顶升技术作为一种解决城镇规划与既有建筑之间矛盾的有效手段, 从出现便受到社会和工程界的极大关注, 各类古建筑整体顶升实例相继出现, 并为既有建筑的顶升开创了新的局面^[1,2,3,4]。随着建筑物多次循环顶升, 支撑构件变形累积, 建筑物会发生水平漂移, 严重时将导致建筑物产生不均匀变形, 甚至发生倾覆工程灾难^[5], 而设置限位构件可以有效避免这一工程事故发生, 保证顶升过程中建筑安全。在顶升过程中, 常采用以往经验设置限位构件, 缺少相关的理论设计, 本文以武当山遇真宫宫门顶升为例, 采用有限元方法对限位构件进行设计分析, 得出相关设计理论。

武当山遇真宫宫门为砌体结构, 质量为1 200t, 需整体顶升15m, 采用的顶升千斤顶最大行程为300mm, 以250mm为单次顶升高度, 共计循环60次。采用大刚度预应力托换底盘进行基础托换, 刚性托换底盘由中间预应力箱梁以及周侧托换梁组成, 钢箱梁由截面高 1.2m、宽 1.0m、厚12mm的厚钢板焊接而成; 受顶推坑和千斤顶尺寸的限制, 将钢箱梁分节制作, 每节长2m, 顶推单节入土, 然后开挖内部土体, 并焊接接长, 再进行顶推并以此循环完成整根箱梁托换, 整根箱梁共6节, 长度共计12m。顶升过程中, 为防止出现水平位移, 在宫门四周设置限位构件, 限位构件高度每顶升4m浇筑回填, 直至顶升完成。遇真宫顶升立面如图1所示, 箱梁托换底盘如图2所示。

建筑顶升是一项较为复杂的特种作业, 顶升过程中, 被顶升建筑物与基础完全分离, 通过顶升动力系统将自重传递至基础, 结构水平方向基本处于无约束状态。下部支撑体系的受力变形和千斤顶顶力倾斜将导致被顶升建筑物发生水平位移。

1) 支撑体系受力变形 顶升过程中的支撑体系主要分为混凝土垫块和型钢垫块, 混凝土垫块支撑力较小, 型钢垫块承载力相对较大, 因此本次顶升中采用型钢垫块作为支撑构件。随着顶升的进行, 制作误差、安装误差、强弱轴分明等因素均会造成支撑体系产生水平变形, 制作误差和安装误差是原始变形, 而强弱轴分明的支撑变形是受力导致, 顶升支撑垫块变形产生的水平位移如图3所示。

2) 千斤顶顶力倾斜 即千斤顶顶力和建筑重力方向存在夹角, 此情况多是由于受现场施工水平的限制, 千斤顶反力底座制作不水平, 使其不能垂直摆放, 导致产生水平分力, 如图4所示。

建筑物大高度顶升时, 需分批次、多行程进行, 在每行程顶升中由于下部支撑的变形累加、千斤顶产生的水平分力以及顶升系统故障产生的问题, 都会给顶升建筑物带来致命性影响, 而设置限位构件将给建筑物大高度顶升提供一定的安全保障。

1) 设计理念 顶升水平限位是一种被动的水平限位措施, 同时也是一种安全防范措施, 是利用埋置于顶升基础的限位装置来限制刚性托换底盘四周边梁在水平面的位置变动, 限制建筑物在顶升过程中产生的水平偏移, 以便在整体顶升过程中对建筑物水平姿态进行不断调整和纠正, 使建筑物在整体顶升过程中平稳安全, 限位水平荷载可按自重的2%作为其设计荷载^[6]。

限位构件由反力基础、H型钢垫块、抗倾柱和水平随动支撑构成, 限位构件与刚性托换底盘之间可设置滑动构件, 滑动构件之间留设变形缝, 作为构件之间产生滑动和变形的缓冲区域, 也可作为建筑物产生水平偏移限值区域, 并实现限位构件对整个建筑物的“扶和支”作用, 如图5所示。

