摘要: 地铁施工穿越既有建筑物桩基础时，可采用桩梁式托换技术支撑上部结构和截除下方桩基础。运用ANSYS 有限元程序中的“单元生死”技术，可对托换前、托换后和截桩三个托换工况下桩和框架柱的轴力变化以及变形特性进行数值分析。研究结果表明: 被动托换是在桩截除时，托换荷载通过托换梁传递到托换桩，托换梁跨中的下挠会引起被托换框架柱轴力减少和邻近框架柱轴力增大; 主动托换是在千斤顶的顶升过程中，托换荷载通过托换梁传递到托换桩，顶升过程中被托换处的各层框架柱轴力值增加，而邻近框架柱轴力减少; 当顶升至被托换桩轴力为零再进行截桩，可保证截桩前后的托换体系轴力、变形不发生变化。主动托换桩顶沉降差与被动托换相比小得多。

关键词: 桩梁式托换; 主动托换; 数值分析; 荷载转换

 

      桩梁式托换是一种用新型的由托换桩和托换梁组成的托换结构来替换既有建筑物的原基础的技术。该技术通常用于地铁建设中需要穿越既有建筑物下方桩基础的各类工程^［1］。托换梁通过新旧混凝土交接面的处理与被托换建筑物的柱相连接，使既有建筑物的上部荷载通过柱较均匀地传递到托换结构上，便于截除原基础和地铁穿越( 如图 1 所示)^［2］。

      桩梁式托换在 20 世纪 30 年代美国纽约市兴建地下铁道时开始应用^［3］。之后，该技术在德国、日本等地铁建设中得到推广^［4，5］。我国的托换工程数量和规模随着基本建设的发展不断增长，在广州、深圳和天津滨海新区地铁建设中均采用了该技术^{［6 －8］}。然而在工程实践的同时，桩梁式托换变形不易控制的技术难题也逐步暴露出来^［9，10］。

      工程算例为深圳地铁一期工程百货广场桩基托换工程。深圳百货广场为塔楼 22 层，裙楼 9 层的框架 － 剪力墙结构。因地铁一期穿越裙楼下 6 根桩基础( 3 － A 轴、3 － B 轴、2 － B 轴、2 － C 轴、1 － C 轴、1 － D 轴) ，需要进行桩梁式主动托换。托换转换层设在地下室负三层，被托换框架柱截面为 1． 2m ×0． 8m、柱距为 8． 0m，框架梁截面为 0． 7m × 0． 3m; 托换梁截面尺寸为 3． 2m( 宽度) ×2． 2m( 高度) 、跨度为 11 ～ 14m; 被托换桩基长度为 13 ～ 20m、直径为2m。托换桩为直径 2m 的人工挖孔桩，桩长为 28m。托换桩( 1 轴 A ～ E 轴桩编号为 Z1 ～ Z5) 和托换梁平面图( 如图 2 所示) ，其中有限元分析的示范桩为 1－ D 轴位置的 Z4 桩 ( 两侧托换桩编号为 T1 和T2)^［14］。

      采用 ANSYS 有限元程序进行分析，托换结构、桩基础以及上部框架梁、柱均采用 Beam188 单元，楼板采用 Shell63 单元。为了准确反映托换过程对建筑物的影响，对 1、2 轴的 A 至 E 轴上部结构、桩基础和托换结构进行整体建模。桩基础为端承桩，地基土对托换的沉降影响很小，因此，不再对地基土建模。

      被动托换施工过程分为托换前、托换后( 施工托换桩和托换梁) 和原桩基础截除 3 个工况，而主动托换在分别施工完托换桩和托换梁后，需要在桩顶对托换梁顶升。为准确模拟各工况作用下被托换结构变形和荷载传递情况，运用了 ANSYS 程序中的“单元生死”技术。将原结构、托换桩和托换梁以及需要截除的原桩基础均进行整体建模。托换前工况下，将托换结构单元“杀死”; 托换后工况下再“激活”托换结构单元; 原桩基础截除工况下，“杀死”被截除的桩基础单元。

      被托换建筑的活荷载标准值为 3． 5kN/m²。因为托换施工与建筑使用年限相比时间较短，活荷载乘以 0． 6 的频遇系数。将统计的恒荷载和活荷载叠加后，转换为集中荷载施加在各层的节点上。将原桩基础最下端的节点位移均定义为“0”。

      通过调整 2 根托换桩最下端的竖向位移实现加载。对于被动式托换，托换桩底的竖向位移应与托换前被托换桩的竖向位移相一致; 而主动托换的千斤顶是安放在托换桩顶和托换梁之间的，由于托换桩和托换梁整体建模，不易模拟在托换桩顶和托换梁之间加载，因此改为在托换桩底施加向上位移，位移值需通过试算的方法确定。这种处理方法不影响托换桩的轴力，但真实的位移值需减除施加的位移值。为实现托换前后，被托换柱压力不变的目标，试算得出被托换桩基础轴力为“0”时的位移值作为顶升的位移值。

