竖向构件托换过程中的结构内力变化分析

2019-02-22祝文畏杨学林王擎忠张林波

浙江建筑 2019年1期

祝文畏,杨学林,王擎忠,张林波

(1.浙江省建筑设计研究院,浙江杭州 310006；2.杭州圣基建筑特种工程有限公司,浙江杭州 310007)

随着人类社会的不断进步,人们对建筑物的安全性能、使用功能等各方面提出了越来越高的要求。然而,建筑物由于材料自然老化、累积损伤、环境侵蚀、自然灾害以及施工质量等原因，又不可避免地出现大量问题,许多既有建筑物都面临着改造与加固问题。

据统计,我国目前既有建筑面积约达600亿m2,同时每年新建16～20亿m2,城市化进程不断加快[1]。由于地震、台风、火灾等灾害的影响以及规划、勘察、设计、施工和使用等方面的原因,建筑损伤、破坏、倾斜等问题不断出现。同时,为了适应人口增长和经济的发展,解决城市发展与古建筑保护、市政建设以及中心区域商业开发与既有建筑使用等之间的矛盾,均需要运用纠倾、移位、托换、增层等建筑特种工程技术予以解决[2]。

1 约束释放引起的结构内力调整分析

建筑物为了满足承载力和使用功能的要求,一般都具有稳定的基础和较强的整体刚度。受重力荷载作用,在原有的约束条件下结构将产生内力和变形。为了移动建筑物,竖向构件(柱或剪力墙)将进行切断,竖向构件的底部约束释放将导致结构内力重分布。

图1 竖向荷载作用下单层框架弯矩图

图2 弯矩变化示意图

柱底截断后,除部分柱脚采取限位措施外,柱底理论上仅有竖向受压约束,而水平方向无约束。此时,底层柱处于0弯矩状态,上述单层框架梁处于简支状态(图3a)),梁的跨中弯矩比柱底简支增加了66.7%,比原结构增加了80.0%。实际上,这种极端不利情况发生概率较小。由于结构自重,截断柱底与支承结构(如千斤顶)之间的摩擦力限制了柱底的自由滑动,钢与混凝土之间的摩擦系数一般可取0.4,因此柱底处于铰接与自由滑动之间,刚架的实际内力见图3b)。多层房屋由于节点弯矩随转动刚度变化而向上层柱重新分配也会削弱这种影响。门式刚架或者顶部大空间结构竖向构件轴压比一般较小,弯矩起控制作用,竖向移位过程中引起的弯矩大幅增加将使结构存在安全隐患,此类结构应对柱脚采取可靠水平约束或者采取其他措施进行加强。

表1 截断部位对结构弯矩影响

图3 竖向荷载作用下单层刚架弯矩图

图4 水平荷载作用下单层刚架弯矩图

图5 水平荷载作用下弯矩变化示意图

2 算例分析

某双层厂房,平面长28.0 m,宽15.0 m,为框架结构,x方向(东西向)柱网尺寸：4 m×7 m,y方向(南北向)柱网尺寸1层为2 m×7.5 m,2层为1 m×15.0 m。其中1层、2层层高均为6.0 m,框架柱截面尺寸600 mm×700 mm,1层框架梁截面尺寸350 mm×700 mm,2层框架梁截面尺寸500 mm×1 100 mm。由于使用功能变更,2层层高需抬高1.0 m,现采取混凝土结构整体同步顶升移位的方法调整标高。厂房2层结构布置图见图6。

工程采用在2层柱底截断顶升,柱底截断后假定2层柱底铰接,截断前后,结构主要构件弯矩变化见表2。由表2可知,柱底截断后,、轴柱顶弯矩分别减少-5.5%、-8.8%,梁顶弯矩分别减小-9.8%及-5.5%,轴中间支座增加2.6%；梁、轴跨中弯矩分别增加了1.8%、3.3%。这与前面理论分析是吻合的。

然而,实际工程中,柱底截断后,柱底鉴于铰接与自由端之间,轴梁跨中弯矩有可能增加60%,此时即使考虑到原设计配筋中地震、活荷载等荷载组合因素,顶升过程仍难以保证屋面梁的安全,必须通过设置中间临时支撑或者梁加固等措施。