·40· 福 建 建 筑 2023 年

饰部位、主题寓意、表现手法、色彩运用等方面详细分

析对今后的古建筑保护等工作提供参考。

1 灰塑的历史发展和内涵

1. 1 灰塑的定义

灰塑作为一种传统的雕刻方式,是闽都文化精华

的凝练部分。 灰塑是一种以石灰等原料加工成的灰

膏作为基础,其结合了颜色调制的画笔技巧,来完成

对建筑物的装饰工作。 这种工艺采用具有抗酸、抗碱

和抗热性能的生石灰、纸筋、矿物颜料等材质,经过一

系列如混合灰膏、底层清理、图案设计与模型构建、涂

抹灰浆、选择合适的颜料并着色等过程而产生。 其通

常会出现在建筑物的墙面边缘和屋顶部分,并且主要

以彩色的圆雕和浮雕的形式呈现出来,大部分用于装

饰宗族祭祀场所、神殿或者宗教建筑[1]

。

1. 2 灰塑的历史发展

盛唐灰塑是我国灰塑艺术发展的一个重要阶段。

在唐代众多画家的启发下,丰富的色彩、华丽的图案

开始出现 ,便有了形象生动活泼的飞禽走兽。 在宋

代,灰塑的主要技巧是线条轮廓和图案造型,同时辅

以退晕技术,其主色调为青绿,风格简洁而优雅。 明

清时,我国古代建筑发展达到了空前的繁荣,建筑灰

塑纹样也大放异彩。 其特点是画面色泽饱满、图案丰

富、装饰性强,灰塑也分成了官式和形式迥异的地方

彩绘种类。 三坊七巷中保留了大量明清最繁华时期

的各种类型的古建筑,其中留有大量的灰塑雕刻,颇

具研究价值。

1. 3 灰塑的内涵

以历史人物为主题的灰塑作品,涵盖了诸如神话

故事、戏剧表演及民间习俗等多种元素。 其中包含由

龙、凤凰、狮头、喜鹊等构成的富有深意的装饰设计,

象征着“丹凤朝阳”或“三阳启泰”等含义;此外,还有

以各类植物与动物为主题的作品,代表着繁荣昌盛等

祝福。 同时,也存在一些器具组装图案和几何形状的

设计,例如万字形、回旋纹、如意纹等等,这些图案,无

一例外地传达出人们对幸福生活渴望和期待。 在三

坊七巷的官式建筑中,灰塑的题材为貔貅等,寓意着

步步高升。 而在民宅建筑中,灰塑的题材为蟠桃等,

寓意着阖家幸福。

2 三坊七巷及其灰塑历史底蕴

坐落于福州市核心区域的三坊七巷历史文化街

区,拥有超过一千一百年的悠久历史,其间保存了众

多从唐朝到宋朝时期流传下来、以明清风格为主体的

古建筑群及街道布局,同时也是诸多历史名人的诞生

之地与生活场所,因而被赞誉为“ 现代名流聚集之

所”和“福建台湾血脉相连的溯源之处”。

在三坊七巷中的古代房屋结构里,大部分装饰

性的元素,都是由泥土制成的“ 灰塑” 。 这些作品,

通常被应用到房子的檐口边缘(即所谓的“博风” )

或其他类似的位置,如房子正面的斜坡部分( “ 屋

脊” ) ,或者庭院周围的部分围墙之上;同时也会出

现在一些特定的区域,比如靠近门窗的天花板下方

的地方等等。 这种材料所呈现出的色彩,是深浅不

同的暗褐色的混合,搭配着白色背景,形成一种和谐

统一的效果———这正是福建地区的特色之一。 因其

处于海洋边界地段,所以常常受到来自大洋的风暴

影响,导致其环境较为潮湿且容易遭受破坏。 因此,

当地人更注重保护自己的家园,并通过各种方式增

强居住地的防御能力。 其中最常见的,就是使用具

有防腐蚀功能、且能够抵御风雨侵袭作用的大量木

材,制作出坚固耐用的框架,然后用砖石砌筑成厚实

的城堡式外壳,再涂抹上一层又一层细腻光滑的外

表漆,最后再加上一圈精美的雕饰图案作为点睛之

笔,使整个住宅看起来更加华丽美观。 此外还具备

了很强的抗震性能,从而大大提高了居民的安全感。

另外,他们还会利用大量的彩绘艺术手法,把富有寓

意的吉祥图腾描摹得栩栩如生,以此祈求带来好运

气,保佑全家平安、幸福。 福州的人物灰塑淡雅疏朗,

青绿色彩是描绘人物衣着最常用的色彩,与配景植物

的颜色相互呼应[2]

。

3 三坊七巷灰塑风格与特征

3. 1 色彩应用

大多数三坊七巷的建筑是青瓦白墙,有些墙体涂

上了海蛎壳灰或草木灰,形成了黑灰色的视觉效果。

木质结构展现出木材本身的颜色,灰塑的色彩也较为

朴素,整体用色少,以冷色调为主,饱和度底。

3. 2 表现技法

灰塑艺术的重要表现方式,包括半浮雕、浅浮雕、

高浮雕、圆塑和通塑,而三坊七巷的灰塑以浅浮雕手

法描绘人物、动物及亭台楼阁等元素,其风格简洁优

雅。 同时,还运用线描技巧来装饰檐口、窗套等部位,

并采用山水花鸟画作为装饰材料。

3. 3 分布特征

观察整体情况, 三坊七巷由三个 “ 坊” 和七条

“巷”组成,它们先后是:衣锦坊、文儒坊、光禄坊、杨

桥巷、郎官巷、塔巷、黄巷、安民巷、宫巷乃至吉庇巷。

2023 年 12 期 总第 306 期 刘雨菲,赵 疑·福州三坊七巷灰塑研究 ·41·

在三坊七巷主干道上的灰塑,大多数为白色或蓝

色为底,上面用白色雕刻,与建筑中的木材料以及灰

墙颜色协调,上面雕刻着宝瓶、树木、仙鹤,寓意着优

美、长寿,如图 1 所示。 在主干道相连的三条坊和七

条巷中,灰塑的颜色相较于主干道更为淡雅,大多是

以白色为底色,在上面雕刻着白色的雕像,大多数为

龙头、如意,代表中国人民对自然生命力的崇敬和敬

畏,如图 2 所示。

(a)支巷灰塑 (b)支巷灰塑

图 1 主街灰塑 图 2 支巷灰塑

三坊七巷中的建筑大多数可以分为官式建筑和

民宅,官式建筑中的灰塑最为恢弘细腻,色彩也较为

丰富。 其上一般雕刻着牡丹、宝瓶、神龙,寓意福寿双

全、贤德兼备、吉祥如意。 灰塑主要集中在天井的屋

顶和墙身,区别出主要大空间和周围的次要空间,为

入口厅堂增添了恢弘的气势,限定了出入口的空间。

在民宅中,灰塑相较于官宅更少,且雕刻的图案

更少、更粗糙,许多灰塑出现在矮墙和墀头,上面一般

雕刻着牡丹、仙树、蝙蝠,寓意福寿双至、长寿等。

3. 4 装饰部位特征

3. 4. 1 屋顶灰塑

三坊七巷的屋顶灰塑,主要集中在屋脊、墀头、博

风带,如图 3 所示。

(1)屋脊灰塑

三坊七巷大部分屋顶的脊饰以蓝色为底,上雕刻

白色、金黄色雕塑,大多雕刻在古代象征吉祥如意、阖

家幸福的图案,如牡丹、祥云、狮子等,雕刻立体生动、

精致细腻。

(2)墀头的灰塑

三坊七巷大门墀头大多也以深蓝色为底,雕刻的

部分则用白色,上多雕刻如意、乾坤、宝瓶等,浮雕部

分精致细腻,绘画部分简洁明了、强调整体效果。

(3)博风带灰塑

三坊七巷中的博风带分为多个部分,大多以蓝色

为底,上做白色图案和浮雕,上部分雕刻植物的枝叶,

下部分雕刻如意、藤曼。

(a)屋脊灰塑 (b)墀头的灰塑 (c)博风带灰塑

图 3 三坊七巷灰塑汇总

3. 4. 2 墙身灰塑

“三坊七巷” 中的古代房屋结构,特别是位于南

后街东部“七巷”的部分,其深度通常受到限制,导致

大多数情况下,只能建造 3 个房间。 为了满足大型家

庭的居住需求,需要扩展到纵向上,从而形成了两个

或者三个相邻的三房联排式的住所。 无论是主要部

分还是辅助部分,都会设置成包括前、中、后的三个大

厅,每个大厅的前后两侧被环绕着的天井包围,而围

绕天井四周的墙壁,则是各种灰泥和彩绘艺术作品展

示的主要区域,墙身灰塑如图 4 所示。

(1)屋面矮墙灰塑

在三坊七巷的古老建筑中,两侧的廊轩屋顶延伸

至厅堂底部的地方,通常会有一道矮墙,以防止雨水

溅入厅堂。 由于厅堂是视觉焦点,这道矮墙也需要对

厅堂的断面进行装饰。 矮墙的灰塑上有如意纹环绕,

并刻上太平、吉祥的文字,装饰以蓝色、红色为主,体

现了人们对美好生活的追求和向往。

(2)墙楣灰塑

墙楣装饰,即建筑物墙体上端的檐口之下的装饰

带。 三坊七巷古建筑中,墙楣装饰带基本以蓝色为图

底,与墙身之间用灰塑线条分隔,突出墙面的灰塑线

脚作为图框,雕刻着各式各样的宝瓶。 宝瓶的样式生

动立体,寓意着吉祥如意和旺财。

(3)漏窗灰塑

在福州的三坊七巷古建筑里,常常可以看到一

种被称为“ 漏窗” 的设计元素,它被用于划分内部

住宅区和外部庭院区域。 这类漏窗周围通常会用

灰泥或彩色绘画来装点,描绘出仙鹤、树林的图

案,不仅让室内外的界限变得模糊,还为整体环境

增添优雅。

·42· 福 建 建 筑 2023 年

(a)屋面矮墙灰塑 (c)漏窗灰塑

图 4 墙身灰塑

4 案例分析———以林则徐纪念馆为例

坐落于福建福州市鼓楼区的三坊七巷入口旁的

林则徐纪念馆,其总体建筑面积达 1. 5 m

2

,被视为“福

州古厝”的典范之作。 该博物馆主要包括了礼仪大

门、皇帝雕像台、道德殿、南北方花园、弯曲屋顶和翠

柏阁等多种建筑元素,展现出典型的南方特色风貌。

其中,博物馆内设两个展览区域:一是供奉林则徐神

位的庙宇;二是展示他生平事迹的大型展览室。

林则徐纪念馆的灰塑,主要集中在屋顶和墙身。

林则徐故居的屋顶灰塑主要集中在屋脊、墀头、

博风带,如图 5 所示。 其屋顶以深蓝色为基调,上面

刻有白色雕塑。 屋顶上的灰色彩绘简约而粗犷,突出

了远眺的效果。 大部分上面都雕刻着牡丹和浮云,象

征着富裕、安宁和家庭繁荣。 其大门墀头也以深蓝色

为底,在雕刻的部分则用白色,上半部分雕刻狮子,下

半部分雕刻宝瓶、如意、云纹等图案,雕刻较为精致细

腻,象征着步步高升、吉祥如意。 林则徐故居的博风

带分为上下两部分,上部分雕刻植物的枝叶,下部分

雕刻宝瓶、书房等栩栩如生的日常生活场景,以深蓝

色为底,上面的图案用白色进行雕刻。

(a)墀头的灰塑 (c)博风带灰塑

图 5 林则徐纪念馆屋顶灰塑

林则徐故居的墙身灰塑主要集中在墙楣、墙根装

饰带、漏窗,如图 6 所示。 蓝色作为装修底色的主座

前厅的前天井墙楣,被划分成两个区域。 上半区域采

用彩绘花朵作为装饰图案;下半区域的灰塑则描绘出

各种形状的宝瓶。 宝瓶的样式生动立体,有吸收煞

气、趋吉避凶的作用,寓意着吉祥、富贵和旺财的作

用。 这座建筑的墙基与墙根之间构成了一条约 30 cm

高的装饰带,墙体的长度相当大,可以用来进行水墨

画、工笔画等各种绘画,通常描绘的主题包括山水、人

物、传说等。 其漏窗由多个立体雕刻的竹子规律排列

而成,上面还雕刻有竹叶等细节,生动形象地展示出

灰塑的塑造力和生命力。

(b)墙根装饰带灰塑 (c)漏窗灰塑

图 6 林则徐纪念馆墙身灰塑

5 结语

三坊七巷的灰塑不仅是一种建筑的装饰,更是中

华博大精深的传统文化的载体,是闽都文化的精粹。

然而经过多年的风雨的洗礼,许多的灰塑都颜料褪

色,灰层脱落,亟需对受损严重的灰塑进行修复,尽可

能恢复其艺术原貌,彰显其价值。

对于大体上保持原有形态、只是部分破损的灰塑

艺术品,应当按照传统的制作流程进行修复。 而对于

受损严重的作品,不能草率地进行修复,否则可能会

引发后续的问题。

作为建筑学专业的从业人员,应该充分发挥专业

优势和资源优势,将传统文化知识以趣味的科普研学

传递给未来的青年,让他们领悟传统建筑之美;同时,

全过程参与建造,切身感悟工匠精神。

保护好福建古厝灰塑,是保护好福建古厝中不可

缺少的重要环节。 只有保护好这些,提高福州的城市

凝聚力和吸引力,才能更好地保护闽都文化、让中国

优秀传统文化永葆活力。

参 考 文 献

[1] 靳凤华. 福州古厝的彩绘装饰艺术[ J]. 福州大学学报:

哲学社会科学版,2021,35(2):5.

[2] 颜宇鸿. 福州地区古建筑灰塑彩绘传统做法和应用[ J].

福建建设科技,2019(2):4.

2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

某办公大楼砖砌体承重结构 UHPC

加固设计与施工分析

郑景昌

(福建建工集团有限责任公司 福建福州 350000)

摘 要:某砖砌体结构办公大楼经过检测鉴定,墙体受压承载力及抗震性能普遍不满足规范要求,必须对墙体进行加

固,才能继续使用。 依据抗震鉴定报告和现行规范标准要求,对比分析砖砌体墙体加固方法的优劣,选择 UHPC 面层

加固法,并进行砖砌体墙体 20 mm 厚 UHPC 双面加固设计。 设计结果表明,加固后的墙体受压承载能力及抗震性能显

著增加,且达到安全、经济的效果。 为此,梳理 UHPC 面层加固法加固既有砖砌体墙体的施工步骤,并进行施工分析,

包括清洁墙面、清理工作面、填补孔洞并涂刷界面剂、嵌入栓钉并用钢丝连接、进行 UHPC 抹面和养护等,加固设计与

施工分析过程,可供类似工程参考。

关键词: 砖砌体结构;砖砌体墙;面层加固;UHPC;加固设计与施工

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0043 - 05

Design and Construction Analysis of UHPC Reinforcement for Brick Masonry Bearing

Structure of an Office Building

ZHENG Jingchang

(Fujian Construction Engineering Group Co. ,Ltd,Fuzhou 350000)

Abstract:A brick masonry office building has undergone testing and identification, and the compressive bearing capacity and seismic performance of the walls generally do not meet the requirements of the specifications. The walls must be reinforced before they can continue to

be used. Based on the seismic appraisal report and current standard requirements, compare and analyze the advantages and disadvantages

of the reinforcement methods for brick masonry walls, choose the UHPC surface layer reinforcement method, and carry out a 20mm thick

UHPC double - sided reinforcement design for brick masonry walls. The design results indicate that the compressive bearing capacity and

seismic performance of the reinforced wall have significantly increased, and the safety and economic effects have been achieved. To this

end, the construction steps of UHPC surface reinforcement method for strengthening existing brick masonry walls are summarized, and construction analysis is carried out, including cleaning the wall surface, cleaning the working surface, filling holes and applying interface agent, embedding bolts and connecting with steel wires, UHPC plastering and maintenance, etc. The reinforcement design and construction

analysis process can provide reference for similar projects.

Keywords:Brick - concrete structure; Brick masonry wall; Surface layer reinforcement; UHPC; Reinforcement design and construction

作者简介:郑景昌(1973— ),男,高级工程师。

E-mail:453035687@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 02

0 引言

砖砌体结构是我国早期民用建筑常用的结构形

式。 随着其服役年限的增长和外部环境的不断侵蚀,

结构将产生累积损伤,致使墙体受压承载力和抗剪性

能降低,使既有砖砌体结构建筑往往无法满足规范要

求。 地震作用下,主体结构和承重构件易产生破坏,

乃至出现局部或整体性倒塌[1 - 2]

。 因此,对既有的砖

砌体结构建筑进行加固设计及施工分析,有着重要的

意义。 现有砖砌体结构加固方法,主要采用混凝土、

水泥砂浆等材料[2]

。一些研究人员也提出了砂浆置

换法、ECC 面层加固法等新型加固法[3 - 5]

,但现有的

加固方法多存在加固厚度大、材料强度偏低、耐久性

较差的局限性,在有特殊加固需求的建筑上适配性

较差。

超高性能混凝土(UHPC)力学性能优越,适用范

围广泛,具备较高的工程价值[6 - 7]

。 近年来,将 UHPC

应用于结构加固领域,已逐渐受到研究人员的关注。

房明超[8]

、郑七振[9] 等设计仿历史建筑砖砌体墙,通

·44· 福 建 建 筑 2023 年

过拟静力试验,对 UHPC 面层加固对砖砌体墙体性能

的影响进行研究。 试验表明,UHPC 加固能有效提高

墙体抗震性能,开裂荷载、极限荷载等均得到有效提

升,且施工简单、占用空间较小。 位三栋[10] 等通过对

采用 UHPC 加固的砖砌体承重墙试件进行伪静力试

验,试验结果表明,经 UHPC 加固后的墙体,承载力提

升 130% ,刚度提高 216% ,加固面层与墙体未脱落,

粘结性能良好。 陈伟恩[11] 对既有砖混结构民居采用

UHPC 进行加固,加固后,受压和受剪承载力均可达

到设计要求。 孙志杨[12]

