混凝土建筑纠偏的设计
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1工程背景
某框架结构住宅楼于2001年建成，为钢筋混凝土异型柱框架结构，共三个单元，其中两个单元为七层建筑，一个单元为六层建筑，建筑底层为车库，二层以上为住宅，总建筑面积6053m2。建筑平面为转角折线线形，在单元相接处分别依次呈12°转角(如图1)。采用沉管灌注桩桩基础，桩直径为380mm，桩长19m，单桩竖向承载力设计值为450kN，总桩数为293根。该建筑主体工程竣工后，由于小区绿化景观的需要，在室外大量不均匀填土。2002年以后，地基沉降不断加大，无稳定趋势，并产生倾斜，成为危楼。
2建筑地基和结构现状
2.1房屋倾斜在房屋周边布置了18个观测点，观测资料(2007年12月26日)显示，房屋垂直偏差值为137～190.3mm，房屋整体向南倾斜，倾斜率为8.61‰～10.88‰，平均值为9.58‰，均超过7‰，远大于《危险房屋鉴定标准》的危险值。
2.2上部结构经过检测，房屋少部分隔墙有斜裂缝，框架结构的柱、梁、板均未产生开裂，表明房屋整体性较好，结构未受损伤。
2.3沉降速率根据观测资料，该建筑第8期(2005年9月27日)沉降速率为0.030mm/d，第9期(2006年1月4日)沉降速率为0.056mm/d，第10期(200年9月16日)沉降速率为0.038mm/d，第11期(2007年3月17日)沉降速率为0.018mm/d。沉降速率已逐渐减小，逐渐收敛有稳定趋势。
3倾斜原因分析
3.1室外填土的影响2001年房屋建成后，建筑南面场地绿化大量填土，高处达到2.5m左右，地面附加荷载太大，进而引起建筑物产生了较大的附加沉降。填土1年后，南面的地面沉降达160～200mm，北面仅35～60mm。此地面沉降仅只是半年的观测数据。从现场情况看，靠近A轴一侧填土较高，D轴一侧填土较少，故而A轴一侧沉降较大。
3.2地基土软弱和桩基负摩擦的影响该建筑的基础是摩擦桩，桩长19m。地勘报告揭示，场地存在多层未完成固结的泥碳质土，总厚度为3.7～7.0m，在自重作用下会产生沉降，因此场地土层具备出现负摩擦的条件。房屋建成后室外大面积填土，造成地面沉降，促使泥碳化土固结沉降，桩基产生负摩擦力。3.3桩基承载力不足该建筑的沉管灌注桩桩基础，单桩竖向承载力设计值为450kN，总桩数为293根。如果考虑负摩擦力的影响，单桩竖向承载力下降到240～330kN，造成桩基承载力不足，发生不均匀沉降。
4本次纠偏前曾经实施过的迫降纠偏和地基加固
2003年9月～2004年1月，针对该建筑的倾斜和地基沉降，业主曾组织实施过一次纠偏和地基加固。其方案的主要思路是“北面迫降，南面阻沉”(如图2所示)。2003年9月，在建筑物沉降较小的北面布置了48个钻孔取土，孔径150mm，钻孔深度22m，反复钻取地基软土，同时在北面底层室内堆载反压，此阶段施工历时两个多月，但建筑物未产生纠偏效果。同时在南面底层室内布置了40根锚杆静压桩，桩长22.5m，桩断面300mm×300mm，压桩力600kN，这些锚杆静压桩于2004年初施工完毕。锚杆静压桩施工期间，由于对地基土的扰动，南侧沉降有所加大，建筑物倾斜率有所增大。经过此次处理以后，至2007年5月经过近4年的使用和观测，该建筑的沉降速率已经减小为0.018mm/d，地基沉降基本趋于稳定，但房屋仍然保持倾斜状态，倾斜率达9.58‰，超过危险房屋标准限值，严重影响了房屋安全和使用。钻孔取土迫降纠偏这一技术在该项目中未取得成功，主要有以下几方面的原因:(1)地质条件复杂，该场地地基土是湖相沉积土层，其特点是粘土、粉土、泥炭质土、有机粘土、粉质粘土、粉砂等土层交互沉积，并非均匀的软土地基，采用钻孔深层取土方法，软土难于向钻孔中流动挤出。(2)原建筑采用的是摩擦桩基础，桩长19m，总桩数为293根。这么多的桩布置在地基中，不但使得软土难于向钻孔中流动挤出，同时也阻碍了房屋整体向北的回倾。(3)取土的钻孔布置得太少，该钻孔取土迫降纠偏方案仅在北侧室外布置取土钻孔，如若在底层室内也布置钻孔，效果可能会好得多。不过因为要在室内空间操作，施工难度太大。
