广东工业大学学报张艺

随着经济社会的快速发展，许多旧建筑物的用 途不能满足当今的使用要求，需要改建、加层等．这 些改造不仅仅针对建筑物的上部结构，而更重要的 是加固原有基础．建筑物基础是上部结构与地基之 间的连接结构，如果基础强度、刚度不能满足建筑物 改造后的要求，即使上部结构与地基加固得再好也 不能保证建筑物的安全使用．因此，对旧建筑物原有 基础的加固补强需求越来越多．地基和基础需要补 强一般有两种情形，一是由于地基承载力不足，二是 由于建筑物基础自身强度不足，本文主要研究后者． 条形基础是常见的建筑物基础形式，其弯曲强 度不足时，由于它们的支座受拉部分在地基以下，一 般很难使用碳纤维布、钢板和型钢等传统的加固梁 的直接加固法去加固，因此需要用特殊的方法进行 加固． 该类基础的传统加固方法有采用加大梁截面高 度的方法…，如图l所示．此方法虽然可以用于条形 基础的加强，但施工费时且成本高，同时施工期间造 成地下室全部停止使用，对建筑物的使用影响很大． 也有采用加大条形基础边缘宽度的方法【21，如图2 所示．即利用加大基础与地基接触面积从而减小基 础反力集度的方法间接地加固基础．不过对于建筑 物周边有其它建筑的情形，此方法难以实现．还有利 用弯矩调幅原理在梁面粘贴碳纤维布将支座不能承 担的弯矩由梁跨中承担的加固方法”J，如图3所示． 即只对梁跨中加固就同时加固了支座．此方法受弯 矩调幅的幅度限制时，常使加固效果不明显，同时会 出现较大的裂缝，影响使用．对于采用加静压桩的加 固方法〔4〕，如图4所示．只能针对承载力不足的地基 加固，而对于基础承载力不足，尤其是抗弯能力不足 的条形基础加固作用不大，而且可能产生更大的 弯矩． 综上所述，目前所见的条形基础的加固方法都 有着各种各样的弊端． 圈l加大梁截面高度加固图图2加大基础边缘宽度加固图 收稿日期：2008．09一ll 作者简介：柴维斯（1963 ），女，副教授，主要研究方向为计算固体力学 图3梁表面粘贴碳纤维布加固图（单位：咖） 万方数据 柴维斯，等：条形基础新加固方法研究图4加静压桩加固图 2锚杆加固法 本论文所提出的条形基础的加固方法是利用锚 杆或锚杆与碳纤维布结合，通过约束地基梁跨中处 向上的挠度，从而降低原支座处的弯矩的方法．锚杆 相当于新增加的支座，计算结果表明锚杆的受力比 y在支座附近加桩所受的力要小很多，而且受的是拉 力．所以锚杆需要材料较少，相应的成本很低而且施 工相当方便．由于施工所占面积较小，施工时地下室 仍可继续使用． 本文采用有两个或以上对称的固定铰支座的有 限长弹性地基梁为力学计算模型，通过理论分析和 数值计算相结合的方法求解此模型，并将结果应用 到加固的实际工程中． 现以1条长8 m、受3个集中力作用的弹性地 基梁为例来研究．设地基基床系数K＝40 000 kN／ m3，所受集中力为l kN等跨分布，梁的，＝O．000 08 m4．图5（a）、图5（b）为未加固前梁的情形．图6 （a）、图6（b）为加固后梁的情形． 4000 4000 （a）梁截面图（单位：咖） ll（N图5加固前的条形基础 IIl —m11 Hn『：一I11J—q 1r一一1 trl－一一一1 1fl—Lj f－r…一 frI－l一一1 rP一叶r 锚杆：约束向上的梁挠度承受拉力锚杆：约束向上的梁挠度承受拉力 （a）粱截面图 ll【N （b）粱受力简图 图6加固后的条形基础 下面以解析＜酉咖加割诺酢泊喊隧．涞求解I｝｛爿；塑型 2．1解析法 地基梁受力如图7所示．其挠度解析解为 图7地基梁 其中k伉算）＝2cosh＠石）cos仇戈）〔sinh＠z）cos＠口） cosh＠6）一sin＠z）cosh伉口）cos＠6）〕＋〔cosh＠菇） Bin伉菇）＋8inh仇茗）cos饥名）〕｛siIlII伉Z）〔sin伉口） cosh＠6）一cos伉8）sinh＠6）〕＋sinh仇z）〔sinh＠口） cos伉6）一cosh仇o）sin倪6）〕｝， 万方数据广东工业大学学报 第26卷 sinh（A算）：半， A：嘉，K为基床系数，6；为梁截面宽度，E为材料弹性模量，，为梁惯性矩． 2．2叠加法 用叠加法分别求得图8（a）和图8（b）中锚杆处 的挠度为 ll刑 lkN y2jijii；i：i：ji；ijj—：：丽（，，，J＊＝c，。＝。，a＝c＋ 1一尉〔sinh2Z）一sin2倪z）〕u39’…”o如c十 ，3P 酬sinh2Z）一sin2＠f）〕q川”“”扣亏’V7z一：：j；iii’：：。：jii：ii：i：ji：iijji—：：耐P j；iii’：：。：jii：ii：i：jj：iijji—：：。：j耐3PI＃2c，。