王鵬++李峰++方毅

[摘 要]廠房?jī)?nèi)大面積地面堆載下，廠房地面各區(qū)域發(fā)現(xiàn)有不同程度的沉降，鋼梁和屋面板局部下?lián)?，鋼柱傾斜。為了確保結(jié)構(gòu)安全，對(duì)地面進(jìn)行加固處理；處理后發(fā)現(xiàn)柱傾斜加劇。為了確保結(jié)構(gòu)的安全，結(jié)合工程實(shí)例分析廠房加固前和加固后損傷原因，并評(píng)價(jià)廠房現(xiàn)有狀態(tài)的可靠性。

[關(guān)鍵詞]大面積堆載 不均勻沉降 傾斜 加固 可靠性鑒定

中圖分類(lèi)號(hào)：V412.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）11-0395-02

引言

浙江省紹興市一廠房為單層門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)建筑，主體地基采用Φ500mm預(yù)應(yīng)力管樁，樁長(zhǎng)約45～50米，樁尖持力層選在強(qiáng)風(fēng)化巖層。地面地基采用Φ550mm水泥攪拌樁處理，樁長(zhǎng)12米。投產(chǎn)后，廠房地面各區(qū)域均發(fā)現(xiàn)有不同程度的沉降，最嚴(yán)重區(qū)域最大沉降45cm左右；并發(fā)現(xiàn)部分鋼構(gòu)件產(chǎn)生變形，其中屋面鋼梁和屋面板局部下?lián)?。后期采用靜壓錨桿方樁加固和預(yù)應(yīng)力管樁加固。

本文針對(duì)上述存在的問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)生現(xiàn)狀的原因進(jìn)行分析并按《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB50144-2008評(píng)估其是否還能安全使用。

1 工程背景

1.1 建筑結(jié)構(gòu)概況

廠房采用單層五跨輕鋼結(jié)構(gòu)，平面呈現(xiàn)矩形，跨度均為25mm，柱距8m，軸網(wǎng)尺寸為176m×82m，建筑面積為約23600 m2，參見(jiàn)圖1。鋼柱柱腳標(biāo)高為±0.00，A、F軸柱頂標(biāo)高9.50m，B、E軸柱頂標(biāo)高9.70m，C、D軸柱頂標(biāo)高10.90m。鋼柱采用H480×220×5×10、H326×260×5×12和H330×250×5×10焊接H型鋼。鋼柱、梁采用Q345鋼，其余構(gòu)件采用Q235鋼。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堆載物品、單位重量以及占地面積等對(duì)地坪堆載情況對(duì)地坪堆載情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，地面堆載為0.9KPa～23.4KPa，參見(jiàn)圖1。

1.2 工程地質(zhì)概況

廠房場(chǎng)地土類(lèi)型屬軟弱場(chǎng)地土，所在場(chǎng)地屬于Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地，地基土自地表往下各土層的厚度及主要物理力學(xué)性能詳見(jiàn)表1。

2 現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)檢測(cè)情況

2.1 地面、柱頂及屋脊標(biāo)高測(cè)量

現(xiàn)場(chǎng)采用水準(zhǔn)儀對(duì)廠房地面進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量，共設(shè)置沉降點(diǎn)85個(gè)。測(cè)量結(jié)果表明廠房加固后地面跨中標(biāo)高與邊柱標(biāo)高高差平均值約46mm?，F(xiàn)場(chǎng)采用全站儀對(duì)廠房各軸線柱頂及局部屋脊相對(duì)標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)高差、測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2、3。測(cè)量結(jié)果表明：軸相鄰柱沉降差基本滿足規(guī)范要求。12軸、13軸屋脊出現(xiàn)永久變形，變形量分別為157mm、184mm。

2.2 鋼構(gòu)件變形檢測(cè)

采用全站儀對(duì)鋼立柱進(jìn)行傾斜檢測(cè)，共計(jì)測(cè)點(diǎn)78個(gè)，5個(gè)測(cè)點(diǎn)滿足規(guī)范C級(jí)側(cè)向位移限值>H/700要求。各觀測(cè)點(diǎn)水平位移情況計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖1。