2) 设计原则 顶升工程中保证被顶升建筑物的安全最重要, 本文通过计算得出顶升过程中的极限倾斜角度和最大水平漂移距离, 以保证上部被顶升建筑物的安全。

根据现场勘测资料, 被顶升建筑物为砖石结构, 底部基础为料石基础, 上部结构为砌体, 用石灰砂浆和糯米汁一起搅拌后做胶结材料。由GB50003—2011《砌体结构设计规范》得出砌体结构的3种破坏形式分别为受拉破坏、受压破坏和受剪破坏。根据工程实际情况, 在顶升过程中发生的水平漂移会导致上部结构发生倾斜, 此时建筑物承受竖向分力的剪切作用, 若倾斜角度过大会发生剪切破坏。考虑顶升过程中的倾斜因素, 为保证顶升建筑物足够安全, 取50%底部面积作为受剪切面。

砌体抗剪强度平均值通过式 (1) 计算得出:

$f{}_{\text{v},\text{m}}=k{}_5\sqrt{f{}_2}(1)$

式中:k₅为砌体抗剪强度的影响系数;f₂为砂浆抗压强度平均值 (MPa) 。

根据实测得到胶结材料抗压强度平均值为0.5MPa, 通过式 (1) 得到砌体的抗剪强度为0.09MPa, 经计算得出砌体可承受879.12kN的竖向分力, 即当上部结构倾斜4.2°时将到达极限抗剪强度;建筑物底部距千斤顶底部的距离为2 100mm, 此时建筑物倾斜时的水平漂移距离约为153.8mm。上部结构倾斜后竖向荷载分力如图6所示。

3) 宫门倾斜检测 宫门倾斜检测主要借助倾角仪, 在托换梁上安装倾角仪, 顶升过程中观察记录, 分析宫门的倾角变化;宫门的宏观检测主要借助全站仪、经纬仪及水准仪, 检测宫门关键点的几何坐标变化。

利用solid65单元模拟混凝土材料和钢筋材料。混凝土材料的本构关系采用多线性等向强化模型MISO, 钢筋的本构关系采用双线性等向强化模型BISO, 材料属性如表1所示。

solid65单元具有弥散性, 网格越小, 越容易造成应力集中。一般而言, 混凝土单元尺寸宜≥50mm;荷载子步数的设置太大或太小都不能达到正常收敛, 合适的子步数也需要在不断调整中获得, 但该值的正常范围很大, 一旦开始收敛再改变此值对帮助收敛效果不明显。经过反复调试, 本模型设置网格尺寸为150mm, 荷载子步数为200, 模型能够在极限荷载作用下很好地收敛。

通过有限元建立整体模型, 根据工程的实际情况做出简化;顶升过程中如若建筑物发生倾斜, 则会由某个限位构件单独承受产生的水平推力。由此, 对单个限位构件进行分析符合工程实际情况。该建筑主体为砌体结构, 按工程实测给出的几何尺寸以及该建筑的材料建模。此次建模以y轴为竖直方向, x, z轴为水平方向, 建筑物的下部基础由青石砌成, 青石基础埋置较深, 边界可以近似地看作固结。建立4种截面限位构件:600mm×800mm, 600mm×900mm, 800mm×1 000mm, 1 000mm×1 200mm, 限位构件有限元模型如图7所示。

本文模拟了4种尺寸的限位构件模型, 分别计算出极限荷载与设计荷载下的最大位移值, 如图8及表2所示。

在3.2节中得出了建筑物底部发生剪切破坏的水平位移为153.8mm, 设计中保证限位构件与顶升建筑物之间的缓冲距离≤10mm;此时, 建筑物底部发生剪切破坏的水平位移为143.8mm。表2给出了抗倾柱在设计荷载及极限荷载时的位移值, 通过对比可以得出在保证限位构件不破坏的情况下, 建筑物底部最不利截面不会出现剪切破坏。