5断柱顶升纠偏方案该框架结构住宅楼的主要问题，一是地基承载力不足，二是建筑物整体向南面倾斜，严重影响了安全和使用。但经过2003年的加固处理，沉降趋于稳定。因此，该工程需要处理的，主要是建筑纠偏，使房屋的倾斜恢复到正常水平。以往的顶升纠偏工程经验，均采用“全部千斤顶同步启动顶升”和“顶升千斤顶对称布置在柱周”的方式。但是该工程的特点是柱子多，荷载大，传统的顶升纠偏技术很难适应。最终采用了建筑物整体绕轴旋转、正对柱中设置大吨位千斤顶、多级多区同步微调顶升等多项新技术，不但减少了操作人员，提高了可操作性，而且最大限度地减少了对上部结构的影响。
5.1主要技术方案(1)柱荷载的托换顶升时上升力作用于框架柱下，但是要使框架荷载能够得到托换，必须增设一个能支承上部结构荷重的结构托换系统。利用植筋技术新设钢筋混凝土结构托换系统，就可以将框架柱荷载安全有效地传递到基础承台上，同时为减少框架柱之间的变形，需增强托换系统的联系，在纵横向设置连系梁。(2)建筑物整体绕轴旋转顶升纠偏的实质，是在整个建筑中使下沉的部位产生向上的位移，使整个建筑恢复到垂直状态，在顶升过程中，有些点实际是不需要产生向上的位移。因此，设计时就要将这些点设计成铰支点，可以转动，但无水平及竖向的位移。在该项目中，设计了10个铰支点，实际是形成了一条转动轴。(3)断柱分离柱子切断后，柱荷载通过托换系统传至基础承台，支承小柱分两次施工，上下分离，以便顶升时支垫。(4)顶升千斤顶对柱中设置同一柱下只使用一台大吨位千斤顶放置于柱的正中位置，减少千斤顶的总数量，便于操作。(5)分级顶升多次分级微调顶升，使上部结构的内力最小，不产生过大内力，避免上部结构开裂。(6)实时监测与信息化施工纠偏工程风险极大，除了合理的设计和周密的施工组织外，实时监测也是必不可少的。该项目中的监测为顶升点顶升力监测、托换系统应力应变监测、顶升位移监测、铰支座转动角度监测、房屋整体倾斜率监测，监测信息要及时到位，指导顶升施工。(7)框架柱连接恢复柱钢筋采用等截面、等强钢筋焊接连接，焊接长度适当加大，柱箍筋加密，断柱区域用更高一级微膨胀混凝土浇筑。
5.2顶升纠偏设计(1)柱荷载的计算计算出不考虑风荷载及地震作用在内的恒载和活载作用下的内力组合。在设计托换结构时选用荷载的基本组合，确定千斤顶和设计顶升力时选用荷载的标准组合值。其标准组合值，主体框架最大柱荷载为1790kN，最小柱荷载为609kN，楼梯间柱荷载为122kN，房屋总荷载为94635kN。(2)托换节点设计托换梁在柱下的节点如图3所示。千斤顶设置在柱中位置，柱子切断后，柱荷通过托换梁支承短柱的途径传递到基础。顶升时，上、下支承短柱之间的缝隙张开，应及时用钢板塞紧。托换梁、支承短柱应具有足够的承载力，千斤顶及铰支座与柱的接触部位以及上、下支承短柱的接触部位局部受压承载力也要足够安全。托换梁、支承短柱选用矩形截面，按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)进行设计。(3)顶升量计算该建筑物的倾斜，是横向倾斜(向南面倾斜)，纵向的倾斜很小(在允许范围内)，因此只进行横向的纠偏。设计目标是将建筑物完全纠正，考虑到施工偏差以及测量误差，最终建筑物的倾斜率要控制在±1‰以内。各个顶升点的顶升量按式(1)计算:hi=βLi(1)式中:hi为顶升点i的顶升量;β为建筑物的倾斜率，本工程β=9.71‰;Li为顶升点i到转动轴O－O的距离，转动轴O－O的位置见图1。