采用全站儀對(duì)部分屋架梁跨中撓度進(jìn)行檢測(cè)， 8處屋架梁構(gòu)件跨中撓度超出規(guī)范限值（≤L/400）要求；其中3/A-B跨中撓度79.2mm， 4/A-B跨中撓度82.4mm， /E-F跨中撓度69.5mm， 8/C-（1/C）跨中撓度59.4mm， 13/A-B跨中撓度77.2mm， 14/A-B跨中撓度74.9mm， 18/A-B跨中撓度71.6mm， 20/C-（1/C）跨中撓度39.6mm。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 剛架結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算

對(duì)廠房21榀剛架進(jìn)行計(jì)算（以20～22軸為例），當(dāng)結(jié)構(gòu)水平位移過(guò)大達(dá)到C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)重情況時(shí)，考慮水平位移引起附加內(nèi)力對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響。采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)研究所PKPM系列的STS計(jì)算軟件建模，按圖1將各柱柱頂增加結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算。柱腳采用地腳螺栓連接，建模時(shí)假定為鉸接，其它部位為剛接。計(jì)算時(shí)，梁柱軸線尺寸、截面尺寸、材料強(qiáng)度均取設(shè)計(jì)值。？屋面恒載標(biāo)準(zhǔn)值：？0.20？kN/m2？，屋面活載標(biāo)準(zhǔn)值：0.50？kN/m2？。計(jì)算結(jié)果表明：21/A-B、21/E-F屋架梁最大應(yīng)力比為1.01，22/A-B、22/E-F屋架梁最大應(yīng)力比為1.02，不滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求；其余鋼構(gòu)件最大應(yīng)力比≤1，滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.2 水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力及變形計(jì)算

根據(jù)廠房的堆載和地基處理情況對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基下臥層承載力及變形進(jìn)行計(jì)算。選取地面堆載20.6KPa，尺寸8m×24m，水泥攪拌樁樁長(zhǎng)12m，矩形布樁，Φ550@2000。采用分層疊加法和角點(diǎn)法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，復(fù)合地基下臥層承載力滿足規(guī)范要求；攪拌樁復(fù)合土層矩形基礎(chǔ)中心點(diǎn)的平均壓縮變形S1= 155mm，S2=229mm，S= 384mm。

4 原因分析

4.1 地面沉降分析

該廠房地基采用12mφ550m水泥攪拌樁處理，位于淤泥層中部，攪拌樁處理范圍以下仍有約20m軟弱下臥層。在大面積地面荷載的作用下，下臥軟弱層將會(huì)發(fā)生長(zhǎng)期而緩慢的次固結(jié)沉降和壓縮變形。廠房水泥攪拌樁復(fù)合地基變形理論計(jì)算表明該復(fù)合地基最終沉降量約為38cm，考慮施工誤差與實(shí)際最大沉降量45cm基本吻合。加固改造前的地面沉降主要原因是設(shè)計(jì)對(duì)豎向承載攪拌樁復(fù)合地基的變形未提出有效的處理措施。

4.2 柱和梁變形分析

對(duì)于樁基礎(chǔ)，大面積地面荷載一方面會(huì)在樁身產(chǎn)生負(fù)摩擦阻力，增加樁的豎向荷載并產(chǎn)生不均勻沉降，另一方面土體發(fā)生水平側(cè)移，使樁撓曲、水平變形，產(chǎn)生彎矩，從而使上部結(jié)構(gòu)柱傾斜等損傷。

加固施工采用大量的擠土類(lèi)型樁，由于大量樁體積的壓入，破壞了土體的相對(duì)平衡狀態(tài)，在不排水條件下樁必須向外擠開(kāi)與自身體積相等的土體體積。這就造成樁周土體中產(chǎn)生很大的應(yīng)力增量。擠土類(lèi)樁在沉樁過(guò)程中，由于樁自身的體積“占用”了土體原有的空間，使樁周的土體向四周排開(kāi)，加劇柱上部結(jié)構(gòu)柱傾斜等損傷。