、刘永平[13] 等在已有研究基

础上,对比了 UHPC 加固低强度砖墙原型试验试件和

有限元软件建立的砖砌体墙模型,验证了有限元建模

的有效性,表明 UHPC 面层加固低强度砖砌体,具有

可行性。

综上所述,UHPC 应用于既有砖砌体墙体加固,

具备良好前景,可以有效提高砖砌体墙体的力学性

能。 但早前 UHPC 加固方法中,一般采用支模浇筑,

此方法施工过程较为复杂,且施工质量难以精确控

制。 本文以某砌体结构工程为例,考虑砖砌体结构建

筑本身存在的缺陷和项目在加固上的特殊要求,采取

双面抹压 UHPC 加固方案,对加固后的砖砌体墙体进

行计算分析,并依据计算结果进行调整,为类似砌体

结构工程加固设计和加固施工提供参考。

1 工程概况

某办公大楼结构形式为砌体结构,建筑标准层平

面布置图和房屋外立面如图 1 ~ 图 2 所示。 建筑为地

上五层,建筑高度约为 19. 32 m,底层高 3. 84 m,标准

层层高 3. 52 m,建筑面积约为 1900 m

2

,属于外走廊

多层砌体房屋。 平面布置呈矩形,立面布置规则合

理,质量和刚度沿高度均匀分布,基础形式均为毛石

砼条形基础,主体结构采用 240 mm 及 370 mm 厚烧

结普通砖墙,楼板和屋面均为现浇钢筋混凝土。 该办

公大楼为 19 世纪 70 年代设计建造,属 A 类建筑。 建

筑抗震设防类别为标准设防类,抗震设防烈度 6 度,

后续工作年限按 30 年考虑。

图 1 标准层平面图

图 2 房屋外立面图

2 原结构检测评估

2. 1 现场检测结果

(1)结构整体性检测。 建筑单体立面无高差,连

接方式正确,房屋整体倾斜值满足要求,基本符合现

行规范标准。

(2)抗震构造措施核查。 墙体连接处咬接处理

不当,构造柱和圈梁设置不足,窗洞过大,导致承重墙

宽度不足,抗震构造措施不满足现行规范要求。

(3)墙体工作状态检查。 采用回弹法检测砖强

度和砂浆贯入法检测砂浆强度。 据抽检结果,砖抗压

强度等 级 约 为 MU10, 砌 筑 砂 浆 抗 压 强 度 值 约 为

0. 6 MPa,部分砖墙表面灰缝砂浆饱满度不足。 砖砌

体墙体缺陷如图 3 所示。

(a)墙体连接处咬接处理不当 (b)墙体灰缝不饱满

(c)墙体窗洞过大

图 3 砖砌体墙体存在的缺陷

2023 年 12 期 总第 306 期 郑景昌·某办公大楼砖砌体承重结构 UHPC 加固设计与施工分析 ·45·

2. 2 墙体受压承载力和抗震性能评估

根据国家建筑工程质量监督检验中心出具的该

办公大楼鉴定报告,项目采用中国建筑科学研究院有

限公司检测评定软件 JCPD V2. 0 建立结构分析模型

并对结构进行计算。 计算结果表明,多数一 ~ 三层、

部分地下一层和四、五层的墙体受压承载力,已不满

足要求。

原结构综合抗震能力指数低于0. 9,在6 度(0. 05

g)地震作用下,主体结构安全性鉴定等级评为 Dsu级,

安全性不符合鉴定标准的规定。 因此,墙体应立即采

取加固措施,以提高墙体受压承载力及抗震性能,增

强结构的整体性。

3 加固方案对比与确定

3. 1 加固方案对比

目前,砌体加固改造技术已较为成熟,现有的砖

砌体结构加固方法,主要有钢筋网 - 水泥砂浆(混凝

土、聚合物砂浆)面层加固法、夹板墙加固法、粘贴纤

维复合材加固法、加设额外支撑设施等[2]

。 此外,研

究人员也提出了一些新型加固法,包括砂浆置换法、

ECC 面层加固法等[3 - 5]

,各加固方法对砌体墙体的加

固偏向和加固效果,都有其特点:

(1)钢丝网 - 水泥砂浆(聚合物砂浆)面层加固

法需较精细的工艺,如钢丝网需要张拉。

(2)夹板墙加固法,采用细石或自密实混凝土进

行加固,可以较大幅度提升墙体强度和延性,但加固

厚度大。

(3)砂浆置换法,采用高性能砂浆置换原有低强

砂浆,从而达到提高砖砌体结构力学性能的目的,但

限制较多,不适用砌块强度低或砌块老化严重的

结构。

(4)ECC(高延性纤维增强水泥基复合材料) 面

层加固砖砌体墙近年应用逐渐广泛,能较好提升结构

的延性、受压和抗剪承载力,但是加固成本高。

办公大楼由于其本身具有特殊使用需求,其砌体

墙应避免选用自重较大的加固方式,宜选择具有提升

竖向及水平向性能明显、耐久性好、经济合理且施工

便捷等优点的加固方法。 新发展的 UHPC,由于其本

身具备优异的力学性能,能很好地满足项目的需求,

所以对 UHPC 加固法设计及施工进行研究。

3. 2 UHPC 面层加固法

已有试验研究表明,UHPC 面层加固在刚度、耗

能能力、加固自重和整体造价上,都优于传统的钢筋

网 - 水泥砂浆加固法,且可以大幅提高墙体受压承载

力和抗震性能[8 - 10]

。 但目前研究一般采用支模浇筑

的方法,在墙体表面施加 UHPC 加固面层。 此方法需

要铺设模板,浇筑 UHPC 并振捣严实,施工过程复杂,

施工质量无法精确控制。

项目提出了抹墙型 UHPC 面层加固法。 即通过

在砖砌体墙表面抹压 UHPC 面层进行加固,从而避免

支模浇筑,降低施工难度,减少施工不当造成的加固

强度损失。

4 UHPC 面层加固墙体设计与分析

4. 1 UHPC 性能参数

根据《超高性能混凝土(UHPC) 技术要求》 ( T /

CECS 10107—2020),选用福建省某材料公司生产的

UHPC 预混料,采用强制式搅拌机搅拌制备加固用的

UHPC,UHPC 配合比如表 1 所示。 UHPC 力学性能按

照要求送检,其力学性能如表 2 所示。

表 1 UHPC 拌料配合比

各组分含量

纤维参量

预混料

/ (kg / m

3

)

POM 纤维

/ (kg / m

3

)

外加剂

/ (kg / m

3

)

水

/ (kg / m

3

)

2% 2023. 47 25. 09 11. 01 200

表 2 UHPC 力学性能

材料性能 7d 28d 56d

抗压强度/ MPa 48. 80 89. 65 103. 10

抗折强度/ MPa 9. 91 11. 51 12. 35

4. 2 UHPC 面层加固设计分析

参考相关文献[11 - 14]

,本工程的一 ~ 五层内、外墙

均采用抹压 20 mm 厚的 UHPC,进行双面加固。 根据

《砌体结构加固设计规范》(GB 50702—2011)、《砌体

结构设计规范》(GB 50003—2011)及《高韧性混凝土

加固砌体结构技术规程》(T / CECS997—2022)进行计

算和分析调整。

采用 UHPC 加固的砖砌体结构墙体截面抗震受

压承载力,按式(1)计算:

N≤φcon (fm0Am0 + αuc

f

cuAu ) (1)

式中,N 为构件轴心压力设计值(N);φcon为轴心

受压构件的稳定系数;fm0 和 f

uc分别为原构件砌体和

UHPC 的抗压强度设计值(N/ mm

2

)。 保守起见,本项

目取 f

uc = 80MPa;Am0 和 Au 分别为原构件截面面积

·46· 福 建 建 筑 2023 年

(mm

2

)和新增 UHPC 面层的截面面积;αuc为 UHPC 强

度利用系数,参考《高韧性混凝土加固砌体结构技术

规程》(T / CECS997—2022),取 0. 15。

采用 UHPC 加固的砖砌体结构墙体截面抗震受

剪承载力,按式(2)验算:

VE≤VME + VuE (2)

式中, VE 为考虑地震组合的墙体剪力设计值

(N);VME和 VuE分别为原砌体墙和 UHPC 的抗震受剪

承载力(N);取 VuE = Vu

/ γRE ;Vu 为 UHPC 面层的受剪

承载力(N);承载力抗震调整系数 γRE = 1. 0。 对于

墙段,加固增强系数 按式(3)计算:

η = ηpij =

240

(η0 +

Tw0

240

- 1) (3)

式中,ηpij为第 i 楼层第 j 墙段高韧性混凝土面层

加固的增强系数;η0为基准增强系数,指 240mm 厚墙

体加固后的承载力增强系数,η0 > 5. 0 时,取 5. 0;tw0

为原墙体厚度(mm)。

基准增强系数 η0按式(4)计算:

η0 =

VdE

VME0

+ 1 (4)

式中,VME0为 240 mm 厚原墙体的截面抗震受剪

承载力(N)。

参照 相 关 研 究[7,14]

, 砖 墙 上 嵌 入 纵 横 向 间 距

300 mm的栓钉,并使用拉结钢丝连接,以作为构造措

施提高 UHPC 和砖墙面的粘结性。 取最不利的墙体,

采用 20 mm 厚度 UHPC 双面加固进行复核验算,加固

后,墙体受压承载力提高了 1. 5 倍以上,抗剪承载力

得到大幅提高,加固增强系数达 3. 59,验算结果如表

3 所示。 计算结果显示,加固后墙体承载力均满足要

求,结构底层墙体受压承载力计算结果如图 4 所示。

表 3 墙体承载力验算

墙厚

/ (mm)

加固前受

压承载力

/ (kN/ m)

加固后受

压承载力

/ (kN/ m)

加固前抗

剪承载力

/ (kN/ m)

加固后抗

剪承载力

/ (kN/ m)

加固增

强系数

240 160. 80 493. 42 5. 04 64. 04 5. 00

370 247. 90 633. 27 7. 77 71. 80 3. 59

图 4 底层墙体受压承载力计算结果(加固后)

5 砖砌体墙施工加固

5. 1 结构整体加固措施

针对原结构所存在的墙体连接处咬接处理不当、

构造柱和圈梁设置不足、窗洞过大导致承重墙宽度不

足、抗震构造措施不满足现行规范要求等问题,项目

依据现行规范要求,在檐口处和底层、三层加设截面

240 mm × 240 mm 的圈梁,在内外墙交接处和楼梯间

等部位增设截面 240 mm × 240 mm 的构造柱;对于窗

洞过大的墙体,设置钢筋混凝土过梁,并在洞口两侧

设置构造柱;结构内、外墙体采用 20 mm 厚 UHPC 双

面加固方法。

5. 2 UHPC 面层加固法施工工序

UHPC 面层加固按照下列工序进行,包括清洁砖

墙表面、清理工作面、填补砖墙表面并涂刷界面剂、嵌

入栓钉并用钢丝连接、分两次进行 UHPC 抹面和养

护。 各工序具体施工方法和顺序如下:

(1)清理砖墙表面,剔除浮浆,清理灰缝,以增加

砖砌体结构墙面与 UHPC 加固层的粘结力,再用钢丝

刷清除表面浮灰。

(2)清理砖墙墙角和砖墙上下部位,整理地面工

作面。 当孔洞深度在 15 mm ~ 30 mm 之间时,采用

1∶ 2. 5水泥砂浆填补砖墙孔洞。 当孔洞深度大于

30 mm时,用 C20 细石混凝土填充。

(3)砖墙表面填补完成后,为防止砖表面快速吸

走高性能混凝土的水分,涂刷界面剂(海菜粉) 增加

UHPC 与砖表面的附着力,再进行下一步工序。

(4)在砖墙上嵌入栓钉(直径 6 mm,内部 60 mm,

外露 10 mm),纵横向间距 300 mm,并使用 12 号钢丝

连接栓钉。

(5)提前 2 h 洒水湿润。 砖墙砂浆强度低,不能

用水直接淋湿砖墙面,因此,采用背负式手动喷雾器

洒水淋湿砖墙面。

(6)第一次 UHPC 初抹面(厚度 10 mm ~ 15 mm),

人工抹压,反复找平,一抹三回头,将下坠的砂浆反复

找平。 为留住水分,防止加固层开裂,采用竹扫把进

行 UHPC 表面拉毛。

(7)根据当地气温,施工期间昼夜温差大于 25℃,

所以间隔约 15 min 后进行第二次 UHPC 抹面,基本找

平(厚度 5 mm ~ 10 mm)。 两次总厚度约 20 mm,厚度

的负偏差不超过 1 mm,厚度的正偏差不超过 2 mm。

2023 年 12 期 总第 306 期 郑景昌·某办公大楼砖砌体承重结构 UHPC 加固设计与施工分析 ·47·

(8)浇水养护 3 d,第三次在 UHPC 面层的表面,

采用普通水泥砂浆抹平作为装修层。

UHPC 墙体抹面施工过程如图 5 所示。

(a)清理工作面 (b)砖墙孔洞填补

(c)墙面涂刷界面剂 (d)墙面第一次抹 UHPC

(e)墙面第二次抹 UHPC (f)拉毛后养护洒水

(g)UHPC 面层加固完成

图 5 UHPC 墙体抹面施工过程

6 结论

(1)UHPC 面层加固,可以有效提高结构的抗压

承载力和抗震性能,对比传统加固方法具有多项优

势,用于加固既有砖砌体墙体是可行的。

(2)结合加固工程案例,对 UHPC 面层加固砖墙

进行设计及分析计算,采用 20 mm 厚的 UHPC 抹面对

砖砌体进行双面加固。 加固后墙体受压、受剪承载力

获得显著提高,加固增强系数达 3. 5 以上,可以满足

抗震要求。

(3)制备适合砖砌体墙施工且力学等各方面性

能优异的 UHPC,28 d 抗压强度超过 80 MPa 且抗折

强度大于 10 MPa。

(4)详细给出了 UHPC 加固砖砌体墙面的施工工

序流程,包括清洁砖墙表面、清理工作面、填补砖墙表

面并涂刷界面剂、嵌入栓钉并用钢丝连接、分两次进

行 UHPC 抹面和养护。 可为类似工程 UHPC 加固施

工提供参考。

参 考 文 献

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2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

大跨度钢桁架在刚接连体结构中的设计探究

赖艳芳

(中元( 厦门) 工程设计研究院有限公司 福建厦门 361004)

摘 要:厦门某复杂超限高层,同时具有扭转不规则、楼板不连续、刚度突变、尺寸突变、构件间断和承载力突变等 6 项不

规则项。 单塔平面为“L”形,在 19 层 ~ 23 层通过 42 m 跨度的钢构连廊连接为一体。 高位大跨度钢桁架在连体结构中,

主要协调了不同塔楼间的受力及变形。 文章着重分析高层高位刚接连体结构中大跨度连接钢桁架的结构选型,小震、中

震、大震、温度应力等受力工况下的内力分析、节点有限元分析、构件加工、吊装、运维的检修条件、强腐蚀环境下的防腐措

施等内容,确保大跨度钢桁架在高位连体结构中从设计、施工到竣工后的全过程安全使用要求。

关键词: 大跨度钢结构转换桁架;高位连体结构;性能化设计;抗震设计;节点有限元分析;施工模拟分析

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0048 - 05

Analysis on the design of large - span steel truss in rigid joint connected structure

LAI Yanfang

(IPPR Engineering Design & Research Company (Xiamen) Ltd. ,Xiamen 361004)

Abstract:A complex high - rise building in Xiamen has 6 irregular characteristics,including torsional irregularity,discontinuous floor slab,

stiffness mutation,mutational dimension,component discontinuity and bearing capacity mutation. The \" L\" shaped tower is connected by

42m span steel corridors on the 19th to 23rd floors. The high - span steel truss mainly coordinates the stress and deformation between different towers in the connected structure. In this paper,the structural selection of the large - span steel truss of the high - rise rigid connector

structure,the internal force analysis under frequent earthquake,moderate earthquake,strong earthquake,temperature stress and other stress

conditions,the finite element analysis for joints,the component processing,the lifting,the reserved maintenance conditions after completion,

the anti - corrosion measures under strong corrosion environment are discussed to ensure the safety of the long - span steel truss in the high

- connected structure from design,construction to the whole process after completion.

Keywords:Large - span steel structure transition truss; High level connected structure; Performance - based design; Seismic design; Finite element analysis for joints; Construction simulation analysis

作者简介:赖艳芳(1973— ),女,正高级工程师。

E-mail:772004478@ qq. com

收稿日期:2023 - 06 - 23

0 引言

连体结构受力复杂,在各地的震害表现中,连接

体本身塌落的情况较多,同时,主体结构与连接体相

连部分的结构破坏严重。 采用刚性连接,是规范推荐

采用的连接方式,设计师在结构分析和构造时,更易

把握[1]

。 连接体承受较大的重力荷载和地震作用,设

计中应尽量减轻结构自重,优先采用钢结构的形式,

也可以根据跨度采用型钢混凝土结构等形式。 当连

接体有多个楼层,特别是高位连体时,最下层宜采用

钢桁架的结构形式[2]

。

本文从某高层连体项目的具体案例出发,针对大

跨度钢桁架在刚连接连体结构中受力特点及设计方

法,进行研究和分析。

1 工程概况

项目位于厦门市同安区,抗震设防烈度为 7 度,基

本地震加速度 0. 15 g,设计地震分组第三组,场地类别Ⅱ

类,特征周期为 0. 45 s。 基本风压 0. 8 kPa,地面粗糙度

A 类。 地上建筑面积 8. 8 万 m

2

,塔楼最高层数 23 层,屋

顶结构标高95. 500 m。 东西塔楼为带立面跃层斜撑的框

架 -剪力墙结构,本建筑在 19 层 ~23 层通过 42 m 跨度

钢结构连廊连接为一体,如图1 ~图3 所示。

图 1 18 层建筑平面图

图 2 19 层建筑平面图

2023 年 12 期 总第 306 期 赖艳芳·大跨度钢桁架在刚接连体结构中的设计探究 ·49·

图 3 实景图片

项目东西塔楼的平面尺寸、结构刚度、层数都差

异较大,水平荷载作用下,连体转换桁架应能协调东

西塔不协调变形产生的扭转效应,并传递水平力。 文

中重点介绍分析连体转换桁架的受力分析、结构构

造、施工阶段要求等内容。 项目整体的计算及构造要

求,在此不多讨论。

2 连接体的结构选型

大跨度连廊连接东西塔楼间的交通,丰富了建筑

造型,协调两栋动力特性不同塔楼间的受力及变形,

具有重量轻、强度高、跨越长度大、安全、可靠、经济等

特点。 经多轮计算对比, 在连体结构的底层钢构

(19F)采用两榀人字形主桁架与东西塔刚性连接。

桁架层宽度 16. 6 m,跨度 42 m,层高 4. 2 m,考虑到跨

度较大,桁架的结构刚度不足,结合建筑隔墙及通道的

平面需求,在横向设置 2 榀人字形次桁架及 2 榀空腹

桁架,形成刚度较大的转换桁架层,19 层以上的连廊是

作为次结构坐落在转换桁架层之上,如图 4 所示。

图 4 换桁架布置平面及三维图

3 钢构转换桁架的整体内力分析

转换层主桁架跨度 42 m,层高 4. 2 m,跨高比为

10,在整体计算时,跨中的高度是足够的。 但由于连

廊宽度 16. 6 m,仅外侧有 2 榀主桁架,相对荷载较大,

主桁架支座处的弯矩过大。 桁架弦杆内力为:下弦受

拉,上弦受压,内力应以轴力为主,如桁架弦杆杆件内

力中弯矩所占的比重较大,可认为桁架的高度不足。

但连廊转换层以上楼层仅 4 层,虽然控制工况以“恒

+ 活”组合为主,但因此提高主桁架到双层高度,跨高

比达到 5,对结构成本而言还是较为浪费,且对建筑

立面效果产生不良影响。 设计师在支座处(图 5) 往

20 层标高设置斜杆,调整后的主桁架下弦杆件应力

中,弯矩产生的比重为 25% 左右,轴力产生的应力为

75% 左右,同时解决了受力与成本两个问题。

图 5 人字形主桁架立面图

钢结构转换桁架属于关键构件,在地震作用下,连

接体应能约束和协调两侧塔楼振动变形与扭转效应。 特

别是本工程这类高位大跨度的连接体,对竖向地震的反

应比较敏感,且放大效应明显。 主桁架、次桁架、空腹桁

架及与其相连的框架柱性能化目标应达到中震弹性和大

震不屈服[3]的要求,如表1 所示。

表 1 包络计算

序号 分析内容 分析目的

1 小震计算(楼板弹性膜) 桁架满足小震时受力

2 中震弹性计算(楼板弹性膜) 桁架满足中震弹性时受力

3

中震弹性计算

(楼板厚度取 0)

桁架满足中震弹性楼板

破坏刚度退化后受力

4

大震不屈服计算

(楼板弹性膜)

桁架满足大震楼板不

屈服时受力

5

大震不屈服计算

(楼板厚度取 0)

桁架满足大震不屈服楼板

破坏刚度退化后受力

弹性计算中,应考虑楼板对桁架杆件的约束作

用,中大震时楼板开裂刚度退化,对桁架的约束能力

减退,桁架杆件须传递更大的轴力。 这时可用楼板厚

度取 0 进行模拟,桁架杆件受力应包络 2 种板厚下的

中大震计算结果。 主桁架杆件的截面如表 2 所示。

表 2 主桁架截面

主桁架构件类型 材料规格(H × B × tw × tf)