由图8可以得出, 在顶部位移达到22.45mm之后, 600mm×800mm抗倾柱随着荷载的增大, 顶部位移急剧增加, 此时钢筋已经屈服, 抗倾柱破坏, 失去承载力;而600mm×900mm, 800mm×1 000mm, 1 000mm×1 200mm截面的抗倾柱出现这一现象时, 顶部位移分别是19.56, 16.57, 15.26mm。由图8发现, 限位构件受力过程明显可以分为混凝土开裂、钢筋屈服、混凝土压碎破坏3个阶段, 在柱尚未出现裂缝阶段, 柱截面承受的弯矩较小, 因此截面的应力与应变也很小, 混凝土和钢筋都处于弹性工作阶段, 荷载-位移曲线近乎直线;混凝土开裂后, 且以后一段时间内将不断出现裂缝, 随着裂缝的出现与不断发展, 挠度的增长较开裂前快, 这个阶段柱带裂缝工作;最后钢筋屈服, 应变迅速增大, 裂缝急剧开展, 挠度或截面曲率骤增, 直至受压混凝土被压碎。

利用有限元分析软件模拟限位构件在移动水平荷载作用下的顶部变形规律, 即自限位构件底部向顶部施加240kN移动荷载。4种不同截面的限位构件挠度曲线如图9所示。以截面800mm×1 000mm限位构件的不同位置施加240kN移动荷载时为例, 限位构件挠度曲线如图10所示。

从图9中可以发现, 随着移动荷载逐渐升高, 4种限位构件的挠度变形均表现为指数型上升, 且伴随着截面尺寸的增大挠度变化速率减缓, 表现出较强的刚度;从图10中可以发现, 随着移动荷载所处起始位置不断升高, 限位构件的挠度变形曲线曲率变大, 同样呈现指数型增大趋势。

在240kN设计荷载作用下, 通过对比, 静载作用下的600mm×900mm, 800mm×1 000mm, 1 000mm×1 200mm截面抗倾柱的顶部位移分别是19.56, 12.67, 6.31mm;移动荷载作用下的顶部位移分别是20.215, 18.256, 11.564mm;通过数据分析比较, 相同荷载作用下, 移动荷载较静止荷载对抗倾柱产生的不利影响更大。

对于垫块的累积误差, 可以将顶升垫块化整为零, 将小高度垫块堆放改为大高度整体垫块替代小垫块, 以减少千斤顶下部垫块数量, 减少垫块缝隙及垫块连接引起的支撑变形;当型钢垫块达到一定高度后, 在型钢垫块四周浇筑混凝土, 以提高型钢垫块侧向刚度, 确保支撑体系的稳定性。

对于千斤顶顶力倾斜产生的误差, 可以采取千斤顶倒置法减少误差, 采用倒置安装千斤顶, 可以保证千斤顶提供垂直顶升力;在千斤顶活塞杆端头安装小角度转动球头, 使其在支垫存在较小的水平偏差时保证活塞杆垂直均匀受力。

水平纠偏采用顶升过程中的逆向动态纠偏。首先顶高建筑物偏出方向, 高度根据上部建筑支撑体系的承载力计算得出, 但不宜过大, 使建筑物处于微倾状态。然后进行同步顶升, 千斤顶顶力方向倾斜, 产生水平纠偏分力。倾斜角度小于千斤顶活塞杆端部球头转动能力, 避免因端部受力不均产生千斤顶油缸侧壁摩擦损伤。

1) 在大高度顶升中, 支撑体系受力变形与千斤顶顶力倾斜等产生的平面汇交力系不平衡时, 会导致建筑在合力方向上产生水平位移, 在工程中应加以重视。

2) 随着截面尺寸逐渐增大, 相同荷载作用下限位构件挠度变化速率减小, 限位构件抵抗水平荷载能力提高;随着移动荷载初始位置的逐渐升高, 限位构件的挠度变形曲线呈现指数型上升趋势;移动荷载对结构构件产生的不利影响较静止荷载更大。

3) 将小高度垫块堆放改为大高度整体垫块替代小垫块, 减少千斤顶下部垫块数量;将千斤顶倒置保证千斤顶提供垂直顶升力, 都为水平漂移问题提供有效解决方法。