2ct6＝z—c＋ kI…，l－c－6．。．（6）lJ‘N lkN 1kN 2．3 求得反力Q后，采用叠加法即可得到梁上每一点的挠度和弯矩． 3计算结果分析及结论 加固前地基梁上各处的弯矩和位移如图9所 示．加固后加固位置与梁跨中的弯矩和位移关系如 佳加固点．在最佳加固点（即c＝4m处）加固后 J梁的弯矩及位移如图11所示． 由以上结果可看出，加固前梁跨中集中力作用 1处弯矩值为o．173 kN／m．在c＝4 后，梁跨中集中力作用处弯矩值为0．138kN／m，比 原来减少20％．即在锚杆加固后，梁跨中集中力作 用处的弯矩只有原来的80％． 用锚杆加固的原理在于利用约束地基梁向上挠 度使锚杆被动地产生向下的支座反力，地基梁向上 挠度越大，加固的效果越明显．但并不是所有情况下 莒蚤薹15 菖lo 洳．（a）3个集中力作用F地基梁的弯矩图104 Ol2345678xkn （b）3个集中力作用下地基梁的位移图 图9加固前梁的弯矩和位移图 万方数据 柴维斯。等：条形基础新加固方法研究81 菖蚤喜图10 c值与梁加固后跨中处弯矩和剪力关系图 （a）3个集中力作用下当严2们时地基梁的弯矩图10。5 （b）3个集中力作用下当产24／3时地基梁的位移图图11加固后梁的弯矩和位移图 地基梁都会有向上的挠度．在本例中如取梁总长度 小于5 m，地基梁就不会有向上的挠度．这应与梁同 地基刚度的比例有关系，梁相对地基越“柔软”，向 上的挠度越大，加固效果越好．不过，即使没有向上 的挠度也可通过施加向下的预加力进行加固． 同样根据此法的加固原理，加固位置要取在向 J向下挠度区域会产生相反的效果，应予以注意．4十字交叉条形基础加固分析 十字交叉条形基础是由纵、横向条形基础相交 所组成的基础．这是1种十分复杂的空间结构，在工 程中常用简化方法一节点荷载分配法计算，这种方 法的关键在于如何进行交叉点处柱荷载的分配，一旦 确定了柱荷载的分配值，交叉条形基础就可以分别按 纵、横两个方向条形基础计算．不过传统的分配法并 没有考虑到锚杆的反力对分配系数的影响，下面采用 考虑此因素的新的分配法来研究加固效果． 4．1 考虑锚杆影晌的节点荷载分配法 在如图12所示的十字交叉条形基础中，节点f 作用有荷载只＝l kN，假设略去扭转变形的影响．对 于中间节点，荷载分配必须满足以下两个条件． ＿锚杆加固点锚杆加固点 —【4Iflf＋4【埘图12十字交叉条形基础圈（单位：m） 1）节点平衡条件：分配在菇、），方向的荷载之和 应等于节点处荷载，即 Pl＝Ph＋Pl，， 式中，巴、Pi，分别为i点荷载只在茗、），向条形基础上的分配荷载． 2）节点变形协调条件：菇和y方向基础在交叉 点处的沉降相等，即 以、Ph分别为菇向条形基础上歹点和），向条形基础上I｜｝点的竖向荷载；＆为歹点处作用单位力在i点产 生的沉降；瓦为J｜｝点处作用单位力在i点产生的沉 降；对于没有锚杆加固的梁，＆、阮可由有限长梁的 解析解求得，即 ），（10）式中算为i点到梁端距离，6为，点到另一梁端距离． 对于有锚杆加固的梁，＆、阮应先采用第1部分介绍 的方法求解出锚杆反力Q，再用叠加法求得梁中的 内力与位移曲线． 4．2计算分析 图13中上部曲线表示有锚杆加固的梁上分配 力的变化情况，而下部曲线表示无锚杆加固的梁上 分配力的变化情况．分析结论如下： 本例中菇、y向十字交叉梁的尺寸及材料是一样 的，即刚度相同．若没有锚杆加固，两条梁所分配到 的力应该是相同的．从图13可知，当加固点位置超 过2（1／2跨）时，分配是相同的，即说明锚杆对垂直 方向的粱的影响是有限的，离锚杆位置远的竖向力 分配可不考虑锚杆的影响． 万方数据 广东工业大学学报 第26卷 堇R髓焱图13加固位置与荷载分配关系图 锚杆位置在两交叉中间时，它对梁的影响是很 明显的．如图13在c＝O．6 m处，有锚杆的梁分配到 的竖向力达到3／4之多，即该梁受到的中间竖向力 会比原来多50％．对于不加预加力的锚杆加固，在 此点加固不但没有使集中力处的分配力减少，反而 使其增大．所以对于不加预加力的锚杆加固，加固位 置一定要经过三维计算细致考虑．对于加预加力的 锚杆加固，此位置却为最好的加固点．因为从图13 可知在此位置加固时，另一条没加固的梁的竖向分 配力只有原来的50％，即这种情况下，锚杆同时对 两个方向都有加固作用．虽然被加固的梁会增加弯 矩，但是可以通过向下的预加力使弯矩减少． 从图13还可看出，在c＝4m处依然是比 J较好的加固点．当锚固在该点时，被加固的梁的竖向 力增加的并不多，而且另一方向的竖向力有所减少． 即对于不加预加力的锚杆加固，加固点选在c＝ m处较为合适，但加固效果并没有加预加力J的锚杆加固效果好．