上弦 口 800 × 700 × 50 × 50

下弦 口 800 × 700 × 50 × 50

腹杆 口 500 × 500 × 20 × 20 ~ 40

图 6 X 大震下桁架正应力图

·50· 福 建 建 筑 2023 年

在 X、Y 方向大震作用下(图6),转换桁架最大应

力为 250 MPa 左右,尚未屈服,构件截面满足大震不

屈服性能目标。

4 其它计算内容

4. 1 温度作用的影响

项目东西向长 109 m。 由于建筑功能及立面效

果的未能设缝,在温度作用,施工阶段可采用后浇带

的形式释放,使用阶段考虑温差变化为升温 15℃ ,降

温 15℃ ,典型楼板在温度作用计算结果如图 7 所示。

可以看出,温度作用下拉力较大的区域集中在空中连

廊区域,并且在刚度较大的主体结构柱周边应力较为

集中。 项目采用了提高配筋率、增设转换桁架层楼板

平面内水平支撑等加强措施。

图 7 19 层 X 向楼板应力———升温 15℃

4. 2 竖向舒适度分析

大跨度楼盖结构在重力荷载及地震作用下,楼盖

竖向自振频率和振动峰值加速度必须予以控制。 本

工程对连接体采用 Sap2000 软件的时程分析法,进行

了连接体竖向振动加速度分析。一般人的自然走动

频率在1. 5 Hz ~ 2. 5 Hz 之间变化,由于人在连续行走

时具有明显的周期性,所以,步行荷载曲线通常简化

为傅里叶级数或一系列的三角函数,竖向振动计算三

维模型如图 8 所示。

图 8 竖向振动计算三维模型

本项目楼面活荷载取值为 3. 0 kN/ m

2

,频遇值系

数为 0. 5,有效活荷载为 3. 0 × 0. 5 = 1. 5 kN/ m

2

,相当

于 1. 5 / 0. 7 = 2. 14 人/ m

2 的人群密度(按人均 70 kN

计)。 人群激励面荷载激励越大,连接体跨中楼盖节

点加速度反应越大,各楼层分别激励时最大竖向加速

度为 0. 063 m / s

2

;各楼层同步激励时,最大竖向加速

度为 0. 059 m / s

2

,加速度均小于 0. 15 限值,整体竖向

振动模态分析可得连接体竖向自振频率为 2. 3 Hz,小

于 3 Hz,满足规范要求。

4. 3 中震楼板应力分析

楼板中震下的剪压比参考《高层建筑混凝土结构

技术规程》

[1]对钢筋混凝土剪力墙的剪压比要求,按

公式 7. 2. 7 - 2 控制。 如式(1):

τ =

V

bζ0

≤0. 28βc

f

ck (1)

转换桁架上下弦楼板混凝土强度等级 C35,如式(2):

0. 28βc

f

ck = 0. 2 × 1. 0 × 23. 4 = 4. 68 MPa (2)

图 9 转换桁架下弦楼层 X 向楼板应力分布(中震)

由图 9 可知,中震转换桁架下弦楼层楼板应力水

平约为 2 ~ 4 MPa,楼板基本满足中震抗剪截面剪压

比要求。 图中大多数部位轴向应力分布较均匀,面内

设计轴力为 600 kN/ m,少数部位如西楼与主桁架连

接区域轴向应力较大,需注意要特别加强。

4. 4 复杂节点有限元分析

为了保证节点在地震作用下传力的可靠性,达到

“强节点弱构件” 的抗震设计原则,同时考虑与节点

相连的构件性能目标,利用 abaqus 软件,对节点在大

震作用下的弹塑性性能进行模拟分析(图 10)。 以节

点 1 为例,整个节点区的 Von mises 应力(图 11)除斜

拉杆截面角点处接近屈服外,均小于钢材的屈服强

度。 节点区的钢板应力小于杆件端部钢板的应力。

节点区钢筋最大应力 316. 9 MPa,未达到屈服 ( 图

12)。 在大震作用下,节点区混凝土受压进入塑性,塑

性应变 -0. 00012 ~ -0. 00140(图 13),塑性程度轻微。

弹塑性分析结果表明,该节点在大震作用下,可以达到

大震不屈服的性能目标。 节点区的应力水平小于连接

杆件的应力水平,可以满足强节点弱杆件的设计要求。

图 10 节点 2 立面定位示意图

2023 年 12 期 总第 306 期 赖艳芳·大跨度钢桁架在刚接连体结构中的设计探究 ·51·

图 11 大震下 Von mises 应力分布图 图 12 大震下钢筋应力云图 图 13 大震下砼最小塑性应变分布图

4. 5 连续倒塌分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 要求,在

本工程中连体转换桁架中,19 层斜腹杆及 20 层斜腹

杆等重要构件,可以采用拆除构件方法进行抗连续倒

塌设计。 剩余结构构件承载力应符合式(3)要求:

Rd≥βSd (3)

式 中, Rd———剩 余 结 构 构 件 承 载 力 设 计 值;

Sd———剩余结构构件效应设计值; β———效应折减

系数。

由图 14 的应力包络图可以看出,当拆 19 层斜腹

杆时,转换桁架最大应力比 0. 539,构件承载力满足式

(3)的要求。

图 14 拆除 19 层斜腹杆转换桁架内力

5 施工模拟分析及整体提升

钢连廊的施工顺序对转换桁架的受力有较大的

影响,设计阶段采用 ETABS 软件进行了“恒 + 活”工

况下的施工次序模拟加载分析,并做了 2 个对比方

案,方案一的加载次序是:左右塔楼施工完成后,加载

转换桁架层(不带楼层楼板),然后再逐层加载桁架

层以上楼层(不带楼层楼板),最后加载楼板荷载;方

案二是一次性自重加载模型,杆件最大内力及位移从

表 3 可知,模拟施工加载的转换桁架内力比一次性加

载增大 16. 9% ~ 83% ,竖向位移减小 16. 2% ,如表 3

所示。

表 3 施工加载时桁架杆件内力

杆件类型 方案一 方案二 方案一/ 方案二

桁架上弦

轴力(kN) 3055 2237 ↑36. 6%

弯矩(kN·m) 953 970 ↑1. 7%

桁架下弦

轴力(kN) 7055 3838 ↑83. 9%

弯矩(kN·m) 607 447 ↑35. 8%

斜腹杆 轴力(kN) 5805 4967 ↑16. 9%

桁架跨中

竖向位移

(mm) 23. 717 28. 277 ↓16. 2%

其实施工模拟分析贯穿连体结构的整个设计及施

工阶段,设计阶段是假定加载次序,施工阶段按实际的

吊装次序在钢连廊施工前复核分析。 本项目施工中采

用的是钢桁架与以上楼层整体提升的方式,提升重量

约 960 t,提升高度 74. 9 m,如图 15 所示。 选用 TJJ -

3500 型穿芯式液压提升器,以柔性钢绞线作为提升索

具,操作人员在中央控制室通过液压同步计算机控制

系统的人机界面进行液压提升过程及相关数据的观察

和(或)控制指令的发布[5]

。 其中应注意以下几点:

图 15 钢连廊整体提升过程图

(1)吊装作业应在主楼砼结构施工完成并达到

设计强度;

(2)应严格控制被吊装钢结构的应力比及变形,

不足之处还应有临时加固措施;

·52· 福 建 建 筑 2023 年

(3)复核吊点位的构件,应力不足之处应有临时

加固措施;

(4)复核提升支座钢梁的应力,提升钢索应有足

够的冗余度。

6 构造加强措施

除上述分析要点外,连接体在设计中应注意以下

构造加强措施:

(1)除支撑连体桁架的框架柱和连体钢桁架应

按中震弹性性能化目标设计外,该框架柱采用型钢砼

结构,柱内型钢落到底层,在连体高度范围及其上、下

层(18F ~ 21F)抗震构造措施提高至特一级。 箍筋全

柱段加密配置,轴压比限值按不大于 0. 6 控制。

(2)连体桁架的性能化目标为中震抗剪弹性抗弯不

屈服,其上下弦杆应延伸至主体结构中不少于2 跨。

(3)连体桁架上下层楼板厚度提高至 180 mm,并

往主体塔楼内延伸 1 跨 180 mm 板厚,相邻跨楼板厚

度提高至 150 mm,双层双向配筋,加强楼板配筋率,

并不小于 0. 25% 。

(4)考虑中大震楼板刚度退化的影响,在连体桁

架楼板内加设面内钢支撑,并往主体结构塔楼区域楼

板延伸一跨构造钢筋传力带。

7 注意事项

7. 1 预留竣工后检修条件

钢连廊的底标高在 74. 0 m 的高空,桁架底部有

装饰的铝板幕墙。 钢结构连廊在 50 年的设计工作年

限中,除需要对铝板幕墙进行检修外,还存在钢连廊

的防腐防火检查维修作业。 钢连廊宽16. 6 m,底部高

空作业难度特别大,设计和施工阶段应特别注意结合

连廊底板主钢构的布置,预留检修吊篮的滑行轨道如

图 16 所示。

图 16 滑行轨道示意

7. 2 适当提高转换桁架下弦构件的防腐标准

项目地处滨海城市, 距涨潮海岸线距离大于

1. 5 km,《海南省建筑钢结构防腐技术标准》 对于项

目的防腐措施,有非常好的借鉴作用。 参考岛陆腐蚀

体系耐久性 H 级防腐方案 04H 要求[6]

;本项目即使

有检修吊篮,钢连廊底部的维护及检修施工,也需要

打开连廊底部的铝板幕墙后才能作业,检修施工繁复

且难度不小。 设计中在外露的主钢构区域特别注意提

高标准按强腐蚀要求,涂层最小总厚度不小于355 μm

考虑防腐涂装。

7. 3 次结构与连廊钢构的连接件焊接应在钢构工厂

中完成

导轨连接件及幕墙龙骨连接件应在钢构加工厂

与连廊钢构完成焊接,过多现场焊结产生的残余应

力,易引起主体钢构的扭曲变形。 施工现场没有消除

焊接残余应力及调直的条件,严重影响钢构件刚度、

承载力、 脆断、 精度和尺寸稳定性等, 应特别注意

避免。

8 结论

本文从具体工程出发,详细解析了高层高位刚接

连体结构的大跨度连接钢桁架体的受力分析方法,采

用多种计算软件,对项目进行弹性及弹塑性分析,制

定了连廊的大跨度钢桁架从设计、加工、吊装到竣工

使用阶段的加强措施及注意事项。 结果表明,结构设

计能够达到预期的性能要求。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层建筑混凝土结

构技术规程:JGJ3—2010[ S]. 北京:中国建筑工业出版

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[6] 海南省住房和城乡建设厅. 海南省建筑钢结构防腐技术

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2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

木结构古建筑加固技术研究

张 良

(福建省二建建设集团有限公司 福建福州 350001)

摘 要:中国木结构建筑类型多样、历史悠久,承载着浓厚的中国特色建筑文化,具有极高的历史、文化和艺术价值。

然而,随着时间的推移,木结构古建筑在自然环境和人为因素下,受到了不同程度的破坏。 因此,对木结构古建筑的加

固技术研究,尤为重要。 以福州某木结构古建筑的修缮加固工程为例,研究木结构古建筑的加固技术。 结果表明,通

过增加钢结构支撑与碳纤维增强材料 CFRP 加固技术,使得古建筑既能满足新的使用要求,又能很好地保持古建筑的

原貌。

关键词: 碳纤维;木结构;钢结构;古建筑;加固技术

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0053 - 05

Research on reinforcement technology of wooden ancient buildings

ZHANG Liang

(Fujian Second Construction Group Co. , Ltd. , Fuzhou 350001)

Abstract:Chinese wood frame buildings have diverse types and long history,carrying a strong architectural culture with Chinese characteristics,and have extremely high historical,cultural and artistic value. However,with the passage of time,wooden ancient buildings have been

damaged to varying degrees under the natural environment and human factors. Therefore,the research on the reinforcement technology of

wooden ancient buildings is particularly important. This paper takes the repair and reinforcement project of an ancient wooden building in

Fuzhou as an example to study the reinforcement technology of an ancient wooden building. The results show that by combining the steel

structure support with carbon fiber (CFRP) reinforced wood structure technology,the ancient building can not only meet the new use requirements,but also maintain the original appearance of the ancient building.

Keywords:Carbon fiber; Timber structure; Steel structure; Ancient architecture; Reinforcement technology

作者简介:张良 (1985— ),男,高级工程师。

E-mail:157427388@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 26

0 引言

由于我国独特的文化、气候、地理等因素,形成了

成熟的、独特的木结构建筑体系,在居住、园林、规划

等方面得到了广泛的应用。 我国的木结构古建筑具

有极高的文化、历史和艺术价值,在世界建筑史上独

树一帜,占有重要地位。 但由于木材的天然属性,木

材长时间在自然环境和人为因素下易发生腐蚀、变

形、裂缝等不同程度的损坏,造成建筑价值丢失,影响

结构安全[1 - 5]

。 所以,对木结构古建筑的加固技术研

究刻不容缓。

以福州某木结构古建筑的修缮加固工程为例,研

究木结构古建筑的加固技术,使得古建筑既能满足新

的使用要求,又能很好地保持古建筑原貌。 本文结合

工程实例,对古建筑木结构加固技术进行了应用

探索。

1 工程概况

项目位于福州市仓山区烟台山历史风貌区。 烟

台山先后有英国、美国、法国、荷兰、丹麦等 17 个国家

设立领事馆或代办处,被誉为万国建筑博物馆。 其中

的佛寺巷建筑组团,为本研究的研究对象,拟将原木

结构古建筑的使用功能改为酒店。

佛寺巷建筑组团总建筑面积约为 3075. 11 m

2

,建

筑多为福州传统穿斗结构。 因年代久远,原有建筑均

已残损较为严重,2017 年 9 月,该古建筑木结构已进

行了修缮及风貌复原工作。 后续又因商业化经营需

求,将建筑功能改变为酒店,故对其进行加固处理。

2 工程现状

为充分了解佛寺巷建筑组团项目木结构古建筑

·54· 福 建 建 筑 2023 年

的病害现状与结构特点,依据《古建筑木结构维护与

加固技术标准》(GB / T 50165 - 2020)

[7] 与《古建筑木

结构检测技术标准》(T / CECS 714 - 2020)

[8]

,对该古

建筑群进行现场勘查与检测,并作详细记录。 图 1 为

现场木结构建筑情况。

图 1 木结构建筑图片

2. 1 木柱现状

木柱作为古建筑木结构体系中最重要的承重构

件,其力学性能直接影响了结构的承载力。 该项目建

筑群具备福州传统穿斗式木结构特点,其主要竖向构

件多为金柱,少部分为瓜柱,通过榫卯与枋梁连接。

经现场勘察,柱的主要病害为:①柱脚部位局部腐朽

虫蛀,且有缺损(图 2);②部分柱身有纵向受力裂缝

(图 3);③个别柱头处卯口边缘木材缺失或劈裂;④

个别柱出现不同程度倾斜。

图 2 柱脚虫蛀 图 3 柱身纵向裂缝

2. 2 枋木与木楼板现状

经过现场勘查,大部分枋木经修缮后材质较好,

未见明显腐蚀虫蛀情况,现场情况如图 4 所示。 修缮

后,木楼板厚度约为 2. 5 cm ~ 3. 0 cm,楼板材质较均

匀,质地较好,未见明显腐蚀虫蛀情况。

2. 3 屋盖木构件及瓦屋面现状

椽木与檩条均为杉木,经修缮后,未见明显腐蚀虫

蛀情况。 屋面修缮后采用 230 mm ×230 mm × 30 mm 板

瓦铺于望板上,板瓦压六露四,屋面基层望板为 100 mm

×20 mm 木板密铺,未见明显腐蚀虫蛀及破损情况。

屋盖现场情况见图 5 所示。

图 4 枋木与木楼板 图 5 屋盖

3 加固方案

3. 1 新增钢结构支撑加固

经现场勘查,古建筑木柱有不同程度的病害,危

及到建筑的安全性,故需对该建筑进行加固处理。

由于该建筑群属于木结构体系,且对于福州历史及

烟台山区域历史风貌具有重要保留意义,故加固方

案在保留原有木结构体系的同时,选用钢结构支撑

体系,以满足易安装与易拆除的需求。 同时,将新增

钢结构支撑体系藏于隔墙与吊顶中,既不影响使用

功能,又能提高客房承载力需求;且新增钢结构框架

与原木结构存在保护间隙,对原古建筑木结构的影

响相对降低。 图 6 为新增钢结构支撑与原木结构构

件连接示意图。

图 6 钢结构支撑与原木构件连接示意

建立结构计算模型,图 7 为钢结构支撑计算模型。

原木结构二层楼面许用活荷载为 0. 45 ~ 1. 5 kN/ m

2

,加

固后,露面许用活荷载为 2. 5 kN/ m

2

。 新增荷载主要

由钢结构支撑承担,表 1 为加固后钢结构构件强度验

算表,由表可见加固后钢结构构件强度全部满足要

求。 结果表明,新增钢结构支撑能满足承载力及地震

与风荷载工况下的设计要求。

2023 年 12 期 总第 306 期 张 良·木结构古建筑加固技术研究 ·55·

表 1 加固后钢构件强度验算表

“强度应力比”最大的前 10 个单元的验算结果(所在组合号/ 情况号)

序号 单元号 强度

绕 2 轴

稳定

绕 3 轴

稳定

沿 2 轴

抗剪

沿 3 轴

抗剪

沿 2 轴

长细比

沿 3 轴

长细比

沿 2 轴

w/ l

沿 3 轴

w/ l

验算结果

1 230 0. 925(15 / 1) 0. 741 0. 811 0. 127 0. 222 5 80 - - 满足

2 278 0. 920(16 / 1) 0. 794 0. 766 0. 086 0. 275 6 82 1 / 6644 1 / 6753 满足

3 279 0. 851(15 / 1) 0. 764 0. 709 0. 078 0. 244 6 69 - 1 / 6941 满足

4 225 0. 798(16 / 1) 0. 669 0. 679 0. 106 0. 234 5 67 - - 满足

5 94 0. 704(12 / 1) 0. 534 0. 76 0. 119 0. 007 87 447 1 / 7107 - 满足

6 90 0. 697(11 / 1) 0. 528 0. 768 0. 119 0. 006 87 447 1 / 7104 - 满足

7 86 0. 694(12 / 1) 0. 524 0. 725 0. 118 0. 006 87 447 1 / 7104 - 满足

8 93 0. 686(11 / 1) 0. 519 0. 749 0. 137 0. 005 100 447 1 / 1471 - 满足

9 89 0. 683(11 / 1) 0. 518 0. 75 0. 137 0. 005 100 447 1 / 1471 - 满足

10 85 0. 678(11 / 1) 0. 513 0. 712 0. 136 0. 005 100 447 1 / 1481 - 满足

图 7 钢结构支撑计算模型

通过建立全专业 BIM 模型,对可能出现的建筑结

构与管线碰撞进行了分析,为整体效果的评判及后续

施工提供了极为直观的技术支持。 图 8 为结构 BIM

模型,图 9 为钢结构支撑加固后效果图。 可见,采用

钢结构加固,可最大程度地保护古建筑的原有风貌。

图 8 结构 BIM 模型

图 9 加固后效果图

3. 2 支撑构件的基础加固

原古建筑木结构采用石础,一层地面下铺设楞

木。 由于年代较久,原石础下土层未经扰动,且烟台

山地质较好,无不良地质情况存在,故新增支撑构件

基础利用原基底土层设置。 新增基础设计与原石础

等高,充分利用一层地面下架空防潮空间,且能避免

对原基础的开挖破坏。 新增钢支撑的基础加固如图

10 所示。

图 10 新增支撑基础加固示意

·56· 福 建 建 筑 2023 年

3. 3 木柱的加固

3. 3. 1 木柱裂缝处理

木柱由于长期失水干缩形成的裂缝过大,会降低

其承载能力,造成其抗剪性能降低,随着裂缝的持续

开展,可能会造成应力重分布[6]