5.3上部结构力学分析(1)三维计算模型在建立模型时，充分考虑符合实际的工况。原建筑上部结构本身属整体的超静定结构，其柱脚为固端。顶升纠偏工程托换施工以后将柱切断直至顶升时，框架柱脚为简支端。柱脚嵌固条件发生了改变，因此计算的结果与原结构设计内力结果大不相同。力学计算不仅要考虑纵横两个方向空间不同顶升位移差异对结构受力的影响，还要考虑顶升施工过程中可能的不利工况，特别是如果个别千斤顶失效带来的影响。该工程的计算，使用MIDAS结构有限元软件建立结构三维有限元静力计算模型，模拟分析了原结构内力和断柱顶升过程中在各种嵌固条件和不利工况下对结构变形和内力的影响，依据计算分析结果来确定顶升顺序和每级顶升量。(2)顶升支点该建筑共有94根柱，对应这些框架柱，设计了80个顶升支点，10个转动铰支点，4个自由端。顶升时，房屋整体绕O－O轴线旋转，该转动轴由10个柱下设置的铰支座组成，根据预计的纠偏量，转动角度为0.560，O－O轴线以南的80个柱下顶升支点向上顶升量为8.9～157.6mm，而O－O轴线以北的2根柱(托换后切断柱脚成为悬空自由端)向下的位移量为14.6mm。(3)顶升顺序和顶升量顶升顺序和顶升量的安排，应能使上部结构梁、柱的轴力、弯矩、剪力在整个托换施工、断柱、顶升、接柱恢复的过程中，保证上部结构的内力不超过其承载力，否则将带来上部结构的变形和开裂。按照上部结构梁、柱的轴力、弯矩、剪力在托换、顶升施工中均不超过原设计结构承载力的原则，经过计算分析，确定采用多次多级微调顶升的方式进行顶升施工。顶升分32级，每一级的顶升量依据各柱离转动轴的距离计算，最小值0.278mm，最大值4.925mm。
6断柱顶升纠偏信息化施工
既有建筑物顶升纠偏工程的理论和技术还很不成熟，每一个具体工程设计方法都是以一定的假设条件为基础的。当设计者对这些条件的把握比较准确、计算理论正确、施工质量又能得到保证时，纠偏工程就容易获得成功。但实际结构和施工过程又存在许多不确定的因素，因此纠偏工程风险极大，除了合理的设计、周密的施工组织外，实时监测也是必不可少的。每一级顶升，都要及时监测各个项目，仪器监测与现场巡视检查相结合，及时分析判断，发现问题及时处理，指导下一级顶升施工，施工之前要设定各个监测项目的预警指标。2007年8月至2008年1月，完成了托换、断柱、顶升设备安装等施工，2008年1月8日，顶升纠偏成功。
7纠偏结果
通过顶升纠偏施工，该建筑物的倾斜得到了纠正。纠偏前，房屋倾斜率9.58‰，纠偏后房屋倾斜率恢复到0.73‰，使该房屋转危为安，保证了房屋安全和正常使用。该工程纠偏前后18个监测点的倾斜率对比如表1所示。8结语(1)纠偏过程中，始终坚持实时监测和信息化施工控制，做到了整个纠偏过程在科学有序的控制下实施，消除了纠偏过程中的偶然因素和不利因素，使纠偏取得了圆满成功。(2)既有建筑物纠偏的方案必须慎重，在确定采用迫降纠偏或者顶升纠偏方法的时候，要充分掌握各种纠偏技术对于具体工程地质条件、地基基础、上部结构、建筑物倾斜沉降及受损程度的适用性，且不可盲目轻易采用。(3)顶升纠偏的设计，应在充分考虑各种不利荷载工况的情况下，使上部结构的内力不超过其承载力。(4)本工程采用的建筑物整体绕轴旋转、正对柱中设置大吨位千斤顶、多级多区同步微调顶升等新技术，对类似的顶升纠偏工程有一定的参考借鉴意义。