不均匀沉降下既有建筑主动托换施工方案设计研究

闫晓洁 （山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）

近年来，国内外学者针对既有建筑主动托换施工方案进行了大量研究，这些研究主要集中在托换技术的研究与开发、施工工艺的优化、安全措施的完善等方面，代表性的研究成果包括：为提高既有建筑主动托换施工技术的安全性和有效性，国内外学者积极开展新技术的研发工作，如高性能混凝土添加剂、新型钢构节点等；针对不同类型和规模的既有建筑，学者们研究了与之相适应的主动托换施工工艺，如梁式托换、桩式托换等，以满足施工过程中的受力要求和环境条件；为确保既有建筑主动托换施工顺利进行，学者们着重对施工过程中的安全监控、应急预案等方面进行了深入研究。

主动托换施工方案的设计是为了确保既有建筑结构在施工过程中的安全性和稳定性。由于建筑结构类型、使用年限、材料性能等因素的差异，不同的建筑结构在不同程度上存在安全隐患。通过制定合理的主动托换施工方案，可以有效降低或避免施工过程中的结构变形、裂缝等潜在风险，保证建筑结构的安全。为深化主动托换在有关领域的推广应用，以不均匀沉降作为背景，对此展开研究。

1 既有建筑主动托换中的结构力学转换分析

既有建筑主动托换施工方案的设计需要考虑到社会的可持续发展需求。通过合理利用资源、减少能源消耗、降低环境污染等措施，主动托换施工方案可以实现既有建筑的绿色改造和可持续发展。同时，对于城市更新和旧城改造等项目，主动托换施工方案可以促进城市空间的有效利用和历史文化保护，推动城市的可持续发展。

为深化主动托换施工方案，主梁采用新桩+托换梁的门式托换结构，其形式与原基础的连接形式不同，可采用下承梁和增设梁。下承梁是在原来的基础承台下面，直接支撑已有的基础承台，基础承台荷载由下承梁直接承担。但由于既有建筑的新旧混凝土连接问题，应格外关注托换工程在连接处的应力状况及安全性。根据项目施工方的要求，试点工程必须进行桩基的托换，本次托换的桩基由6根独立桩基、5根下排桩构成。

结合相关工程经验可知，为了确保托换层施工的顺利实施，应在作业过程中保证抗剪接头的承载力，提高其承载力的方法主要有两种，其一是增加既有建筑新旧混凝土结合区域的摩擦阻力与粘结强度，包括对接头位置进行打毛处理、刷涂界面剂等；其二，在接头位置增加构造措施，优化托换接头受力状态（在工程实际应用中，通常会采用多种措施，包括植入锚筋、将接头凿成企口型式等）。

在此过程中，主动端滑移与接头剪力之间的关系如图1所示。

图1 主动端滑移与接头剪力之间的关系

从图1可以看出，0～△0之间为弹性阶段，对应I阶段，在此过程中所产生的位移主要由梁体结构弯曲变形、沉降变形所产生，此阶段所产生的变形并不代表梁柱结构在托换过程中产生了相对滑移；△0～△1阶段为第II阶段，此阶段为塑性分布阶段，梁柱结构在托换层中的不均匀摩阻力开始变得越来越均匀，也可以将此阶段称之为弹塑性握裹阶段，在此种条件下，主动端产生了初始滑移；△1～△2阶段为第III阶段，此阶段被称之为线弹性阶段，此阶段是指随着接头整体滑移行为的发生，既有建筑托换层新旧混凝土之间的钢筋销栓作用、企口咬合力完全发挥；△2～△3 阶段为第IV 阶段，此阶段为破坏阶段，当作用力发挥到一定程度时，剪切面屈服强度达到一个较强的数值，混凝土发生了局部挤压破坏，结构中的托换层承载潜力被耗尽，此时接头的抗剪能力已经达到了承载极限，荷载无法再上升，并呈现逐步下降趋势，接头整体滑移较大。

通常情况下，将I阶段与III阶段的延长线进行相交处理，此时会产生一个交点，此交点对应的荷载值为Q1，Q1对应的数值为托换层接头整体结构发生初始滑移荷载的数值。主动端的初始化滑移荷载值为Q0，对应的极限破坏荷载值为Qp。

为确保托换层中的接头结构抗剪强度可以满足或符合技术规范要求，接头的抗剪强度应当满足：接头初始滑移的荷载值应＞1.3×托换层荷载值；接头结构的极限承载力应＞2×托换荷载。以上文所述的试点工程为例，桩基的最大托换荷载值为1.8×104kN，则对应的接头初始化滑移荷载值为2.34×104kN、极限破坏荷载值为3.6×104kN。可以对托换结构的柱截面尺寸进行适当调整，同时，优化梁柱接头的不同角度（斜交状态），选择适合托换层施工的接头型式，确保相关工作在实施中可以达到预期效果。