。 根据文献[7],木

柱的干缩裂缝可按以下方式嵌补修整。 ①裂缝宽度

小于 3 mm 时,在柱的油饰或断白过程中,采用腻子勾

抹严实;②裂缝宽度在 3 mm ~ 30 mm 时,使用干燥、

通长、顺纹的木条进行嵌补,并采用改性结构胶粘剂

粘牢,且在柱开裂段内加碳纤维(CFRP) 箍,如图 11

所示。 此法为了保证加固后的美观,木条嵌补后,在

表层打磨出预留碳纤维(CFRP)箍厚度,修复完成后

碳纤维(CFRP)箍外层刷面漆,可使外皮整体感觉与

原木外皮平整,隐藏修复痕迹;③当裂缝宽度大于

30 mm或裂缝深度超过柱径或该方向截面尺寸 1 / 3

时,应更换新柱。

图 11 木柱裂缝的碳纤维(CFRP)箍

3. 3. 2 木柱腐朽处理

腐朽与虫蛀会对木柱的强度造成直接影响,根据

文献[7],对木柱腐朽处理方法如下:

(1)木柱构件柱脚腐朽较轻、柱心完好时,先把

柱表面腐朽部分剔除并涂刷防腐油膏,用干燥木材依

原样和原尺寸修补整齐,用耐水性胶粘剂粘接,最后

用夹木或螺栓紧固,如图 12 所示。

(2)当柱脚糟朽、虫蛀残损严重,但自柱底面向

上未超过层高 1 / 4 时,采用墩接方法处理。 墩接前应

先加扶柱卸去柱子所受荷载,再将腐朽部分整段锯

除,而后选用强度等级不低于原木柱、等截面的新材

墩接。 新旧材连接结合面处应采用抄手榫胶接,抄手

榫长度不应小于柱径的 1. 5 倍,且大等于 500 mm,并

沿榫头高度方向加设碳纤维布双向交叉粘贴的复合

材箍,连接点应避开木框架的节点区如图 13 所示。

(3)底层柱段糟朽、虫蛀残损严重且超过层高1 / 4

时,应整根更换新柱。

图 12 木柱轻度腐朽的处理

图 13 木柱重度腐朽的处理

3. 3. 3 木柱倾斜处理

倾斜木柱且倾斜率小于 3% 的情况,采用打牮拨

正进行纠偏扶正。 打牮拨正根据实际情况分次调整,

每次调整量不宜过大;进行打牮拨正时,先揭除瓦顶,

拆下望板和部分椽,并将檩端的榫卯缝隙清理干净。

3. 4 枋梁的加固

3. 4. 1 对损坏的梁柱节点的加固

由于 2017 年曾进行过全面修缮及复原,现场所

见梁枋基本完整,部分轻微腐朽的梁枋,采用粘贴木

块修补。 先将腐朽部分剔除干净,经防腐处理后,用

干燥木材按所需形状及尺寸制成粘补块件,以改性环

氧结构胶粘贴严实,再用螺栓紧固。

3. 4. 2 对提高承载能力的处理

由于建筑的使用功能改为酒店,在酒店的公共区

域,既要保留原有的古建筑木结构风格,又要满足公

2023 年 12 期 总第 306 期 张 良·木结构古建筑加固技术研究 ·57·

共区域新的使用要求,故采用厚度极薄的碳纤维布

(CFRP)加固,以代替传统的金属件加固形式,能在精

装修处理后基本隐藏加固痕迹。 由于新增碳纤维布

(CFRP)强度远大于原木材强度,故加固后,梁枋所能

提高承载力按原木材强度的 30% ~ 40% 进行结构计

算分析[9 - 12]

,结果均满足后续使用功能要求。 碳纤

维布(CFRP)加固梁枋示意图如图 14 所示。

图 14 碳纤维布(CFRP)加固梁枋示意

3. 5 楼板的加固

在 2017 年曾进行过全面修缮及复原,现场所见

木楼板基本完整,但由于单层木质楼板隔音性能较

差,在客房使用过程中会较为不适,如图 15 所示。 故

在原有木质楼板上先铺设 50 mm × 50 mm 木方,再设

置阻燃板及泡沫塑料衬垫,表面增设一层 15 mm 厚木

地板以还原木质效果。 在保留原有木结构风格的情

况下,提高了防火以及隔音的性能。

图 15 木楼板加固示意

4 结论

本文以福州某木结构古建筑的修缮加固工程为

例,对木结构古建筑的加固技术进行了研究,采取了

新增钢结构支撑加固、新增支撑构件的基础加固、

CFRP 加固木柱和枋梁、楼板的防火及隔音加固等加

固措施。

结果表明,采用新增钢结构支撑、碳纤维增强材

料 CFRP 加固和传统的木结构加固方法相结合的方

式,能满足古建筑安全、经济、适用和耐久性的要求。

本工程采取的木结构古建筑加固措施,显著提升了原

结构的承载力,且最大程度地保持了古建筑的原有风

貌,可为其他木结构古建筑的改造加固项目提供参考

借鉴。

参 考 文 献

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2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

国能福建生产指挥中心项目不规则结构设计分析

杨 平

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

摘 要:介绍了国家能源集团福建生产指挥中心的结构设计情况。 通过抗震性能化设计、楼板应力分析和楼板舒适度

分析等方法,解决了结构设计中跃层柱、楼板不连续、尺寸突变和大跨度楼盖等结构不规则难点问题。 同时补充进行

了多遇地震作用下的弹性时程分析和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,确保了结构设计的安全可靠。

关键词: 跃层柱;楼板不连续;尺寸突变;大跨度楼盖

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0058 - 05

Analysis of Irregular Structure Design for Fujian Production Command Center of CHN ENERGY

YANG Ping

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research Co. Ltd,Fuzhou 350001)

Abstract:This article introduced the structural design analysis of an office building with structural irregularity. By using methods such as

seismic performance - based design,floor stress analysis,and floor comfort analysis,difficulties of structural irregularity in structural design

such as cross story columns,discontinuities in floor slabs,size mutation and large - span floors have been solved. At the same time,elastic

time history analysis under frequent earthquakes and elastic - plastic time history analysis under rare earthquakes were supplemented to ensure the safety and reliability of structural design.

Keywords:Cross story column; Discontinuities in floor slabs; Size mutation; Large span floor

作者简介:杨平(1981. 9— ),男,高级工程师。

E-mail:45166508@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 21

0 引言

伴随社会经济的发展,现代办公楼的建筑形态也

从原先的简单规则发展为复杂多样,对应结构体系也

出现了各种不规则问题。 基于结构安全的考虑,本文

以国家能源集团福建生产指挥中心为例,对结构不规

则问题的设计进行分析并提出对策。

1 工程概况

国家能源集团福建生产指挥中心项目位于福建

省福州市台江区,总建筑面积约为 47 150 m

2

,其中地

上建筑面积 29 450 m

2

,地下建筑面积 17 700 m

2

。 项

目上部设置一栋 17 层办公楼(含 6 层裙楼,不设缝),

主要功能为办公和电力调度指挥等。 下部设置 2 层

地下室,负一层主要为停车和设备用房,负二层设计

为甲类二等人员掩蔽所,人防抗力等级为防核武器六

级、防常规武器六级,采取平战结合设计。 项目建筑

效果如图 1 ~ 图 2 所示。

图 1 项目建筑效果图一

图 2 项目建筑效果图二

2023 年 12 期 总第 306 期 杨 平·国能福建生产指挥中心项目不规则结构设计分析 ·59·

2 设计参数

本工程建筑设计使用年限为 50 年,建筑结构安

全等级二级,结构重要性系数 γo= 1. 0,地基基础设计

等级为甲级。

风荷载取值:基本风压按 50 年重现期取 0. 7 kN/ m

2

(承载力设计放大1. 1 倍),舒适度计算风压取0. 4 kN/ m

2

,

地面粗糙度为 B 类,风荷载体型系数1. 4。

地震场地信息:建筑抗震设防类别为标准设防类

(丙类), 设计地震分组为第三组, 设防烈度 7 度

(0. 10g),场地类别Ⅲ类,结构特征周期 0. 65 s。

基础形式:冲(钻) 孔灌注桩 + 预应力混凝土管

桩,其中冲(钻)孔灌注桩桩径 900 mm,桩基持力层碎

卵石层;预应力混凝土管桩为 PHC600 - 130 - A 和

PHC500 - 125 - AB,桩基持力层中砂层。

3 结构体系及整体计算结果

本工程上部包含 17 层的办公主楼及 6 层的裙

楼,出于建筑立面及使用功能的考虑,裙楼和主楼之

间不设置抗震缝,联合为一个结构单体。 上部建筑高

度约 74. 0 m,采用钢筋混凝土框架 - 核心筒结构,在

建筑平面外围设置钢筋混凝土框架柱,在建筑平面中

心的楼电梯间和设备用房设置钢筋混凝土剪力墙核

心筒,由核心筒和框架柱共同构成主体结构的水平抗

侧力体系,来抵抗水平风荷载及地震作用。 标准层建

筑平面如图 3 所示。

图 3 标准层建筑平面

结构整体采用盈建科(YJK) 计算程序进行多遇

地震作用下的弹性分析,并采用 Midas Gen 程序进行

对比校核。 YJK 整体计算结果如表 1 所示。

结构整体分析的计算结果均符合规范要求。 结

构自振周期前两个周期均以平动为主,第一扭转周期

与第一平动周期的比值约 0. 8,小于规范要求[1]

。

表 1 YJK 主要计算结果

总质量(t) 90934. 34

最小刚度比

X 向 1. 00 > [1. 0](20 层 1 塔)

Y 向 1. 00 > [1. 0](20 层 1 塔)

楼层受剪承载力

X 向 0. 89 > [0. 8](6 层 1 塔)

Y 向 0. 81 > [0. 8](6 层 1 塔)

结构自振周期(s)

X 1. 6089

Y 1. 7216

T 1. 3020

有效质量系数

X 向 97. 69% > [90% ]

Y 向 95. 55% > [90% ]

最小剪重比

X 向 3. 26% > [1. 60% ](3 层 1 塔)

Y 向 2. 90% > [1. 60% ](3 层 1 塔)

地震作用最大

层间位移角

X 向 1 / 1047 < [1 / 800](14 层 1 塔)

Y 向 1 / 1049 < [1 / 800](14 层 1 塔)

地震作用最大位移比

X 向 1. 13 < [1. 50](19 层 1 塔)

Y 向 1. 36 < [1. 50](6 层 1 塔)

地震作用最大层

间位移比

X 向 1. 19 < [1. 50](19 层 1 塔)

Y 向 1. 39 < [1. 50](4 层 1 塔)

刚重比

X 向 8. 11 > [1. 40]

Y 向 7. 80 > [1. 40]

4 结构设计难点问题

4. 1 跃层柱设计

主楼南侧从一层 ~ 四层为 3 层通高的大堂区域,

该侧框架柱均为 15 m 高的跃层柱,属于结构不规则

项中的局部不规则,如图 4 所示。

图 4 跃层柱示意

由于建筑效果的要求, 跃层柱截面需控制到

900 mm × 1100 mm,且建筑在跃层柱二层标高位置设

置了单悬挑 6. 6 m(不带拉杆)的钢结构雨披,跃层柱

承受了非常大的弯矩和剪力。 由于截面受限且需要

与雨披悬挑钢梁连接,跃层柱的截面形式采用了型钢

混凝土柱,通过混凝土内藏两个方向的 H 型钢来增

加跃层柱刚度,提高其抗弯和受剪的能力。

跃层柱位于底层部位,且跃层高度较高,其结构

安全度应比其他构件有所提高。 为此,对跃层柱采取

了一系列的加强设计的对策:

·60· 福 建 建 筑 2023 年

(1) 结构电算中严格按照跃层柱的实际高度

(15 m)设置各层的柱计算长度系数。

(2)跃层柱采用抗震性能化设计,达到中震抗弯

和抗剪均保持弹性。

(3)由于跃层柱在中间楼层位置没有框架梁拉结,

其刚度较小,按照结构计算分配到的地震剪力会比非跃

层柱小。 为了保证跃层柱的安全,应人为提高其剪力设

计值。 本工程要求跃层柱按照不小于非跃层柱承受地震

剪力平均值的1. 2 倍进行复核加强。 以首层柱底Y 方向

地震剪力为例,5 根跃层柱地震剪力合计 260. 2 kN,平

均 52 kN;非跃层柱地震剪力合计 8259. 6 kN,平均

206. 5 kN。 按照计算分配的剪力 52 kN 明显小于非

跃层柱的平均值 206. 5 kN。 因此,按照 206. 5 × 1. 2

= 247. 8 kN 作为跃层柱的设计地震剪力是安全的。

4. 2 楼板不连续和尺寸突变的结构设计

本工程上部一 ~ 六层设置有裙楼,出于建筑立面

及使用功能的考虑,裙楼和主楼之间不设置抗震缝,

使得结构出现了楼板不连续和尺寸突变两项结构不

规则项。 首先,裙楼各层区域均存在楼板有效宽度小

于 50% 的情况。 例如在三层裙楼与主楼间仅通过一

个 4 m 宽的连廊连接,其楼板有效宽度远小于 50% ,

属于平面不规则中的楼板不连续,如图 5 所示。 其

次,本工程裙楼高度 23. 6 m,长度 107. 7 m,主楼高度

74. 0 m,长度 47. 4 m,主楼收进位置高于结构高度的

20% 且收进尺寸大于 25% ,属于竖向不规则中的尺寸

突变类型,如图 6 所示。

图 5 楼板不连续

图 6 竖向尺寸突变

针对上述两个结构不规则项,在结构分析和抗震

构造上采取了如下措施:

(1)竖向构件收进部位楼板、连接薄弱部位的楼

板进行小震和中震工况下的楼板应力分析,按照小震

工况下楼板应力小于混凝土抗拉强度标准值、中震工

况下楼板钢筋不屈服的目标进行设计。 中震下局部

楼层的楼板应力分析如图 7 ~ 图 8 所示,各楼层按照

钢筋不屈服进行设计的结果如表 2 所示。 施工图设

计中,根据楼板应力分析结果,二 ~ 六层板配筋均采

用双层双向通长钢筋的布置形式。

图 7 X 向地震下三层楼板 X 向应力

图 8 Y 向地震下五层楼板 Y 向应力

表 2 中震楼板配筋结果

层数 楼板最大拉应力(MPa) 板厚(mm) As(mm

2

/ m) 实配钢筋

2 5. 5 150 2062. 5 12@ 100

3 6. 3 150 2362. 5 14@ 100

4 7. 9 150 2962. 5 14@ 100

5 5. 0 120 1500 10@ 100

(2)剪力墙底部加强区高度取至体型收进部位

楼面标高。 同时对底部加强区的竖向构件采取抗震

性能化设计,达到中震不屈服。

(3)根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 ( JGJ

186—2010)

[2]第 10. 6. 5 条规定,体型收进部位上、下

各 2 层塔楼周边竖向构件的抗震等级按提高一级采

用,即 7 层及以下塔楼周边一圈框架柱的抗震等级均

按照一级采用。

4. 3 大跨度楼盖设计

裙楼一层设有 19. 8 m × 20. 9 m 大报告厅,如图 9

所示,对应上部二层活动室和屋面均为无柱的大跨结

构。 由于楼层净高的要求,二层大跨位置结构梁高须

控制在 900 mm 以内。 该位置建筑功能为运动场地,

2023 年 12 期 总第 306 期 杨 平·国能福建生产指挥中心项目不规则结构设计分析 ·61·

荷载较大,再叠加大跨度,如采用传统的框架主梁结

构,900 mm 梁高无法满足受力和挠度的要求。

图 9 裙楼大跨楼盖区域

为解决结构高度的问题,该区域采用了类似空心

楼盖的双向交叉密肋梁体系(图 10),通过间距约 2 m

的双向混凝土交叉梁共同受力,减轻单根梁承受的荷

载,达到控制梁高的目的。 经计算,采用双向密肋受

力体系后,主楼和次梁的梁高均可以控制在 900 mm,

其中主梁截面为800 mm ×900 mm 和600 mm ×900 mm,

次梁截面为 300 mm × 900 mm。

该大跨结构受力体系成立的前提,是周边竖向构件

应具有足够的稳定性,因此对大跨楼盖周边的竖向构件,

进行了抗震性能化设计,达到中震不屈服的标准。

图 10 双向密肋梁体系布置图

双向交叉密肋梁体系的舒适度分析采用盈建科

楼板舒适度分析设计软件 LBSSD 进行。 分析时,按

照规范[3]中的有节奏运动类型进行验算。 分析模型

的混凝土弹性模量放大 1. 2 倍,楼盖阻尼比取 0. 06,

楼盖恒载按照下限值取 1. 0 kN/ m

2

,活载按照下限值

取 0 kN/ m

2

。 频率验算结果显示,自振模态如图 11 所

示。 大跨楼盖位置自振频率为 f

1 = 6. 70365 Hz,远大于

规范中最低值 4Hz 的要求,说明双向交叉密肋梁体系

楼盖具有一定的刚度,不容易发生激励共振。 加速度

时程分析中,有节奏运动的人群荷载取 0. 12 kN/ m

2

,在

大跨楼盖区域施加 3 阶有节奏运动的时程激励,分别

计算得到对应的峰值加速度,最终计算得到有效最大

加速度 apm = 0. 446056m / s

2

< 0. 50 m / s

2

,满足规范对

有节奏运动楼盖竖向振动有效最大加速度的要求。

图 11 大跨楼盖自振模态

4. 4 补充分析

本工程包含多项结构不规则内容,因此在结构分

析上补充进行了多遇地震作用下的弹性时程分析和

罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。

(1)多遇地震作用下的弹性时程分析

选取 2 条人工波和 5 条天然波进行分析,计算结

果满足每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于

振型分解反应谱法计算结果的 65% ,所有时程曲线

计算得到的底部剪力的平均值不小于振型分解反应

谱法计算结果的 80% 。 时程分析得到的结构位移及

楼层剪力曲线比较均匀,如图 12 ~ 图 13 所示,局部楼

层剪力大于 CQC 法的,设计中将对应楼层 CQC 法剪

力放大。

(2)罕遇地震作用下的弹塑性时程分析

采用 SAUSAGE 软件和基于显示积分的动力弹塑

性分析方法对整体模型进行弹塑性分析。 分析时连

梁刚度折减系数为 1 且不计入钢筋作用。 罕遇地震

作用选取两条天然波及一条人工波进行分析,计算得

·62· 福 建 建 筑 2023 年

图 12 弹性时程分析结构位移

图 13 弹性时程分析楼层剪力

到的基底剪力约为按规范参数线弹性多遇地震作用

下基底剪力的 4 倍左右,说明计算结果基本可靠。 三

条地震波计算得到的最大层间位移角为 1 / 106,满足

规范不小于 1 / 100 的要求。 梁墙柱等构件的性能分

析显示:底部剪力墙、筒心转角处、次梁连接处的剪力

墙破坏较严重,如图 14 所示,其余区域剪力墙轻度或

中度破坏。 作为抗震的第一道防线,分析中破坏严重

的剪力墙采取内置钢板的方式进行加强,保证罕遇地

震下截面的受剪要求。 塔楼区域框架柱轻度损坏,满

足屈服条件,作为抗震第二道防线存在一定的安全

度。 大部分框架梁轻度损坏,满足屈服条件;部分连

梁损坏较严重,作为耗能构件进入弹塑性阶段。

通过补充多遇地震作用下的弹性时程分析和罕

遇地震作用下的弹塑性时程分析,可以有效弥补 CQC

法局部楼层地震剪力计算不足的问题,同时找出了结

构的薄弱部位,对应采用加强措施。

图 14 各楼层剪力墙性能水平

5 结论

(1)对于高度较高而截面受限制的跃层柱,可采

用型钢混凝土截面进行加强,设计时应人为对跃层柱

的剪力设计值进行放大,并配合中震性能化设计,以

保证跃层柱的安全。

(2)因主楼和裙楼不设缝产生的楼板不连续和

竖向收进尺寸突变不规则,应进行楼板应力分析并指

导配筋,同时对收进部位的竖向构件进行性能化设计

并提高其抗震构造措施。

(3)两个方向尺寸接近的大跨楼盖可采用双向

交叉密肋梁体系,该体系可在保证大跨楼盖的使用舒

适度前提下,有效降低结构梁高。

(4)对于包含多个不规则项的结构,应补充进行

多遇地震作用下的弹性时程分析和罕遇地震作用下

的弹塑性时程分析。 通过小震弹性时程分析对 CQC

法计算的剪力进行放大;通过大震弹塑性时程分析保

证结构在大震下的层间位移,同时通过性能分析对重

要构件采用结构加强措施。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑抗震设计规范

(2016 年版):GB 50011—2010[S]. 北京:中国建筑工业

出版社,2016.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层建筑混凝土结

构技术规程:JGJ 186—2010[S]. 北京:中国建筑工业出

版社,2010.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑楼盖结构振动

舒适度技术标准:JGJ/ T 441—2019[ S]. 北京:中国建筑

工业出版社,2019.