柱傾斜導(dǎo)致梁柱節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一定的附加彎矩，導(dǎo)致相關(guān)梁荷載增加，構(gòu)件變形增加。根據(jù)剛架結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算可知，邊跨鋼構(gòu)件應(yīng)力比增加明顯。

5 綜合鑒定評(píng)級(jí)

結(jié)合《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB50144-2008及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)該廠房主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下分析及評(píng)定：

5.1 構(gòu)件的鑒定評(píng)級(jí)

（1）構(gòu)件安全性等級(jí)：2～5單元a級(jí)構(gòu)件16個(gè)，b級(jí)構(gòu)件1個(gè)，占比分別為0.94和0.06；6、7、10、11、16、17、20～22單元a級(jí)構(gòu)件13個(gè)，b級(jí)構(gòu)件1個(gè)，占比分別為0.93和0.07；8、9單元a級(jí)構(gòu)件18個(gè)，占比分別為1.00；12～15單元a級(jí)構(gòu)件15個(gè)，占比分別為1.00；18、19單元a級(jí)構(gòu)件14個(gè)，占比分別為1.00。

（2）構(gòu)件使用性等級(jí)：屋架梁共8處跨中撓度變形超過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，尚不明顯影響正常使用；按變形項(xiàng)目評(píng)定其為b級(jí)，其余鋼屋架梁為a級(jí)。12、13軸屋脊由于地面下沉造成屋架永久性變形，尚不明顯影響正常使用；按偏差項(xiàng)目評(píng)定其為b級(jí)，其余鋼構(gòu)件為a級(jí)。鋼構(gòu)件表面防腐層完好，未發(fā)現(xiàn)鋼構(gòu)件嚴(yán)重腐蝕致使截面削弱材料性能降低的現(xiàn)象；按腐蝕和防腐項(xiàng)目評(píng)定其為a級(jí)。

5.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的鑒定評(píng)級(jí)

（1）地基基礎(chǔ)：相鄰柱沉降差基本滿足規(guī)范要求；加固后地面跨中與邊柱高差平均值約46mm，沉降速率約為0.024mm/d小于0.04mm/d的限值要求。綜合評(píng)定地基基礎(chǔ)安全性及使用性等級(jí)均為B級(jí)。

（2）上部承重結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)布置合理，形成完整的體系；考慮到部分鋼柱平面內(nèi)、外水平位移超限，雖然承載力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，但對(duì)結(jié)構(gòu)整體性存在影響；評(píng)定該結(jié)構(gòu)整體性為B級(jí)。b級(jí)構(gòu)件16個(gè)，未出現(xiàn)c、d級(jí)構(gòu)件，各計(jì)算單元b級(jí)構(gòu)件含量不多于30%，承載功能符合規(guī)范A級(jí)要求。根據(jù)其所含構(gòu)件使用性等級(jí)的百分比確定，b級(jí)構(gòu)件15個(gè)，未出現(xiàn)c級(jí)構(gòu)件，使用狀況符合A級(jí)要求。上部結(jié)構(gòu)水平位移使用性等級(jí)參照結(jié)構(gòu)的承載功能等級(jí)評(píng)定其使用性等級(jí)為B級(jí)。綜合評(píng)定上部承重結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)及使用性等級(jí)為B級(jí)。

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：屋面構(gòu)造及排水設(shè)施完好，外墻及面層外觀局部脫落變形，尚不影響使用功能，門(mén)窗外觀完好，地下防水基本完好。綜合評(píng)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全性及使用性等級(jí)均為B級(jí)。

6 結(jié)論

綜上所述，目前廠房工程可靠性等級(jí)評(píng)定為二級(jí)；地面沉降是由于設(shè)計(jì)對(duì)豎向承載攪拌樁復(fù)合地基的變形未提出有效的處理措施；柱和梁變形主要是地面加固改造前大面積地面堆載和加固改造過(guò)程擠土樁施工所致。

參考文獻(xiàn)

（1）張偉平，顧祥林，陳濤 大面積地面堆載下廠房結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)估 上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.