2 主动托换施工方案设计

2.1 上托盘梁结构设计与方案

基于上述分析结果，对不均匀沉降下既有建筑主动托换施工方案进行设计。对于墙体结构的托换，墙内支撑采用普通的纵向和横向双夹墙梁，其中一根梁采用800mm×800mm横断面，在墙体2m位置设Φ203mm管棚抬梁，并配设200mm穿墙钢筋以增强抗剪能力[1]。上托架梁面距室内地面0.10m。若根据现场实际监测情况得出建筑存在不均匀沉降问题，则需要在纠偏项目中对上托盘梁进行设计[2]。

一般托盘梁结构的总荷载在10000kN 以上[3]。结合实际施工过程中可能会造成不均匀沉降问题，对结构荷载增加造成的沉降进行理论验算[4]。

锚杆静压桩在上承台梁完成后所产生的拖曳力，在理论上远大于单个荷载作用下所产生的沉降，且由于压桩过程尚未将桩帽完全转移到桩基础上，需要考虑牵引沉降[5]。基于以上分析，本项目拟采用16mm@480mm的HRB400钢筋及1根穿墙式钢管棚，通过计算上部支撑梁的高度，保证托换型节点的竖向承载能力[6]。上托盘梁结构如图2所示。

图2 上托盘梁结构

2.2 标高放样

确定上托盘梁结构后进行标高放样，可采用以下三种不同的放样方案。

第一种方案：依据沉降分区实测资料，在平面图上直线布置房屋差异沉降资料，上托盘梁高度800mm，以1m/点的方式确定高程。但由于下列原因，实际采用这种方式来确认标高是无法实施的[7]：第一，由于建筑物的不均匀沉降使建筑物的轴线产生了很大的偏差，使原来的设计和标高与现场放样产生了很大的偏差；第二，内外不能透视，不能对建筑物的地表沉陷进行直观反馈；第三，室内砖地基分割纵横，给放样工作带来了很大的难度。

第二种方案：结合现场测量得到的结果，获得建筑对角的高差[8]。通过实际测量距离按线性比例确定各个上托盘梁结构的标高。该方法能较好地解决方案一中出现的误差，提高了工程精度。

第三种方案：结合房屋外观进行放样。从理论角度出发，建筑的不均匀沉降不会影响到建筑物上窗台、室外勒脚、基础放大脚之间的距离，因此结合这一特点，测量室外勒脚与第一层基础放大脚之间的间隔距离，判断其是否与勒脚、窗台的间隔距离一致，如图3所示。

图3 勒脚底边与第一层放大脚位置关系立面图

在此基础上，结合设计要求将第一层的扩底处作为上底板的梁底标高，以此确定整体的上底板梁标高。通过比较分析，虽然第一种方案的测量精度最适宜，但是在实际测试中受到原有隔断的影响，室内外转换的难度很大。第二种方案的操作更容易实现。

2.3 主动托换施工

在施工过程中应用主动托换机械顶升装置，该装置可以实现随时调控，从而使托换过程中上托盘梁结构的变形得到控制。在新梁与托换结构固结之前，可以利用上托盘梁结构的荷载对其进行预压，以此使上托盘梁结构具有静压特点，消除部分沉降，并使托换后上部结构的沉降降低。主动托换层每次作用后，等效为在托换梁上再加一次垂直荷载，增加托梁承载力，进一步使其下承托梁下部受力。托换梁下的托换桩卸荷对截桩有利，但上部柱体如超载或因不均匀超压而产生弯曲，对结构安全构成威胁。为此，有必要对顶升力进行合理分配，从而选择合适的顶升方案。

2.4 灌浆施工

漏洞的顶部高出钢管上沿，具体位置如图4所示。

图4 灌浆结构示意图

利用注浆体本身的流动特性，将注浆体嵌入到钢管中部，从而确保注浆体密实，直至从另外一个漏斗中流出来的泥浆超出了钢管的上端，即为已经注满。在钢管和墙洞之间的间隙，首先用水泥浆封住两边的裂缝，然后在钢管的一侧留下一个注浆孔，然后从一端注入，从另一头出水口流出，则说明裂缝已经充满。在墙板上部100mm处设置16mm@480mm构造箍筋植筋，提高界面抗剪能力。将螺钉紧固至预定位置，再用托盘梁加固，并用胶带将高于托盘梁的螺栓缠绕起来，以避免混凝土浇筑过程中出现粘固等问题。

3 结语

随着社会进步和科技发展，既有建筑结构的维护和加固逐渐成为工程界关注的热点。主动托换技术作为一种先进的加固方法，在保证既有建筑结构安全、延长使用寿命方面具有显著优势。

既有建筑主动托换施工方案的设计不仅满足当前的使用要求，还应考虑未来的发展需求。合理的主动托换施工方案可以有效改善既有建筑结构的受力性能和使用性能，延长其使用寿命。同时，对于具有历史价值的建筑，主动托换施工方案还可以在保护原有建筑风格和历史文化遗产的基础上，提高其结构安全性和使用价值。为此，本文在分析了主动托换中的结构力学转换问题后，通过上托盘梁结构设计、标高放样、主动托换、灌浆，完成了施工技术方案的研究。在实际工程中，应根据具体项目的特点和需求，制定科学、合理、可行的主动托换施工方案，为既有建筑的安全和可持续发展提供有力保障。