2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

消能减震技术提高既有建筑结构抗震性能的设计应用

汪方羲

(福建天正建筑工程施工图审查事务有限公司 福建福州 350001)

摘 要:厦门海沧区某新近竣工办公建筑拟改造为教育建筑,抗震设防类别由标准设防类改为重点设防类。 项目采用

加设黏滞阻尼器进行消能减震加固,运用 STAWE 和 SAUSG 结构分析软件,对减震加固结构层间位移角、楼层剪力、能

量分布、结构构件损伤等抗震性能对比分析,验证了消能减震加固技术能明显改善抗震性能,降低抗震构造措施要求。

对比传统加固方式,运用消能减震技术,能有效耗散地震输入能量,且明显减少结构构件直接加固工作,具有良好的综

合效益。 本工程案例,对于类似抗震设防类别提高的加固工程,具有借鉴意义。

关键词: 既有建筑;消能减震;抗震性能分析;耗能

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0063 - 06

Design and Application of Energy Dissipation and Vibration Reduction Technology to Improve

the Seismic Performance of Existing Building Structures

WANG Fangxi

(Fujian Tianzheng Building Working - Drawing Examination Co. Ltd. ,Fuzhou 350001)

Abstract:A newly completed office building in Haicang District of Xiamen is planned to be transformed into an education building,and the

seismic fortification category is changed from the standard fortification category to the key fortification category. Using the addition of viscous

dampers for energy dissipation and seismic reinforcement,this article uses STAWE and SAUSG structural analysis software to compare and

analyze the seismic performance of the seismic reinforcement structure,such as interlayer displacement angle,floor shear force,energy distribution,and structural component damage. It is verified that energy dissipation and seismic reinforcement technology can significantly improve seismic performance and reduce the requirements for seismic construction measures. Compared with traditional reinforcement methods,the use of energy dissipation and vibration reduction technology can effectively dissipate seismic input energy and significantly reduce

the direct reinforcement work of structural components,which has good comprehensive benefits. This project case has reference significance

for reinforcement projects similar to seismic fortification category improvement.

Keywords:Existing buildings; Energy dissipation and shock absorption; Seismic performance analysis; Energy consumption

作者简介:汪方羲(1982. 12— ),男,高级工程师。

E-mail:95278984@ qq. com

收稿日期:2023 - 06 - 02

0 引言

既有混凝土结构抗震加固,传统的加固方案,

一般有增大截面法、外包型钢法、粘贴钢板法等,

基于结构构件的加固方案,通过增加结构刚度,增

大结构塑性变形和滞回耗能,以提高既有结构的

抗震性能。 消能减震技术相对传统混凝土结构加

固方 法, 对 既 有 结 构 施 工 影 响 较 小, 本 文 运 用

STAWE 和 SAUSG 等结构软件进行分析对比,验证

在既有结构中增设消能减震单元,能在不显著改

变既有结构自振周期同时,显著增加结构阻尼耗

能,减轻地震作用下既有主体结构的损伤程度,降

低抗震构造措施要求,为提高既有建筑抗震性能

提供了一种新的选择。

1 工程概况

既有建筑厦门某公共服务中心 4#办综合楼位于

厦门市海沧区,于 2017 年完成施工图设计,并开始施

工, 2023 年 3 月完成竣工验收。 项目鸟瞰如图 1 所

示,建筑面积 15 774 m

2

,地下 1 层,地上 13 层,底部

两层为商业裙房,主楼平面规则,标准层截面尺寸为

42 m × 27 m,层高 5. 2 m 及 3. 6 m,建筑高度 59. 4 m。

项目结构形式为现浇混凝土框架剪力墙结构。

原设计建筑抗震设防类别为丙类,建筑结构设计使用

年限为 50 年,安全等级为二级,抗震设防烈度为 7

度,设计基本地震加速度为 0. 15 g,设计地震分组为

第二组,场地类别为Ⅱ类,设计特征周期为 0. 40 s。

·64· 福 建 建 筑 2023 年

图 1 项目鸟瞰效果图

经主管部门批准,项目建筑功能拟由商业办公变

更为中学教育用房,主楼上部各层由办公管理用房改

为教室及教研室。 功能改变后,建筑结构抗震设防类

别由丙类调整为乙类,安全等级由二级调整为一级,

主要结构设计参数变化对照如表 1 如示。

表 1 改变结构主要设计参数变化对照

参数类别 建造时取值 改造后规范取值

设计楼面活荷载

商业 3. 5 kN/ m

2

,

配套 3. 5 kN/ m

2

教室 2. 5 kN/ m

2

,

教研室 2. 5 kN/ m

2

荷载分项系数

恒载分项系数 1. 2,

活载 1. 4

恒载分项系数 1. 3,

活载 1. 5

地震作用分项系数 GB50011—2001 取1. 3 GB55002—2021 取 1. 4

结构重要性系数 1. 0 1. 1

结构抗震等级 框架三级,剪力墙二级 框架二级,剪力墙一级

2 既有结构鉴定及加固思路

2. 1 结构鉴定验算

本工程为新近竣工建筑,验收档案及设计资料完

整齐全。 竣工验收资料表明,钢筋混凝土实际材料强

度的推定值满足设计图纸强度等级要求,构件截面尺

寸及钢筋配置与设计图纸一致。 由加固设计单位按

改造后使用工况,对既有建筑进行结构鉴定,建筑后

续工作年限取 50 年,按“既有建筑鉴定与加固通用规

范”中 C 类建筑依据现行结构设计标准,进行抗震鉴

定验算。 结构验算结果表明,原有设计楼面荷载留有

余量,既有建筑改造后,基础承载力及变形满足设计

要求;结构规则合理,上部结构多遇地震作用下主要

设计指标如表 2 所示,基本满足现行规范要求[1]

。

表 2 结构计算结果信息表

工况

位移

最大层间位移角

(CQC)

最大扭转位移比

(CQC)

X ± 5% 偶然偏心地震力 1 / 1078 1. 05

Y ± 5% 偶然偏心地震力 1 / 1288 1. 07

结构自振周期

第一平动周期

(平动系数)

1. 7069(0. 98)

第二平动周期

(平动系数)

1. 5005(0. 62)

扭转周期

(扭转系数)

1. 4907(0. 60)

Tt / T1 0. 836

本工程除少量构件承载力不足外,主要存在结构

问题,因抗震设计等级提高,既有结构必要的抗震延

性构造措施不足。 具体表现如下:

(1)大量梁柱节点等处混凝土结构构件,纵向受

力钢筋抗震锚固长度不足;

(2)底部二层局部框架柱轴压比大于 0. 85,不符

合抗震二级构造要求;

(3)底部二层剪力墙局部约束边缘构件,竖向钢

筋配筋率小于 1. 2% ,如图 2 所示,多处约束边缘构件

箍筋沿竖向间距大于 100;上部多处构造边缘构件箍

筋沿竖向间距大于 150,不满足抗震一级构造要求。

图 2 局部墙柱抗震构造不足平面示意

(4)抗震等级提高,使地震作用效应调整系数提

高,导致部分梁柱节点构件配筋不足。

2023 年 12 期 总第 306 期 汪方羲·消能减震技术提高既有建筑结构抗震性能的设计应用 ·65·

2. 2 加固方案对比

根据上述复核结果,为使既有结构满足现行规范

抗震性能要求,传统的主要加固内容有:底部多处框

架柱增大截面加固。 大范围梁柱节点外包型钢加固

处理、多处剪力墙增大截面局部外包型钢。 此加固方

案实施不利影响较大,如工期长,计划半年内完成改

造施工难度很大;竖向构件增大截面,对建筑平面影

响较大;刚度增加,地震力加大,增加自重较多,相应

基础应进行复核加固;湿作业多,对中部剪力墙公共

区域已装修墙地面破坏极大。 故传统加固方案实施

难度较大。

作为对比,如采用外加消能减震阻尼器,加固方案

主要特性对比如表 3 所示。 附加消能减震部件仅提供

附加阻尼,不会增加既有结构的刚度,增大地震作用。

依据规程[2] 及参照相应工程安全[3 - 4]

,仅需要对与附

加消能减震部件相连构件进行加固,可不破坏已装修

区域,极大减少对结构构件的直接加固工作量。

表 3 加固方案对比总结

加固方案 施工影响 加固范围 经济性

传统方案 难度大,工期长 大面积竖向构件及梁柱节点 一般

减震方案 难度一般,工期短 消能子结构周边梁柱构件 优

因此,本工程减震加固方案目标,为通过既有结

构周边框架,设置一定数量的黏滞阻尼器,使其在小

震作用下即开始耗能,提高多遇地震作用下抗震性能

指标;加固后,结构罕遇地震下最大层间位移角满足

《消能减震加固技术规程》(以下简称“减震规程”)第

6. 3. 6 条要求,则可按常规设计的有关规定降低 1 度。

即加固后结构抗震性能明显提高,改变使用功能后,

可不提高既有结构抗震措施等级要求。

3 消能减震加固方案设计

3. 1 阻尼器布置及初步设计

本项目加固后,明显提高结构整体综合抗震性能,

将降低构件层次抗震构造措施要求,确定为加固实施

思路。 初步设计以加设阻尼器后结构层间最大位移角

为主要判断指标,建筑结构整体抗震性能满足“抗规”

附录 M 中性能3 要求。 也即多遇地震下小于1 / 800,设

防地震下小于 1 / 400,罕遇地震下小于 1 / 200。

依据设计规范及相应文献研究成果[5 - 7]

,项目按

布置于层间位移相对较大楼层,布置宜以结构主轴动

力特性相近、竖向刚度均匀的原则,设置速度型黏滞

阻尼器。 阻尼器阻尼系数为 600 kN/ (m / s)

a

,最大阻

尼力为 400 kN,阻尼指数为 0. 30。 为满足建筑功能

要求,进行多次位置优化调整,确定于一 ~ 三层外侧

布置人字撑式阻尼,四 ~ 十层布置墙式阻尼,类型及

布置图如图 3 ~ 图 4 所示。

图 3 减震阻尼器类型及整体布置图

图 4 减震阻尼器平面布置示意

·66· 福 建 建 筑 2023 年

初步设计运用 STAWE 软件,进行多遇地震及罕

遇地震工况计算,采用振型分解反应谱法对,比分析

既有结构(无控模型) 与加固后结构(减震模型),复

核层间位移角是否满足预期减震目标,结构计算层间

位移角对比如表 4 所示。 结果表明,建筑附加阻尼器

基本不改变结构周期,即能在不增加结构刚度的同

时,有效减少结构变形。 罕遇地震工况下最大层间位

移角为 1 / 211 小于 1 / 200,阻尼器布置达到既定减震

性能目标,混凝土主体结构可按原设计剪力墙二级、

框架三级的抗震措施等级要求,进行加固验算。

表 4 反应谱法层间位移角及周期对比

对比指标 无控模型 减震模型

多遇地震 X 向位移角 1 / 1078(6 层) 1 / 1332(6 层)

多遇地震 Y 向位移角 1 / 1288(10 层) 1 / 1389(10 层)

罕遇地震 X 向位移角 1 / 163(6 层) 1 / 211(6 层)

罕遇地震 Y 向位移角 1 / 196(10 层) 1 / 214(10 层)

第一平动周期(S) 1. 7069(X 向) 1. 7068(X 向)

3. 2 抗震时程计算及位移分析

项目运用 SAUSG 非线性结构分析软件,进行多遇

地震和罕遇地震工况下的模拟动力响应分析。 抗震时程

分析计算时,地震波采用软件自带的 5 条天然波

(TH003、TH007、TH015、TH067、TH078) 和 2 条人工波

(RH3、RH4)进行计算。 多遇地震下底部剪力及与反应

谱法对比,如表 5 所示,时程曲线计算结果表明,底部剪

力最小值及平均值满足“抗震规范“要求,地震波选择

合理。

由表 5 弹性时程分析法补充计算结果可知。 减震

加固后,多遇地震下最大层间弹性位移角小于 1 / 800,

满足减震设计性能化目标要求,且有较大余量。 进行

罕遇地震下弹塑性时程分析,对比无控模型 X 向最大

层间位移角 1 / 190,减震模型 X 向最大层间位移角为

1 / 220(RH3 地震波),小于 4 倍弹性层间位移角限值,

加固后满足既定“抗震性能 3”整体结构变形要求。 依

据相关规范说明,罕遇地震作用下,加固后结构的破坏

级别属于中等损坏级别,采用一般修理后仍可使用。

表 5 弹性计算基底剪力与最大位移角对比

地震波 X 向(kN) Y 向(kN) X 向位移角 Y 向位移角

TH003 6596. 4 5792. 4 1 / 2481 1 / 3236

TH007 5815. 5 6850. 6 1 / 2270 1 / 2697

TH015 7783. 8 9417. 3 1 / 1353 1 / 1332

TH067 5384. 5 6710. 0 1 / 1684 1 / 1625

TH078 5681. 5 9485. 3 1 / 2508 1 / 1804

RH3 6460. 2 10090. 1 1 / 1937 1 / 1944

RH4 6114. 3 8645. 7 1 / 1647 1 / 1627

平均值 6262. 4 8113. 0 — —

CQC 法

(减震)

8207. 7 9237. 1 1 / 1332 1 / 1389

3. 3 耗能对比分析

对既有建筑,地震作用输入到结构中的能量 E,近

似等效于结构自身阻尼耗能 ED与变形滞回耗能 Ep之

和。 增设阻尼器一般不显著改变结构自振周期,在动

震能量 E 未显著改变时,增设阻尼器显著增加阻尼耗

能,使得既有结构的变形滞回耗能 Ep 需求减少,能显

著降低既有结构所承受的地震力,减轻抗震结构损伤。

项目在地震波 RH3 小震作用下的耗能时程图,

如图 5 所示。 计算结果表明,小震作用下,结构的变

形耗能占比极小,弹塑性变形耗能占比不足 1% ,结

构基本处于弹性变形状态。 附加速度型阻尼器在多

遇地震发生时,与既有结构自身共同发挥耗能作用。

以 X 向为例,其提供的附加等效阻尼比为 5. 2% ,附

加阻尼器耗能占比最大约 47. 4% 。

图 5 小震减震结构模型 X 向能量时程图

图 6 大震既有结构模型 X 向能量时程图

既有结构和减震结构大震作用下的耗能时程对

比,如图 6 ~ 图 7 所示。 大震工况作用输入能量约为

小震工况的 6. 5 倍。 在地震波输入初期,大部分地震

能量由结构自身的阻尼耗能承担。 在结构变形逐步

增大超过结构弹性变形应变限值后,结构变形耗能比

例逐步增大。 在塑性变形耗能达到一定程度后,结构

破坏严重。 减震模型加设阻尼器后,对比既有结构,

2023 年 12 期 总第 306 期 汪方羲·消能减震技术提高既有建筑结构抗震性能的设计应用 ·67·

总地震力输入能量及既有结构阻尼耗能峰值基本不

变,但阻尼器能较大程度耗散地震能量,有效降低结

构变形耗能,减少构件震损比例(详见 4. 4 节构件性

能化评估),从而保护既有主体结构。 X 向提供的附

加阻尼器耗能占比,最大约 16. 5% 。

图 7 大震减震结构模型 X 向能量时程图

3. 4 罕遇地震构件损坏对比分析

混凝土构件性能评价,是建筑结构抗震弹塑性分

析的重要内容。 基于不同的文献研究及标准规范,构

件性能评价及构件震后损坏的划分标准,各有不同。

如相应文献[8]提出参照钢筋混凝土本构规定,以构

件钢筋塑性应变水平(钢筋塑性应变与屈服应变比

值)、构件混凝土受压及受拉损伤因子(损伤刚度退

化)进行构件性能评价。 国家标准《建筑消能减震加

固技术标准(征求意见稿)》 (简称“减震加固标准”)

提出,通过建筑构件反弯点位移计算构件受力变形,

计算中、大震作用下弹塑性计算的构件变形,以结构

构件的受力位移角,来划分判断构件损坏程度。 项目

参照行业标准《建筑结构非线性分析技术标准》 ( T /

CECS 906—2021)及“减震加固标准”,以混凝土压应

变与峰值应变比值 ε / ε0及钢筋应变与屈服应变比值

ε / εy为各性能水平的下限值进行构件性能评价,将构

件变形性能划分为如图 8 所示共 6 个等级,在 SAUSG

软件中,进行大震作用下既有结构与减震结构构件损

坏性能对比分析。

图 8 构件损坏标准划分

进行大震弹塑性时程分析。 既有结构模型及减

震模型在七组时程曲线平均值下,构件损坏程度如图

9 ~ 图 11 所示,两计算模型一 ~ 十层剪力墙间连梁均

出现重度损坏。 未加设黏滞阻尼器的既有结构模型,

在大震下塑性发展明显,底部三层剪力墙构件出现损

坏严重。 作为对比,减震模型整体无出现严重损坏,

底部剪力墙最大仅为中度破坏状态,且上部各层剪力

墙构件损坏程度明显减小。 大部分框架梁及框架柱

处于轻度破坏状态,中度损坏区域主要出现在与阻尼

器相连梁柱周边。 对比既有结构,减震加固能明显减

少中度及以上震损构件数量,有效避免主体结构构件

塑性的阶段发展程度。

图 9 既有结构模型构件震损示意

图 10 减震模型构件震损示意

·68· 福 建 建 筑 2023 年

图 11 构件损伤程度及数量对比

3. 5 子结构分析设计

消能子结构,为直接与消能减震部件直接相连的

主体结构单元。 依据“减震规程” 要求,子结构中的

梁、柱和墙构件,宜按重要构件设计,保证子结构构件

不先于阻尼器发生破坏,规范仅给出原则性的规定,

且过度加强子结构,将使地震能量集中到加强的构件

上,从而影响阻尼器变形耗能。 故子结构设计应依据

项目情况,做进一步细化分析。

项目一 ~ 三层设置人字形支撑阻尼器,减震消能

构件直接与上下楼层的梁柱主体结构相连接,和子结

构基本构成并联关系。 子结构的大震性能只需满足不

产生严重破坏,即可不会降低阻尼器的有效变形耗能。

由上一节分析表明,既有结构震大震震损性能已满足。

四 ~ 十层设置墙式支撑阻尼器,层间变形通过子结构

框架梁的弯曲变形,间接传递给减震构件。 子结构和

消能部件基本构成串联关系,四层阻尼器因建筑功能

限制上下位置不统一,受力情况类似,此类子结构的损

坏将大大降低阻尼器的有效变形,甚至失效。

因此,施工图设计将消能子结构框架梁、柱抗震构

造措施等级加强为二级,子结构框架柱按中震弹性,框

架梁按中震不屈服进行计算。 对四至十层及上下位置

不统一的连接转换区域,提取子结构构件在罕遇地震

作用下的内力,按材料强度极限承载力确定配筋值。

消能子结构由计算配筋对比,既有结构配筋差值确定

梁、柱粘钢加固的具体尺寸和数量,用于加固设计。

4 结语

既有建筑改造,抗震等级、设防类别等抗震相关

参数改变,需大幅提升结构抗震性能水准要求。 本文

以厦门某新近竣工的既有办公建筑改造为教学用房

作为典型工程背景,通过加设黏滞阻尼器后结构层间

位移角、基底剪力、能量分布、结构构件损伤等抗震性

能对比分析,验证其抗震加固效果。

通过计算分析可知,采用消能减震加固技术替代

传统加强既有结构的加固方法,不仅能大幅降低既有

结构自身承受的塑性变形滞回耗能,抗震性能大幅提

升,同时改善抗震性能使抗震构造措施要求降低,避

免大范围加固,具有良好的综合效益。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑抗震设计规范

(2016 年版):GB 50011—2010[S]. 北京:中国建筑工业

出版社,2016.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑消能减震技术

规程: JGJ 297—2013 [ S]. 北 京: 中 国 建 筑 工 业 出 版

社,2013.