 

      托换前工况竖向位移和轴力的云图( 如图 3、4所示) 。选中不同轴线位置单元查看位移和轴力值( 见表 1)

      采用被动托换方案时，托换前和托换后托换体系的竖向位移和轴力未出现显著变化，而截桩后托换梁跨中出现明显下挠( 如图 5 所示) ，而被截断桩的轴力也转移到托换桩上( 如图 6 所示) 。

      1 轴各桩顶和托换桩顶截桩前后竖向位移和轴力值见表 1。截桩前后被托换框架柱( Z4 轴) 各层轴力变化情况( 见表 3) 。

      从表 1、3 看以看出，被托换桩截除后，该桩的轴力通过托换梁大部分传递到两侧托换桩上。截桩后托换梁跨中下挠，各层框架柱轴力出现了“卸载”，轴力降幅约 5%。这部分减少的荷载通过框架梁传递到周边的框架柱上，造成了周边框架柱轴力的增大，其中邻近的 C、E 轴柱较明显，远端的 A 轴变化很小。截桩前后的竖向位移的变化也有托换处最大、邻近的 C、E 轴桩顶较大，而远端 A 轴桩顶最小的规律。托换处竖向位移的最大值为2． 026mm，远小于 GB50007 － 2002《建筑地基基础设计规范》中关于基础沉降变形限值。但是在分析中未考虑托换桩桩底沉渣、桩身压缩变形和桩梁接头相对滑移等产生的变形。消除这部分变形的影响，采用主动托换应该是更有效的方法。

      主动托换是通过调整托换桩的顶升位移，使得被托换桩轴力接近零时，再进行截桩的过程。从数值分析的结果可以看出，截桩前被托换桩已退出工作，因此，截桩前后托换体系竖向位移和轴力未出现显著变化( 如图 7、8 所示) 。但托换桩的顶升过程中，被托换结构处出现明显竖向位移和轴力增大。托换顶升前 1 轴 A － E 跨桩顶和托换桩顶竖向位移、轴力值以及被托换框架柱( D 轴) 各层轴力值与被动托换中截桩前的数值相同，可参看表 1、3。而托换顶升后竖向位移和轴力值见表 2，被托换框架柱各层轴力变化情况( 见表 3)。

      由表 2、3 可以看出，在主动托换千斤顶的顶升过程中，被托换桩的轴力逐渐减小，最后完全退出工作。在轴力为零的状态下截桩，可防止截断前轴力突变对托换结构的不利影响。顶升过程中，被托换荷载通过托换梁逐渐转移到两侧托换桩中。同时，顶升后被托换处的各层框架柱轴力值增幅约 5%，而邻近框架柱轴力减少。主动托换后各轴线柱底处最大沉降差为 0． 294mm( Z3 与 Z5 间) ，与托换前的0． 288mm 相差不大; 而被动托换最大沉降差为1． 327mm( Z1 与 Z4 间) 。另外，主动托换可有效弥补托换桩桩底沉渣等引起的沉降。当然，托换完成时，托换结构的混凝土的徐变尚未充分完成，可预估这部分变形，通过“超顶”的方法补充这部分以后将要产生的沉降差值。

 

      ( 1) 桩梁式托换分为被动托换和主动托换两种方式。被动托换是在被托换桩截除时，托换荷载通过托换梁传递到托换桩。托换梁跨中的下挠会引起被托换框架柱轴力减少和邻近框架柱轴力增大。被托换框架柱轴力变化值约在 5%左右。

      ( 2) 主动托换是在千斤顶的顶升过程中，托换荷载通过托换梁传递到托换桩。顶升过程中被托换处的各层框架柱轴力值增加，而邻近框架柱轴力减少。当顶升至被托换桩轴力为零再进行截桩，可保证截桩前后的托换体系轴力、变形不发生变化。主动托换桩顶沉降差与被动托换相比小得多。

      ( 3) 托换过程是分为托换前、托换后和截桩三个工况进行的，数值模拟利用“单元生死”技术，实现了托换桩、梁的产生和被托换桩的截除过程。对于主动托换千斤顶的顶升，为模拟方便是通过托换桩底施加向上位移值实现的。通过试算的方法可以找到被托换桩轴力为零的位移值。

      ( 4) 数值分析与试验研究相比具有大量重复模拟计算的优势，对托换过程进行模拟，可找到主动托换轴力和位移值，为工程设计和施工提供参考。

 

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