基坑支护及桩施工阶段，结构产生的最大拉压应力分别为8.9、9.6 MPa，最大变形为5.2 mm，变形主要集中于相辉堂北侧外框柱中部及对应屋架上弦杆附近；第1层土方施工阶段，结构产生的最大拉压应力分别为2.4、2.1 MPa，最大变形为4.1 mm，变形主要集中于北侧和西侧外框柱、梁、圈梁及对应屋架上弦杆附近；内撑围檩施工阶段，结构产生的最大拉压应力分别为3.2、2.0 MPa，最大变形为6.3 mm，变形主要集中于北侧外框柱、梁和圈梁处；第2层土方施工阶段，结构产生的最大拉压应力分别为10.8、5.7 MPa，最大变形为11.6 mm，变形主要集中于东北部的框架柱和梁附近；承台大底板施工阶段，结构产生的最大拉压应力分别为24.4、14.4 MPa，最大变形为16.8 mm，主要集中于西侧内部框架柱和梁附近。

由以上对比可知，在北堂承台大底板施工阶段对相辉堂的影响较大。

4 结语

优秀历史保护建筑修缮及扩建工程一向标准高、难度大，主要在于不同施工工况和施工顺序会对既有建筑结构产生不同的影响。使用有限元分析软件MIDAS GTS，用以研究不同施工工况对既有建筑结构基础产生的沉降影响，是保障原有建筑结构安全的重要手段。在获取沉降数据的基础之上，将数据导入MIDAS GEN结构分析软件中，用以研究在不同施工工况下既有建筑结构的响应。而在不同施工工况下获取的既有建筑结构构件的应力和变形可以为后续修缮工程提供理论支撑。

经相辉堂项目对上述思路和方法的运用，证实该方法对于指导优秀历史保护建筑修缮及扩建工程的施工具有可行性，可供类似工程借鉴。