[3] 关宇. 消能减震加固技术在既有建筑改造工程中的应用

[J]. 建筑结构,2023(4):90 - 94.

[4] 赵欣,祁皑,商昊江. 速度型减震技术在抗震水准提高的

改造工程中的应用[ J]. 福州大学学报(自然科学版),

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[5] 刘涛,刘振文,胡雪瀛,等. 消能减震技术在某社区卫生

服务中心抗震加固中的设计应用[ J]. 建筑结构,2022

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[6] 王四清,陈宇,艾辉辉,等. 基于性能的既有建筑防屈曲

支撑抗震加固设计[J]. 建筑科学与工程学报,2021(3):

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[8] 上海现代建筑设计有限公司技术中心. 动力弹塑性时程

分析技术在建筑结构抗震设计中的应用[M]. 上海:上

海科学技术出版社,2013.

2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

边坡支护工程中针对性设计应用探析

黄智文

(福建省华厦能源设计研究院有限公司 福建福州 350003)

摘 要:针对我国南平市延平区某大型项目开发中的典型边坡支护施工项目,在分析其工程特点的基础上,基于 Midas

数值模拟,进行三维有限元分析,精准获得现状边坡的最不利位置,针对性设计其边坡支护方案,以达到合理设计以及

优化造价的目的。 结合监测数据表明,项目设计方案选型合理,能较好地控制变形。 通过实测值与模拟值的对比,验

证了数值模拟以及边坡支护方案的有效性。

关键词: 边坡支护;数值模拟;变形监测;针对性设计;信息化施工

中图分类号:TU47 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0069 - 05

Analysis on The Applications of Targeted Design in Slope Support Engineering

HUANG Zhiwen

(Fujian Huaxia Energy Design and Research Institute Co. ,Ltd,Fuzhou 350003)

Abstract:Aiming at a typical slope support construction project in a large - scale project development in Yanping District,Nanping City,

China,based on the introduction of its engineering characteristics,a three - dimensional finite element analysis based on Midas numerical

simulation was carried out to accurately obtain the most unfavorable position of the existing slope,and the slope support scheme was designed in a targeted manner in order to achieve the purpose of reasonable design as well as optimization of the cost. Combined with the monitoring data,this project shows that the design scheme is reasonable and can better control the deformation. The comparison of measured and

simulated values verifies the validity of the numerical simulation and the slope support scheme. Also demonstrates the feasibility of the design process of simulating first and then designing in the case demonstration,improved the accuracy of the design,reduced engineering

costs,and increased the rationality of the design scheme. Provide reference for similar slope treatment design.

Keywords:Slope support; Numerical simulation; Deformation monitoring; Targeted design; Informationized construction

作者简介:黄智文(1977— ),男,高级工程师。

E-mail:316503290@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 06

0 引言

随着城市化进程加速,在追求广度延展的同时,

也向着更深的维度发展。 在山地城镇建设的过程中,

城市的发展,与山地土地资源的开发利用密不可分。

因此,对边坡支护的设计与施工提出了更高的要求。

近年来,基于工程实例应用的边坡支护设计问

题,逐渐引起研究界的关注。 大量研究者针对这一课

题开展了不同方向的研究。 有些学者认为在复杂地

质条 件 下, 边 坡 设 计 及 建 造 具 有 充 分 的 研 究 价

值[1 - 2]

;另一些学者认为,在边坡工程中开展新技术

的研究与应用,能够将研究价值与工程实际意义紧密

联系起来[3–5]

。 而从工程造价的角度进行边坡优化

设计,是一个具有显著现实意义的研究方向[6 - 7]

。

本文以南平某边坡支护工程为例,探讨在边坡施

工过程中,动态设计与优化对边坡支护的影响。

1 工程概况

1. 1 场地概况

拟建场地位于福建省南平市延平区,工程地理位

置及周边环境见图 1,其中场地西侧及北侧为山体,

南侧为目前空地。 本工程项目旨在精准捕捉边坡不

利条件的基础上,针对性完成场地的边坡支护工作。

根据总平规划,边坡坡脚地面设计标高为 119. 5 m ~

122. 5 m,边坡支护高度约为 2. 80 m ~ 60. 4 m,坡体已

基本开挖。

项目周边环境相对复杂,北侧边坡为自然边坡,植

被茂密,坡度较缓,现状相对稳定,对建筑场地安全影

响不大;场地东侧为紧邻市政道路的山体结构,在施工

阶段对东侧山体进行了分级放坡,暂未采取其他支护

措施。 场地西侧区域山坡坡脚已进行人工分级切坡,

后期场地施工时将继续对局部山体进行开挖切坡,以

满足场地建(构)筑物的建设用地需要。 场地南侧计划

与南平汽车客运中心站边坡(已进行支护)相连。

本边坡设计使用年限为 50 年,边坡工程安全等

级为一级。 由于周边项目已出现少量冲沟及崩塌破

·70· 福 建 建 筑 2023 年

坏情况,因此,本工程边坡支护设计及施工过程中,需

严格控制边坡变形。

图 1 地理位置示意图

1. 2 边坡地质概况

拟处理边坡岩土层除表层的素填土外,第四系地

层主要为坡积粉质粘土等,下部为云母片岩及其风化

物。 岩土层自上而下可划分为素填土、坡积粉质粘

土、强风化云母片岩(砂土状)、强风化云母片岩(碎

块状)和中 - 微风化云母片岩共计 5 层。 典型地质剖

面如图 2 所示,主要土层物理力学性质指标如表 1

所示。

图 2 典型地质剖面图

表 1 土层物理力学性质指标

层号 岩土名称

天然重度

(kN/ m

3

)

饱和重度

(kN/ m

3

)

粘聚力(kPa) 内摩擦角(°)

天然 饱和 天然 饱和

承载力

特征值

(kPa)

岩土体与

锚固体极限

粘结强度

f

rbk (kPa)

岩土对挡

墙基底摩

擦系数

1 坡积粉质粘土 17. 7 18. 0 19. 8 18. 7 17. 52 15. 61 170 40 0. 25

2 强风化云母片岩(砂土状) 20. 0 21. 0 (35) (32) (28) (25) 380 90 0. 45

3 强风化云母片岩(碎块状) 21. 0 22. 0 (60) (55) (30) (28) 480 150 0. 55

4 中 - 微风化云母片岩 26. 1 26. 5 (150) (32) (130) (30) 2200 200 0. 65

注:表中参数取自本项目岩土工程勘察报告,()内为经验值。

2 边坡工程现状模拟及支护方案

2. 1 边坡工程特点

本边坡支护高度约为2. 8 m ~ 60. 4 m,周边环境

条件较复杂,边坡工程安全等级定为一级。 本工程

具有以下特点:

(1)由于坡面的植被遭受破坏较严重,在雨水

冲刷作用下造成坡面水土流失,形成大规模的小冲

沟,如图 3 所示。

图 3 坡面雨水冲蚀

(2)由于坡脚开挖,使得边坡形成陡斜的外倾

临空面,在裂隙水的作用下诱发崩塌现象。 在工程

建设过程中,边坡局部已发生小型崩塌,崩塌物体积

约为 1 m

3

,如图 4 所示。

(3)经测量,边坡岩体节理裂隙均与边坡倾向

斜交,接触面均产生了不同程度的风化现象,场地风

化岩裂隙以中倾角和陡倾角为主。

图 4 坡面崩塌现象

2. 2 边坡现状三维地形模拟

由上述边坡现状可知,边坡现状基本稳定。 但

是,仍有在极端雨水天气情况下产生破坏的风险。

2023 年 12 期 总第 306 期 黄智文·边坡支护工程中针对性设计应用探析 ·71·

因此,针对该边坡现状及地层实际情况,采用 Midas

有限元分析软件对该边坡建立三维数值模拟模型,

以期准确捕捉边坡中易破坏的风险点,并进行有针

对性的加固。

建立的三维数值模型如图 5 所示,模型长 320 m,

宽240 m,高200 m,采用各层参数选自于表 1。 出于

模型尺寸以及边界效应考虑,表层坡残积土层由于

埋深较,模型尺寸较薄,因此,与砂土状强风化层合

并为同一土层考虑。 基于最不利原则,合并的土层

参数与坡积粉质粘土层一致。

图 5 边坡现状三维数值模拟模型

采用强度折减法计算的安全系数为 1. 10,说明

边坡现状稳定;但是在极端暴雨作用下,边坡土体稳

定性会产生一定程度的降低,边坡具有破坏的风险,

仍需支护加固。 最终计算获得的边坡失稳状态下位

移云图如图 6 所示,该云图揭示了边坡失稳时各位

置的位移情况,在位移最不利位置即场地西侧,需进

行重点设计。

图 6 边坡失稳状态下位移云图

2. 3 边坡支护方案的针对性设计

在常规的边坡支护方案设计中,数值模拟往往

是用于检验方案可靠性的一种手段。 而在本案例的

设计过程中,由于边坡已进行了人工修坡,局部存在

塌方现象,且待支护区域高低、坡率起伏大。 原方案

拟整体采用锚索框架网格梁支护,综合造价较高,对

北侧较稳定的边坡区域未进行优化设计,存在较大

的安全冗余。 因此,本案例结合实际情况,以数值模

拟结果为导向,采用针对性设计的方法,根据模拟计

算结果,对边坡进行优化设计。 拟定的边坡支护方

案如下:

(1)场地北侧局部较低矮位置,采用浆砌毛石

挡土墙,挡土墙高度 3 m,高度超过 3 m 区域则采用

锚杆框架梁。

(2)场地西侧位置为模拟计算揭露的位移最大

范围,目前已进行了人工分级切坡;为满足坡脚建筑

用地需要,仍需对局部边坡进行重新切坡。 切坡后,

边坡呈上缓下陡形态,边坡失稳风险陡增,因此,需

对该侧进行重点支护与针对性设计。 切坡后,边坡

高度最高 60. 4 m;拟采用绿化护坡 + 窗格间植草防

护,并结合框架 - 锚索(杆)支护。

(3)场地西南侧边坡高度约 12. 4 m ~ 25. 4 m,

支护采用下级喷射混凝土面板 + 锚(索) 杆框架 +

窗格间植草支护。

(4)边坡顶部设置顶梁、截水沟,同时设置安全

防护栏杆及安全网等安全防护措施,坡脚设置排

水沟。

边坡支护结构平面及典型支护剖面如图 7 ~ 图

8 所示。

图 7 边坡支护结构平面图

图 8 场地西侧边坡典型支护剖面图

·72· 福 建 建 筑 2023 年

3 现场实测数据分析

在边坡支护施工过程中,边坡支护结构的布设、

土体位移等存在较强的相关性。 做好监测工作,能

够合理地在开挖过程中控制土体位移潜力,从而达

到合理施工,确保安全,最大限度保护相关方面利益

的目的。

3. 1 场地各区域边坡位移监测

场地各区域边坡位移监测数据显示,最大累计

位移量在 4. 6mm ~ 10. 8 mm,各监测点的最大位移

速率在 0. 1 mm / d ~ 0. 2 mm / d,各监测点的最大累计

位移量均在设计预警值范围内。 其中,累计位移量

的最大值对应测点为 C44,位于场地西侧,最大位移

位置与模拟计算的结果贴近,边坡各测点的对比如

图 9 所示,各监测点对应的施工工况如表 2 所示。

针对测点 C44,最大累计位移量的增长,相比其余各

点位十分明显,在监测时间点 T7 时发生大幅度增

长,在 T11 时,增长为峰值 10. 8 mm。

表 2 监测时间点对应的施工工况表

监测时间点 工况

T0、T1、T2、T3 第一级台阶施工

T4、T5、T6、T7 第二级台阶施工

T8、T9 第三级台阶施工

T10、T11 第四级台阶施工

T12 绿化及截排水沟施工

图 9 场地各区域边坡位移值比较

由监测结果可见,西侧边坡位移,在第四级台阶

施工工况( T10) 处产生了较大的位移突变,后续趋

于稳定。 第四级台阶即对应模拟计算结果中位移最

大的位置,侧面说明了模拟→针对性设计→重点关

注施工,这一流程的可行性以及重要性。

3. 2 边坡西侧土体位移监测

由场地各区域边坡位移监测结果可知,最大累

计位移量的最大值对应的测点为 C44,点位在场地

西侧,与边坡现状三维地形模拟计算获得的边坡潜

在风险区域重合。 选取点位 C44 中 5 种典型监测时

间点的累计变化值,绘制深度 - 累计变化值,如图

10 所示。 由监测结果可知,边坡西侧各时段最大位移

在5. 4 mm ~10. 8 mm,各监测点的最大位移速率在 -

0. 2 mm / d ~ 0. 2 mm / d,各监测点的最大累计位移量

和位移速率均在设计预警值范围内。

监测结果同样揭示了边坡在第四级台阶施工工

况(T11)时,产生了位移陡增的现象,在 T12 时位移

有所回落。 且需要重点关注的是,各时段的位移曲

线除坡顶位移较大以外,在地表以下 10 m 深度的位

置也存在有位移尖点,说明该处可能为该案例潜在

的滑移面。

图 10 深层土体侧向位移的最大值点位

4 结论

针对本高边坡支护设计案例,结合数值模拟和

边坡监测数据,本文提出了一种先模拟后设计,根据

模拟获得的结果,对最不利位置进行针对性设计、保

护性施工的思路,总结如下:

(1)根据边坡性状与工程需求,拟采用预应力

锚索框架网格梁。 边坡监测数据显示,深层土体水

平位移等变形数据均未超过报警值,边坡施工过程

中变形得到了有效控制。 (下转第 107 页)

2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

考虑桩土共同作用的基础设计探析

林 航

(福州市建筑设计院有限责任公司 福建福州 350011)

摘 要:传统观点认为,桩土共同作用需按照桩土变形协调原则,确定桩土的应力分配。 但桩与土的变形计算极为困

难,设计难度极大。 桩与土的应力分配变化,是整个复合桩基的内力调整,也是桩土间安全储备的转移,其对复合桩基

的承载能力并无影响,仅影响沉降量。 在控制复合桩基总安全度和变形前提下,桩土共同作用无需考虑桩土变形协

调,按强度和变形双重控制进行桩基设计,并应用于工程实践,取得良好的经济效益。

关键词: 桩土共同作用;变形协调;复合桩基;安全储备;桩基设计

中图分类号:TU47 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0073 - 04

Analysis of Foundation Design for Considering the Pile - Soil Interaction

LIN Hang

(Fuzhou Architectural Design Institute Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350011)

Abstract:The traditional view holds that the pile - soil interaction requires the determination of stress distribution between piles and soil

based on the principle of pile soil deformation coordination,and the calculation of pile soil deformation is extremely difficult,making the design extremely difficult. The change in stress distribution between piles and soil is the internal force adjustment of the entire composite pile

foundation and the transfer of safety reserves between piles and soil. It does not affect the bearing capacity of the composite pile foundation,

only affects the settlement amount. Under the premise of controlling the overall safety and deformation of composite pile foundations,the interaction between piles and soil does not need to consider the coordination of pile soil deformation. Pile foundation design is carried out

based on dual control of strength and deformation,and applied to engineering practice,achieving good economic benefits.

Keywords:Pile - soil interaction; Deformation coordination; Composite pile foundation; Safety reserves; Pile foundation design

作者简介:林航(1985. 3— ),男,高级工程师。

E-mail:171878663@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 20

0 引言

天然地基作为传统基础形式,具有经济、施工方

便、快速、环保等优点。 在地质状况不佳,或虽然土质

条件较好,但建筑高度过高、上部荷载过大时,天然地

基在承载力和变形无法满足要求,于是桩作为一种分

担荷载和控制沉降的手段,在工程上得到广泛的应

用。 桩基具有承载力高、地基变形小等优点,但桩基

也存在未能充分利用承台下土的承载力的缺点,造成

桩基造价过高。 因此,将桩基和天然地基有机结合在

一起,桩土共同作用,发挥两者的优势,共同承载上部

结构荷载,是一种更优的选择。

1 工程和地质概况

本工程位于宁德市蕉城区,拟建建筑为高层商业

综合楼,地上 21 层,地下 2 层,建筑高度 97. 00 m,采

用框架剪力墙结构。 建筑效果图如图 1 所示。

图 1 建筑效果图

拟建场地位于三都 - 松溪北西向构造带中,根据

区域地质资料,自全新世以来,未发现新的活动性断

·74· 福 建 建 筑 2023 年

裂及构造。 根据福建省区域地质资料,场地内无活动

断裂,区域构造稳定性相对稳定。

勘察场地的地层主要由杂填土①、淤泥质粘性土

②1、粉质黏土②2、中砂②3、卵石②4、残积砂质黏性

土③、全风化花岗岩④1、散体状强风化花岗岩④2、碎

裂状强风化花岗岩④3 及中风化花岗岩④4 组成。 场

地主要土层物理力学参数如表 1 所示。 根据勘察报

告,场地地质条件良好,典型地质剖面如图 2 所示。

地下室底板位于②4 卵石层,②4 卵石的重型动力圆

锥触探试验实测击数为 11 ~ 50 击,经修正后,标准值

为 20. 7 击,力学性能好。

表 1 主要土层物理力学参数

承载力特

征值 fak

(kPa)

极限侧阻力

标准值 qsik

(kPa)

极限端阻力

标准值 qpk

(kPa)

