探索多层建筑框架结构的加固措施

　　摘 要
　　以徐州某公寓楼为例建立结构框架力学模型并利用ANSYS 有限元软件分别计算了加固前和采用静压桩支托纠偏加固方案后的结构应力和振型等加固前后的结果比较说明加固后结构最大应力减小强度刚度和稳定性都有提高加固措施是有效的
　　
　　关键词 多层建筑 结构加固 效果分析
　　
　　1 前 言
　　
　　在我国近前期建筑业繁荣的同时设计施工和管理中的各种疏漏也给建筑物留下了不少隐患造成各地工程质量事故屡有发生对原有工程重建无疑费资费时有时也不允许若能对一些病害工程施行改造和加固处理恢复和改良其功能可节约大量资金创造较大的经济和社会效益目前对于建筑物治理论述较多的是治理方案及施工方法对其中的关键参数的设计依据却阐述很少1-3 对治理效果评价以及治理方案的日后改进方面也缺乏系统性研究本文以徐州某公寓楼为例具体研究框架结构发生不均匀下沉倾斜危害的响应并讨论治理时的加固措施和分析评价
　　
　　2 模型结构及分析
　　
　　2.1 框架结构模型
　　
　　徐州某公寓楼为钢筋混凝土框架结构四层梁柱混凝土标号为300 号采用预应力多孔楼板 一二层层高为4.8m 三四层层高为4.0m 总高19.2m 不均匀沉陷情况如表1 楼层有倾斜现建立该楼模型如图1 刚架结构采用梁单元离散把楼体楼层板作用视为等效力发生偏斜由基础固定端约束给定位移实现经过转化后的等效载荷如图2
　　
　　2.2 ANSYS 内力结果分析
　　
　　模型计算参数为弹性模量E=30GPa 泊松比=0.3 密度=3500kg/m3 计算内力如从上图可以看出钢筋混凝土受最大内力为8200kN 位置在一侧靠近基础处受最大弯矩为17000 kNm 位于楼顶中部则基础处杆件应力为其中τ 为剪应力max Q 为最大剪力A 为横截面面积这里取0.266m2楼顶处杆件在受弯截面最大拉应力为其中w σ 为弯曲正应力max M 为杆件所受弯矩 W 为抗弯截面系数这里取0.58m3比较后说明基础一侧更危险上述最大应力并没有超过钢筋的最大承载但已超过了混凝土的最大承载故结构处于危险状况需要进行纠偏加固以达到国家安全性要求的标准
　　
　　2.3 模态分析结果
　　
　　对上述模型进行模态分析取前十阶固有频率如表2 从表2 可知模型的第一阶频率为0.82306HZ 响应周期为1.215s 符合实际情况分析其振型取出前四阶振型如图7图10这四阶振型图能完全反应该多层建筑受到外界振动时所产生的振型在这四阶振型中第二阶振型图中最大位移最大为0.001037m 第一阶振型图中最大位移是最小的为0.717E-3m 而每阶频率都在增大与实际情况相符虽然刚架模型较容易地反应出框架的受力情况但包含有较多的简化成分毕竟梁单元模型不能反应实际情况中楼板的破坏以下进一步选用了板梁组合模型进行分析板采用其中位移约束同框架模型计算参数也同前由图可见最大应力值为23.1MPa 比框架计算模型要小主要是楼板参与承载的缘故以框架模型分析评估偏安全是可行的上述最大应力在靠近基础处与框架模型计算结果相同也已经超过了混凝土的最大承受载荷能力
　　
　　3 加固措施及效果分析
　　
　　3.1 加固方案
　　
　　在制订纠偏方案前详细进行了工程地质勘察基础底面坐落在杂填土上杂填土主要成分为炉灰渣虽经多年建筑物载荷作用还是未能压密土质松散而且厚薄不均厚度相差接近一倍作为地基主要受力土层的杂填土及粉质粘土整体表现出不均匀性故采取静压桩支托纠偏加固方案即开挖导坑后在基础圈梁之下安装千斤顶靠基础圈及以上的结构提供反力分节压入截面为20cm 20cm 的钢筋混凝土桩再以桩为支托配合特制的螺旋装置调节纠偏待纠偏完成后楔紧封桩压入桩后桩与旧基础共同受力设计时考虑以桩受力为主通过以上的施工在沉降大的一端升高了48mm 在沉降较小的一端降低了20mm 并且在满足加固施工工程的前提下结束纠偏将螺杆螺帽焊死用细石混凝土外包括桩头及螺杆封桩并补全拆除的旧基础在整个纠偏过程中建筑物周边设21 个点观测沉降观测精度为1mm 并用经纬仪测倾斜施工结束后经过观测建筑物的沉降速率小于0.012mm/d 趋于稳定墙体裂缝处用硫磺胶泥修补此后无新的沉降及裂缝出现
　　
　　3-2 加固效果分析
　　
　　对加固后结构采用同样梁单元模型处理得剪力图和弯矩图如图14 图15从图中可以看出该刚架所受最大剪力在底部其大小为Q=1930kN 最大弯矩也在底部其大小为M=352 kNm 根据材料力学可知其最大应力为上述分析可知材料几何与加固前取相同值该结构经加固后的最大应力值未超过混凝土最大许用应力值达到了纠偏加固目的从加固前后模型的振型图可知前四阶振型图的振动方向是一致的只是振型图的最大位移量在加固后比加固前有所减少加固后模型的固有振型的最大幅值降低纠偏加固后该建筑的抗振能力因此得到大大加强
　　
　　4 结论
　　
　　本文以徐州某公寓楼为例采用ANSYS 建立框架和板梁结构力学模型对静压桩支托纠偏加固前后进行了静力和模态分析分析结果表明静压桩支托纠偏加固方案合理经加固后的多层建筑可安全使用文中提供的建模技术加固处理及分析方法为建筑加固方案选取和措施评价提供了有价值参考