杂填土① 80 25

淤泥质粘性土②1 45 20

粉质黏土②2 120 40

中砂②3 140 35

卵石②4 320 160

残积砂质黏性土③ 200 70 2300

全风化花岗岩④1 280 80 4600

散体状强风化花岗岩④2 400 120 7500

碎裂状强风化花岗岩④3 550

中风化花岗岩④4 2000

图 2 典型地质剖面

2 基础设计方案选用

该楼栋建筑物平面面积约 1200 m

2

,标准层结构

平面图如图 3 所示。 上部结构传至基础的荷载标准

值为 590 000 kN,折算成基底压力约 490 kPa。 根据

地勘报告,经深度修正后,基底卵石层的承载力特征

值为400 kPa,该工程天然地基(筏板基础)不能满足

设计要求。

图 3 标准层结构平面图

2. 1 常规桩基础

常规桩基础,即基础设计不考虑承台底的卵石层

的承载能力,上部结构的荷载全部由桩基础承担。 该

方案未能利用力学性能极好的卵石的承载能力,根据

规范[1 - 2]提供的方法进行设计,基础造价较高,故不

采用。

2. 2 考虑桩土共同作用的桩基础

本工程若采用冲(钻)孔灌注桩,由于是取土桩,

如果取全风化和强风化花岗岩作为持力层,承载力较

低。 只能取碎块状强风化或中风化岩,作为持力层才

能满足设计要求,碎块状强风化埋深极深,根据剖面,

有效桩长接近 50 m,一方面工期长、造价高,另一方

面桩长太长,桩底清渣较难控制,桩底沉渣厚度对桩

的沉降影响较大,桩基总沉降量桩自身的压缩量和桩

端刺入量的总和,同一个承台不同桩沉降差异过大,

桩土共同作用无法实现。 本工程场地散体状强风化

花岗岩的土质均匀性较好,岩土层力学性质良好,承

载力较大,相同桩顶压力时,不同桩的沉降差异较小。

综上,本工程桩基采用管桩,持力层采用散体状强风

化花岗岩,静压施工。

散体状强风化强度基础设计方案,采用高强管桩

PHC600(特征值 3400 kN)和高强管桩 PHC500(特征

值 2500 kN)进行比选。 由于本工程上部结构柱网较

大,上 部 荷 载 重, 柱 底 力 较 大。 当 采 用 高 强 管 桩

2023 年 12 期 总第 306 期 林 航·考虑桩土共同作用的基础设计探析 ·75·

PHC500 时,柱墙下桩数较多,桩离竖向构件距离远,

力臂大,承台的弯矩大,承台的混凝土用量、钢筋用量

大。 采用高强管桩 PHC600 时,桩的数量减少较多,

桩离竖向构件距离近,力臂小,承台弯矩小,承台混凝

土用量、 钢 筋 用 量 小。 经 比 较, 本 工 程 基 础 采 用

PHC600 高强管桩的造价和工期,均低于 PHC500 高

强管桩,故基础选用 PHC600 高强管桩。

3 考虑桩土共同作用的基础设计

考虑桩土共同作用的基础,荷载不仅由桩承担,

承台底的地基土也承担一定的荷载。 桩与土的应力

分配是设计的关键所在。 目前的主流观点,是按桩土

变形协调原则[6]

,按该理论,桩土的变形计算是一项

极为复杂的工作。 首先,地基模型的选择极为困难,

任何一种模型均无法对土进行准确的模拟;其次,计

算中所应用的土的参数也无法精确获取。 目前获取

土层参数的室内土工试验和现场原位测试,均有无法

克服的局限性,室内土工试验中土样的取样过程土将

受到扰动,且无法还原其所处的应力状态。 而原位测

试虽然不扰动,但设备较为简陋,无法获取精确数据。

更何况对任何场地而言,土的离散性均极大,几个土

样或原位测试的数据,无法反映整个场地地基土的全

貌。 因此,通过理论计算来确定桩土的应力分配,没

有任何意义[3]

。

把桩与土看成一个整体,桩与土的应力分配变化

是整个复合桩基的内力调整,是桩土间安全储备的转

移,对复合桩基的承载能力并没有影响,而仅对沉降

量的大小有影响。

由以上分析可知,只要控制复合桩基(桩 + 土)

总安全系数 K≥2. 0,最终桩与土的应力分配比例,并

不影响整个基础的安全度。

nRa + ξf

aA≥Fk + Gk

[4]

(1)

式中:n———桩基的数量;

Ra———单桩承载力特征值;

ξ———地基承载力的利用系数;

f

a———经修正后地基土承载力特征值;

Ac———承台底扣除桩基截面积的净面积;

Fk———上部结构传至基础的荷载标准值;

Gk———桩基承台和承台上土体自重标准值。

当地基承载力特征值 f

a 的利用系数 ξ = 1. 0,且

公式左右两边相等时,总安全系数 K = 2. 0。

3. 1 确定桩数

在上部荷载作用下,桩首先发挥作用,当荷载逐

渐增大,桩顶荷载也逐渐增大,各桩沉降也逐渐增大;

承台相对地基有向下位移,桩间土不断被压缩,新增

的荷载由被不断压缩的桩间土承担,并阻止桩下沉。

以上分析可知,桩间土承载力的发挥明显滞后于桩。

桩先于桩间土达到极限承载力状态,由于桩间土的存

在,桩达到极限承载力状态,并不意味着整个复合地

基破坏,但意味着建筑总沉降量偏大。

为减少建筑的沉降量,取修正后地基承载力特征

值 f

a 的利用系数 ξ = 0. 5,则桩数 n 确定如下[4]

:

n≥

Fk + Gk - ξf

aAc

Ra

(2)

本工程竖向总荷载标准值(Fk + Gk)为 600 000 kN,

承台底净面积约 700 m

2

,地基承载力利用系数 ξ 取

0. 5,地基承载力特征值 f

a 取 400k Pa。 PHC600 高强管

桩以砂土状强风化花岗岩作为持力层,桩长约 15 m,单

桩承载力特征值取 3400 kN,计算桩数不少于 136 根。

本工程实际布桩数量164 根,如图4 所示。 由于考虑桩

土共同作用,桩基数量大幅减少,用桩量节约 1 / 4,混凝

土节约 400 m

3

,工期和造价均大幅减少。

图 4 PHC600 桩基布置

3. 2 桩、土反力分析

桩土共同作用时,强度与变形是相辅相成的,两

者都要满足。 宰金珉结合实际工程和相应的算例说

明,无论是片面强调按强度控制进行桩基设计,还是

片面强调按变形控制进行桩基设计,都是不对的,而

应该按强度和变形双重控制进行桩基设计[5]

。

桩竖向承载力验算结果如图 5 所示。 桩基竖向

承载力特征值为 3300 kN,桩竖向承载力基本均超过

3000 kN,桩承载力利用率超过 80% ,利用率较高,局

部区域桩承载力利用率见图 6 中尖括号。

此时基底卵石的反力云图如图 7 所示,建筑周边

地基土反力小,约 75 ~ 125 kPa,中间地基土反力大,

约 180 ~ 200 kPa。 基底平均反力为 170 kPa,修正后,

卵石的承载力特征值为 400 kPa,地基土承载力有充

足的安全储备。

·76· 福 建 建 筑 2023 年

图 5 桩竖向承载力验算

图 6 局部区域桩承载力利用率

图 7 基底反力云图

本工程桩土共同作用基础方案采用柱(墙)下多

桩承台方案,桩反力和基底反力均满足强度要求,且

安全储备较充足。

3. 3 基础沉降分析

在上部荷载作用下,采用有限元软件进行沉降计

算,桩筏和土体均采用三维实体单元模拟,模型外边

界条件为侧向约束,底部为全部约束,计算深度至碎

块状面。 考虑桩土变形协调计算得到桩土共同作用

基础的沉降,计算得到基础最大沉降量 9. 6 mm,最小

沉降量 3. 7 mm,平均沉降量 6. 7 mm,差异沉降仅为

5. 9 mm,基础沉降较为均匀,沉降云图如图 8 所示。

图 8 沉降云图

3. 4 设计验证

桩基施工完成后,分别进行了单桩竖向抗压静载

试验和平板载荷试验,均满足要求。

目前该建筑已封顶 2 个月,根据第三方检测单位

的沉降观测数据,基础的最大累计沉降为 5. 55 mm,沉

降速率 0. 003 mm/ d。 根据工程经验,预计砌体完成后

最大累计沉降量 10 mm 左右,与计算结果较为吻合。

4 结论

本文研究的桩与土间的相互作用,充分发挥桩间

土的承载力,达到节约桩的目的。 在本文工程实例

中,用桩量节约 1 / 4,桩间土可分担 20% 的荷载,且建

筑总体沉降较小。 既满足了安全需要,也达到了较好

的经济效益。

设计中,考虑桩土共同作用可大大减少用桩量,

降低工程造价,但由于桩达到极限承载力状态后,沉

降以桩间土沉降为主且较大,设计时应进行沉降计

算。 对沉降敏感或要求较高的建筑要慎用。

桩土共同作用设计无需根据桩土变形协调。 考

虑桩土间的应力分配,桩土间的应力变化,只是桩土

间安全储备的转移,并不影响基础的安全度,设计时

只需考虑总安全系数和总沉降量。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑桩基技术规

范:JGJ94—2008[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑地基基础设计

规范:GB50007—2012 [ S]. 北京: 中国建筑工业出版

社,2012.

[3] 郑俊杰,彭小荣. 桩土共同作用设计理论研究[ J]. 岩土

力学,2003,24(2):242 - 245.

[4] 宰金珉. 桩土明确分担荷载的复合桩基及其设计方法

[J]. 建筑结构学报,1995,16(4):66 - 74.

[5] 宰金珉,凌华,王旭东. 桩筏基础非线性共同作用数值分

析[J]. 南京工业大学学报,2002,24(5):1 - 6.

[6] 周峰,林树枝. 实现桩土共同作用的机理及若干方法

[J]. 建筑结构,2012,42(3):140 - 143.

2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

基于远程视频监测监控技术的基坑安全

监测方法与应用

陈 晨 林 文 张 鑫

(福建汇川物联网技术科技股份有限公司 福建福州 350000)

摘 要:地铁基坑具有区域差异大、危险性强以及影响范围广等特点,远程动态监测是安全建设的重要前提。 运用摄像

测量融合感知技术提出了适用于基坑施工与开挖过程中支挡结构位移变形监测方法。 首先通过激光测距获取目标点坐

标参数,建立三维点云模型;进而采用 SIFT 图像匹配特征算法拾取图像关键特征部位,将数字图像与激光点云数据融合,

得到面域可视化图像测量模型,并依此建立二元矩阵对预警结果综合研判。 以福州滨海快线 1 标段东升停车场基坑工程

验证表明,基坑监测设计是坑内结构变形反演逐步深入的过程,该方法可有效提高地表变形监测预警精度。

关键词: 激光点云;图像特征匹配;基坑监测

中图分类号:TU19 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0077 - 07

Method and Application of Pit Safety Monitoring Based on Remote Video Monitoring Technology

CHENG Chen LIN Wen ZHANG Xin

(Fujian HC Technology of Internet of things Co. Ltd,Fuzhou 350000)

Abstract:Subway excavations present significant challenges due to their regional variability, potential hazards, and wide impact area, making remote dynamic monitoring a crucial prerequisite for safe construction. This paper introduces a method for monitoring the displacement

and deformation of support structures during excavation and construction processes, utilizing camera measurement technology integrated with

sensory perception. Initially, target point coordinates are obtained through laser ranging to establish a three - dimensional point cloud model. Subsequently, the Scale - Invariant Feature Transform ( SIFT) image matching algorithm is employed to identify key image features.

These features are then merged with laser point cloud data to create a surface domain visual image measurement model. A binary matrix is

constructed based on this model to synthesize judgments for early warnings. Validation of this method through its application to the Dongsheng parking structure project in the Fuzhou Binhai Express Line Section 1 confirms that monitoring pit excavations is a gradually intensifying

process of inferring internal structural deformations, and the presented method significantly enhances the precision of surface deformation

monitoring and early warning systems.

Keywords:Laser point cloud; Image feature matching; Foundation pit monitoring

作者简介:陈晨(1989. 2— ),男,助理工程师。

通讯作者:张鑫(1997. 3— ),男。

E-mail:570198966@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 01

0 引言

随着我国城市化步伐高速发展,对地下空间需求

也快速增加,基坑是进行地下施工的重要工程,由于

地下工程施工技术复杂,稳定性要求较高,监测预警

成为确保施工过程安全、把控建筑结构设施变形、减

轻地灾隐风险等必不可缺的重要环节[1]

。 基坑监测

目标通常为建设中的主体(及附属)基坑的围护结构

与基坑影响区域的房屋建筑、道路、管线等,其中位移

变形是主要测项[2]

。 监测信息可否有效,进而做出精

准的预测预警预报,关键在于监测技术的先进性与高

效性能。 基坑地表位移安全监测,既要采集到反馈变

形区域的高精度的监测数据,也需要掌握现场实际情

况综合研判。

传统基坑位移监测设备多采用经纬仪、水准仪、

视准仪、电磁波测距仪等,通过前后方交会法、视准线

法、极坐标法、水准测量等进行监测。 受技术水平、基

准点布设困难、观测条件差、自动化程度低等限制,监

测精度较低,耗费人力物力资源[3 - 4]

。 促使专家学者

迫切需求提高现有监测技术,探索研发高新科学技术

手段,以提高基坑工程的安全性和效率。 近年来,自

动全站仪与数码相机结合的作业方式在行业中逐渐

运用,其中摄影全站仪就是两者结合的产物,最早由

加拿大 Laval 大学的测量系提出,在普通全站仪加装

CCD 模块获取长焦影像,实现兼顾摄影与测量功能。

赵红等[5]

,将 PI - 3000 软件运用于 GPT - 700i 摄影

全站仪中,在摄影测量基础上实现了对目标体三维模

型的构建。 詹银虎等[6]

,将 TS60 图像全站仪运用于

·78· 福 建 建 筑 2023 年

天文大地测量,并通过在河南郑州和陕西泾阳开展的

23 个夜间试验,得出图像全站仪与传统人工观测模

式相比,测量效率提升至少一倍。

基坑监测过程中,激光点云数据稀疏,缺失色彩、

纹理信息;工地区域多尘土,也导致摄像测量结果精

度、稳定性和鲁棒性差,造成最终监测精度降低[7]

。 研

发高新科学技术、提升软硬件性能是增强基坑全过程

动态监测监控能力的重要支撑任务。 基于现有技术存

在的不足与难点,本文通过云端激光点云与视频图像

融合测量技术,将高精度的激光面扫测控设备与高清

远程视频监测有机结合,自研发适用于面域巡测的

HCC 全站型测量机器装备。 首先应用空间标定点确定

摄像机光轴与激光雷达光轴的位置姿态,并自动计算

相机外参数;根据不同焦距段下的摄像头视场角,利用

云台结构参数计算摄像机与激光雷达 FOV 的重合率

与重合区域,初步建立点云坐标系与图像坐标系的映

射关系;应用 SIFT3D 算法识别点云特征点,并将三维

点云特征描述子信息降维并对应二维图像特征描述

子,并与图像 SIFT 特征进行匹配,实现精细配准。 最

终生成三维可视化图像测量模型。 以福州滨海快线 1

标段东升停车场基坑工程监测围护支档结构水平变形

实时监测项目为例,通过方法分析、实例验证等手段为

未来城市建设和基坑工程提供创新的监测方法。

1 技术方法

1. 1 技术方法流程

地表位移作为基坑监测中主要监测指标,支挡结

构水平位移是直观体现。 位移监测的目的是通过不

同时期对同一监测点的坐标测量,以获取支挡结构在

一段时间内的位移量,通过坐标系转换后,根据脉冲

法测得点云的水平像素坐标点集(ui,vi)进行最小二

乘拟合得到测点空间坐标,将所测三维点云数据与图

像结合,形成可视化数字模型,可有效提升基坑变形

监测精度与稳定性,假定监测基坑可通视,技术方法

流程如图 1 所示。

图 1 监测技术流程

(1)坐标系联合标定,运用空间标定点实现激光雷

达光轴与摄像机光轴坐标转换,自行结算内外方位元

素,通过免棱镜全站仪脉冲激光测距系统对面域各监

测区域巡航量测,获得可量化的单点变形数据,将多点

位结合成点位矩阵,应用最小二乘法回归得到对应立

面点云数据,测得基坑应测面域各点位测量数据。

(2)运用 Camera - Li DAR 融合感知技术,初步建

立点 云 坐 标 系 与 图 像 坐 标 系 的 映 射 关 系, 通 过

SIFT3D 算子识别三维图像关键点,对三维点云特征

描述子信息类比降维度对应二维图像特征描述子,运

用 SIFT 图像识别技术获取被监测点附近区域在不同

时刻的纹理特征变化值和变形矩阵。 进而采用数学

图像处理技术得到各个预设子区的变化信息和属性,

根据一致性检验筛选得到变化较大的预设子区及整

体的变化趋势。

(3)将三维点云数据与图像融合建立三维可视

化图像测量模型,依据精准点云数据与图像识别结果

对目标体变形情况综合研判,形成高效准确的预警信

息,提高预警结果精准性。

1. 2 位移点云监测数据建立

运用 CCD 长焦影像模块替代了传统全站仪的目

镜部分,通过相机对目标物照准功能,智能识别视频

中的特定标识物,并获取标识物的成像坐标,但相机

影像坐标系与激光雷达坐标系不同,在测量计算前需

先对两者坐标系进行转化,同时标定相机的内外参

数[8]

。 具体流程如下。

1. 2. 1 坐标转换

(1)世界坐标与相机坐标转换

激光雷达坐标系可描述被测物体与激光雷达的

相对位置,世界坐标系与相机坐标系同处三维空间

下,仅需进行刚体变换,即:

Xc

Yc

Zc

1

æ

è

ç

ç

ç

ç

ö

ø

÷

÷

÷

÷

=

R T

O

T

1

é

ë

ê

ê

ù

û

ú

ú

=

XL

YL

ZL

1

æ

è

ç

ç

ç

ç

ö

ø

÷

÷

÷

÷

(1)

式中:(Xc,Yc,Zc)为相机坐标;(XL ,YL ,ZL )为激

光测距坐标;T 为 3 × 1 平移矩阵;R 为 3 × 3 旋转

矩阵。

(2)相机坐标与图像坐标转换

相机坐标系向图像坐标系转换(图 2),属于透视

投影关系,将 3D 坐标向 2D 转换,公式如下:

X = f

Xc

Zc

·y = f

Yc

Zc

(2)

Zc

x

y

1

( )

=

f 0 0 0

0 f 0 0

0 0 1 0

( )

=

Xc

Yc

Zc

( )

(3)

2023 年 12 期 总第 306 期 陈 晨,林 文,张 鑫·基于远程视频监测监控技术的基坑安全监测方法与应用 ·79·

图 2 相机 - 图像坐标系转换

其中:f 为相机焦距;(x,y)为图像坐标。

(3)图像坐标与像素坐标转换

像素坐标系和图像坐标系都在成像平面上(图

3),为平移转换关系,点 O 在像素坐标下为( u0 ,v0 ),

转换公式为:

u

v

1

( )

=

1

dx

0 u0

0

1

dy

v0

0 0 1

æ

è

ç

ç

ç

çç

ö

ø

÷

÷

÷

÷÷

x

y

1

( )

(4)

图 3 图像坐标与像素坐标平移关系

(4)激光坐标与像素坐标转换

通过上述四个坐标系的转换易得到一个点从激

光测距坐标系如何转到像素坐标系变换,如式(5)

所示:

ZC

u

v

1

( )

=

1

dx

0 u0

0

1

dy

v0

0 0 1

æ

è

ç

ç

ç

çç

ö

ø

÷

÷

÷

÷÷

f 0 0 0

0 f 0 0

0 0 1 0

( )

R T

O

T

1

é

ë

ê

ê

ù

û

ú

ú

XL

YL

ZL

1

æ

è

ç

ç

ç

ç

ö

ø

÷

÷

÷

÷

(5)

式中右侧等式为相机的内外参数,通常采用张正

友标定法获取。

1. 2. 2 免棱镜测量

(1)激光脉冲测距

免棱镜测量可无需放置棱镜即对物体直接测量,

主要包括相位法与脉冲法,此方法成熟,在基坑监测

运用广泛,本文主要运用脉冲法。 脉冲激光测距系统

通过脉冲激光器向被测目标发射宽度极窄的光脉冲,

然后接收被测目标表面反射回来的光脉冲,根据测量

光脉冲从发射到返回接收机的时间差来计算全站仪

与待测目标之间的距离[9]

。 具体公式如下:

S =

1

2

νΔt =

1

2

c

n

Δt (6)

式中:激光发射器与被测物之间的距离为 S,激

光脉冲在发射器与被测物之间传播时间为 Δt,激光在

空气中传播的速度为 v,c 为光在真空中传播速度,n

为空气的折射率。

(2)立面点云数据建立

通过巡航测量得到平面各监测点位坐标,对于空

间中一个平面,三个不共线三维点即可确定空间中唯

一的平面,三点即可构造空间平面方程,公式如下:

Ax + By + Cz + D = 0(C≠0) (7)

式中:A、B、C、D 为平面方程的四个系数。

经过变换可得:

Z = a0

x + a1

y + a2 + …… (8)

对于平面拟合点(xi,yi,zi) ( i = 0,1,2,3……n -

1),利用最小二乘法拟合后得到:

∑X

2

i ∑XiYi ∑Xi

∑XiYi ∑Y

2

i ∑Yi

∑Xi ∑Yi n

( )

a0

a1

a2

( )

=

∑XiZi

∑YiZi

∑Zi

é

ë

ê

ê

ê

ù

û

ú

ú

ú

(9)

解方程(9) 将 a0 、a1 、a2 代入式(8) 可得平面方

程,可解算立面点云任意一点物方坐标,建立激光三

维点云模型。

1. 3 监测点提取与融合

巡航测量过程中,通过云台结构参数计算摄像机

与激光雷达获取 FOV 相交区域,使得摄像机输出图

片与激光输出点云信息重合,将点云数据投影在图像

上,利用 SIFI 图像特征提取关键值,不仅能够生成致

密的图像深度数据,也能对输出结果进行交叉验证。

1. 3. 1 SIFT 图像特征匹配算法

SIFT 算子是基于尺度空间的图像匹配方法,较强

的鲁棒性使其对尺度变化、平移、旋转、仿射变换、视

角变化 及 光 照 改 变 等 的 图 像 具 有 稳 健 的 匹 配 效

果[10]

,建立图像尺度空间是检测极值点的首要任务,

一幅二维图像的尺度空间 L(x,y,σ)可由一个变化尺

度的高斯函数 G( x,y,σ) 与原图像 I ( x,y) 卷积而

来[11]

,如下所示:

L(x,y,σ) = G(x,y,σ)∗I(x,y) (10)

G(x,y,σ) =

1

2πσ

2

e

- (x

2 + y

2) / 2σ2

(11)

式中:(x,y)为像素坐标,σ 为尺度空间因子。

·80· 福 建 建 筑 2023 年

为了检测稳定的关键点,需构建高斯差分金字塔

L(x,y,σ),其实质是 2 个相邻尺度图像的差,计算公

式为:

D(x,y,σ) = L(x,y,kσ) - L(x,y,σ) (12)

式中:k 为相邻尺度因子的比值。

在高斯差分金字塔上,将每个像素点与上层、下

层及同尺度层的邻域内的像素进行比较,由此获取基

坑影像中支持尺度不变性的极值点。

通过计算基坑监测画面中支挡结构应测部位图

像样本点的梯度幅度和方向来创建围绕特征点位置

的特征点描述符,计算公式为:

m(x,y) =

(L(x +1,y) - L(x -1,y))

2

+ (L(x +1,y +1) - L(x -1,y -1))

2

(13)

θ(x,y) = tan

- 1 L(x,y + 1) - L(x,y - 1)

L(x + 1,y) - L(x - 1,y)

(14)

式中:L(x,y)尺度 σ 下的像素点(x,y)的空间函

数值;m(x,y)为梯度大小;θ(x,y)为梯度方向。

用直方图统计关键点一定邻域内的梯度方向,而

直方图最高峰所对应的方向则作为关键点的主方向。

SIFT 算法通过生成描述子向量来描述特征点,并用于

后续的匹配环节[12]

。 特征描述子的生成如图 4 所

示。 每个格代表邻域空间的一个像素,箭头代表梯度

方向,长度代表梯度值,将 4 × 4 方格内梯度进行累

加,形成一个特征描述子。 特征描述子的唯一性,可

以去除拍摄时光线等因素的影响[13]

。

图 4 特征算子生成

获取特征点算子后,通过欧式距离进行计算,从

而辨别特征点之间是否具有相似性。 特征点之间的

距离越小,表示它们越相似。 欧式距离的定义式为:

d(x,y) = ‖M,N‖ = ∑

n

i = 1

(Mi - Ni)

2

(15)

SIFT 算法利用算子向量计算出参考特征点与

所有待匹配特征点的欧氏距离,采用最近邻比值法

进行匹配:若最近邻与次近邻的距离比值小于设定

阈值 T,则特征点与最近邻点相匹配[14]

。 阈值 T 的

选取范围一般为 0. 4 ~ 0. 8。 针对两期基坑局部影

像进行 SIFT 特征匹配,通过提取出的特征点可进行

位移识别研判。

1. 3. 2 渐进样本一致性检验

应用余弦相似度约束条件对欧氏距离粗匹配的

结果进行过滤能明显改善匹配效果,但依然存在匹配

点位精度不够等问题,需采取相应算法进一步检验。

通常我们使用(random sample consensus,RANSAC)算

法对匹配结果进行误差消除。

RANSAC 算法随即选取二维点集中两个点位并

连线,设定距离阈值,计算点集中其他点到此直线的

距离。 距离小于设定阈值是为内点,大于设点距离是

为外点,外点一般指的数据中的噪声,比如说匹配中

的误匹配和估计曲线中的离群点,通过多次重复随机

迭代过程,去除外点,获取一个最适合匹配点对集的

估计模型,如图 5 所示。

图 5 RANSAC 随即采样

(线内部点位为内点,线外即为外点)

2 基坑安全监测方法

2. 1 多模态数据融合

通过固态激光雷达进行了室内外点云扫描实时

建图测试,完成了激光点云与图像的去噪、拼接、配准

等功能的开发。

基于结构参数和激光雷达与摄像头的重合区域,

建立点云坐标系与图像坐标系的一一映射关系。 结

合大场景点回环检测建模,完成图像与点云坐标的映

射配准相较于传统激光测量数据与相机影像,融合后

的点云图像可以实现多模态数据的融合感知,有助于

更准确地检测位移、变形和结构变化,提高了监测精

度、抗外界干扰性以及致密性如图 6 所示。 能较明显

的反应出监测区域位移差异,结果更加准确直观,此

方法可实现以下基坑监测功能:

(1)位移结构变形分析

激光点云数据与图像融合测量手段可对基坑内

外部土壤位移、支撑结构的变形以及地表、房屋建筑

物沉降等面域位移形变进行监测,具有高效性、大范

围涵盖空间感知等特点。

2023 年 12 期 总第 306 期 陈 晨,林 文,张 鑫·基于远程视频监测监控技术的基坑安全监测方法与应用 ·81·

(2)监测过程可视化

通过将激光点云和摄像图像融合到三维模型中,

可以创建高度可视化的基坑监测系统,有助于工程人

员更好地理解监测数据。

(3)监测过程连续

通过连续摄像测量过程,实现 7 × 24 不间断实时

测量,融合后数据模型可得到实时测量反馈结果,及

时获取岩土体以及结构变形信息。

(点云数据) (图片影像)

图 6 点云图像融合示意

2. 2 多源数据分析与综合预警

将测得基坑变形融合点云数据与拍摄的实时影

像匹配结果综合分析,建立简易四级风险等级预警矩

阵,进行双参数综合研判,出现测点受遮挡、外界环境

因素干扰时也可及时根据实时影像进行处理,结果直

观准确,能有效降低漏报、误报问题,或点位局限问

题,如图 7 ~ 图 8 所示,预警参考标准,如表 1 所示。

图 7 点云监测数据

图 8 图像识别结果

表 1 多源数据预警判别矩阵

预警等级 蓝色 黄色 橙色 红色

激光点云测量结果 超阈值 超阈值 超阈值 超阈值

图像测量结果 未变化 略微变化 明显变形 显著变形

3 工程应用

3. 1 工程概况

福州滨海快线 1 标段东升停车场选址位于福州

仓山区上三路以南,南台大道以西,双湖路以北的地

块内,地理位置如图 9 所示。 基坑采用明挖法施工,

运用库一期部分基坑长度约 290. 4 m,宽度约 131. 5 /

140. 5 m,其基坑开挖深度约 13. 49 m ~ 15. 37 m,围护

结构采用 800 厚地下连续墙 + 内支撑支护方案。 出

入场线位于停车场北侧区域,与快线三叉街站接驳,

基坑采用明挖法施工,基坑长度约220 m,宽度约 35.

7 m,基坑开挖深度约 12. 39 m,围护结构采用 800 厚

地下连续墙 + 内支撑支护方案。

东升停车场采用明挖法施工,开挖过程中对基坑

的稳定性要求较高,基坑在土方开挖过程中容易发生

桩体变形位移过大导致侵入结构限界;在基坑开挖过

程当中,容易发生侧壁渗漏,地连墙间隙或坑底涌水

涌砂等现象,甚至造成基坑整体失稳或坍塌,如何保

证在基坑土方开挖过程中的生产安全,基坑支档结构

的变形监测是工程的重难点。 亟待开展基坑支护结

构和与周边环境监测。

图 9 滨海快线 1 标段东升停车场地理位置平面图

3. 2 施工流程与监测方法

冠梁及支持施工流程为:冠梁及第一道支撑基坑

开挖;破除基坑侧导墙混凝土;清理地下连续墙浮浆

层;破除超灌混凝土、锚筋处理;施工冠梁及第一道支

撑;主体基坑开挖至第二道支撑;第二道支撑施工,流

程如图 10 所示。 根据基坑工程概况与施工步骤措

施,拟采用地表位移监测法对支护结构的变形情况实

时进行监测把控。

·82· 福 建 建 筑 2023 年

图 10 施工流程简图

3. 3 支档结构变形参数采集

3. 3. 1 对象捕捉

本次监测目标主要监测基坑连续墙及第一道支

撑顶部水平位移,设备布设于基坑边稳定平台处,根

据视频影像手动标注监测点位,通过张正友棋盘格标

定获取内外参数,并智能识别视频中的特定标识物,

并获取标识物的成像坐标;通过光落点精确对准棱镜

头的中心,以此获得激光距离并计算棱镜头的设备坐

标,并将世界坐标转化为像素坐标。 以 1 ~ 9 号监测

点为放样坐标,并自动追踪巡航测量,如图 11 所示。

图 11 监测点位布设图

3. 3. 2 融合测量数据分析

运用激光对测点进行实时监测获取各点位空间

坐标,将多点云结合成点云矩阵,应用最小二乘回归

分析获取平面空间变形过程,将各测点与实景摄像组

合,形成输出监测曲线如图 12 所示。

图 12 测点水平位移分布曲线

分析发现,伴随着基坑开挖,土体产生卸荷作用向

临空部位产生变形与沉降。 项目采用连续墙、混凝土

支撑支护体系,外部土体对连续墙有较强作用力,同时

支撑的变形程度可反应坑外土体对连续墙的作用力强

度。 第二层土方开挖初期,各区域监测点位水平位移

波动较大,其中第一道支撑监测区域形变量明显大于

连续性挡墙,表明混凝土支撑为主要受力位置,但最大

水平位移量小于 18 mm,未达到告警值;随着开挖深入

以及第二道支护结构架设,位于第一道支撑区域测点

变形逐建降低,当第二道支护结构架设完成,进行第三

层土方开挖时,测点曲线收敛,区域水平位移趋于稳定

状态。 数据表明,施工期间第一道支撑与上方连续挡墙

均处于稳定状态;第一道支撑架设完成后至垫层浇筑阶

段,挡墙测点水平位移波动较小,均处于平缓阶段;而第

一道支撑测点在前期波动较大,后期逐渐收敛减缓。

全站型 AI 测量机器人在监测过程中体现了良好

的实时性与连续性,高精密的云台与高精度激光测距

精准测量了基坑地铁开挖过程中支护结构程的点位

变形概况,测量结果直观且与施工过程契合,但存在

受点云位置局限、缺少实时画面等问题,还需结合图

像识别技术融合辅助判断。

3. 3. 3 监测数据分析比对

监测过程中选取基坑施工初始阶段,通过人工监

测、全站型 AI 测量机器人对连续墙 8 号测点进行监

测,选取人工监测、激光数据以及点云融合数据进行

误差精度分析,位移变化趋势如图 13 所示。

图 13 测点 8 水平位移变化量

以融合点云测量结果,运用 Matlab 分别计算人工

测量以及单激光测量精度与误差,误差分析结果表明,

融合点云测量结果与人工测量结果接近、误差小均方

根为 0. 0782,监测数据变形趋势一致性高,而单激光测

量数据结果具有较大波动,结果与前两者对比误差较

大,相关性显著降低,仅有 0. 0498。 可见融合点云数据

修正后能有效提高监测精度,具有明显如表 2 所示。

表 2 监测数据分析结果

数据类型 残差平方和 均方根 相关系数

融合点云/ 激光 12. 195 0. 6848 0. 0498

融合点云/ 人工 0. 159 0. 0782 0. 503

2023 年 12 期 总第 306 期 陈 晨,林 文,张 鑫·基于远程视频监测监控技术的基坑安全监测方法与应用 ·83·

3. 3. 4 多源数据预警比对

通过激光图像数据融合技术,实现激光点云与实

景影像数据的有机融合,采用 SIFT 图像特征匹配算

法对图像关键点位捕捉与匹配,在三维数据融合同时

对早期记录影像进行识别比对。 2022 年 5 月 25 日,

测点 5 右侧墙缘区域产生告警,经过比对发现,虽激

光测量点位未发生位移,但右侧部位影像发生明显变

化,对比 5 月 17 日图像可见图像左上方局部砼发生

破碎掉落,同时图像右侧裂缝裂隙产生扩张。 经过综

合分析后对测点区域进行告警,对比图如图 14 所示。

图 14 5 号测点右侧图像比对预警

可见图像点云数据融合算法能准确捕捉图像的

微小差异与形变,其特征描述能力强,在欧氏距离粗

匹配的基础上,运用 RANSAC 算法对过滤后的匹配结

果检验,完成图像识别匹配功能。 实时影像具有灵活

性与高分辨率,与点云数据结合能形成高分辨率、高

致密性、高精度的监测结果,同时以图像比对辅助测

量判断。 两者协调采集、上传、研判的过程使预警准

确性大大提高。

4 结论

(1)对地铁基坑变形监测是保障安全施工过程

的基础,围护结构是监测重点。 既要反映点位的精确

位移变化,也要通过实时影像校核研判,是对技术、经

济效益的综合考量。

(2)激光雷达与图像测量结果融合感知技术,易

实现精准空间定位、测量、远程可视化监控过程。 通

过实时视频监测采集和高精度激光点云融合,实现实

景与数值测量融合,能有效提高监测精度、稳定性以

及风险点和风险趋势的预测研判能力。

(3)通过智能监测技术,可以实时查看围护结构位

移变形数据,可见水平位移大小与基坑开挖呈明显关

联性,在基坑开挖过程中监测点位选择设计,有赖于对

前期支撑结构监测信息反演和动态设计,宜采用先群

后专的点位布设方式,保证技术、经济效益的最大化。

参 考 文 献

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2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

特超重混凝土结构的施工控制技术

苏亚森

(福建七建集团有限公司 福建漳州 363119)

摘 要:现代化大型医院核医学部分有防辐射特别功能要求,直线与回旋加速器机房的剪力墙、顶板为最大厚度 3 m 的

特超重混凝土结构,现场超重结构模架采用承插式盘扣钢管支撑系统,保证了架体的强度、刚度和稳定性。 施工中,对混

凝土配合比、水冷降温、温控检测、保温保湿养护等几个方面进行严格把控,质量取得很好的控制,经医院第三方检测,结

构成品无任何裂缝,一次性验收合格。 公司对技术进行总结,并在诏安总医院项目进行推广应用,取得很好的成效。

关键词: 特超重板;高支模;混凝土结构;施工控制技术

中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0084 - 05

Construction control technology of super heavy concrete structure with 3M thick slab

SU Yasen

(Fujian Qijian Group Co. , Ltd. Zhangzhou 363119)

Abstract:The nuclear medicine department of modern large hospitals has special requirements for radiation protection. The shear walls and

top plates of the linear and cyclotron machine rooms are made of ultra - heavy concrete structures with a maximum thickness of 3 meters.

The on - site overweight structure formwork adopts a socket type buckle steel pipe support system to ensure the strength, stiffness, and stability of the framework. During construction, strict control is exercised over several aspects such as concrete mix ratio, water cooling, temperature control testing, and insulation and moisturizing maintenance, The quality has been well controlled, and the finished structure has

been tested by a third - party hospital without any cracks, and it has passed the one - time acceptance. The company summarized the technology and promoted its application in the Zhao?an General Hospital project, achieving good results.

Keywords:Extra heavy plate;High modulus;Concrete structure; Construction control technology

作者简介:苏亚森(1965. 02— ),男,高级工程师。

E-mail:553176801@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 12

0 引言

随着现代化城市建设的发展,人民生活水平和城

市医疗保障体系的不断完善,体现高科技医疗水平的

三甲医院设施更加现代化。 设计核医学部分,其防辐

射特别功能要求的局部地下室直线与回旋加速器房,

钢筋混凝土结构墙、板均为超厚构件,在施工中要注

意以下要点:首先,应确保特超重构件模架施工安全;

其次,竖向构件与水平构件施工应符合施工验收规范

和设计要求,在混凝土裂缝控制等方面应严格控制,

达到防辐射功能要求。

1 工程概况

漳州市医院高新区院区位于漳州市高新区龙江路

西侧,规划纵十五路以东侧。 总建筑面积 27. 51 万 m

2

,

其中地上 22. 21 万 m

2

,地下一层 5. 3 万 m

2

。 设计门

诊、急诊、医技、住院、体检、科研等组成的现代化综合

性大型三甲医院。 上部第一、第二、第三住院部为 11

层、17 层和 21 层,为现浇框架 - 剪力墙结构,建筑高

度 48. 30 m ~ 83. 70 m。 医院核医学部分防辐射特别

功能要求,地下室直线与回旋加速器房剪力墙、顶板

最大厚度为 3 m。

2 工程重难点

2. 1 超危大模板体系

本工程地下室结构最大跨度为 8. 4 m,净跨 7. 7 m,

其中(4 - 20) - (4 - 23)轴和(4 - 25) - (4 - 28)轴交

(4 - AN) - (3 - D)轴及(4 - 18) - (4 - 19)轴交(4

- AG) - (4 - AH)轴顶板层高7. 2 m - 7. 6 m,剪力墙

厚度为 2. 2 m、3 m,顶板厚度为 1. 7 m、2. 3 m 和 3 m,

属于特超重板,属于超过一定规模、危险性较大的分

部分项工程。

2023 年 12 期 总第 306 期 苏亚森·特超重混凝土结构的施工控制技术 ·85·

2. 2 大体积混凝土

本工程地下室加速器位置(含核医学部分)底板承

台的厚度为 2 m,顶板板厚有 1. 7 m. 、2. 3 m 和 3 m;混

凝土强度为 C35;加速器剪力墙厚度为 2. 2 m、3 m,混

凝土强度为 C40,底板承台面结构标高 - 7. 90 m,顶板

承台面结构标高 -0. 60 m,层高 7. 3 m。

3 高支模控制技术

3. 1 支撑方案

采用承插式盘扣钢管支撑架系统,按照 PKPM

(2017 年)施工安全计算软件,对以下几方面进行计

算:一是模板面板抗弯强度、挠度计算;二是支撑次

龙骨荷载、抗弯强度、抗剪、挠度计算;三是托梁抗弯

强度、挠度计算;四是立杆承载力及稳定性计算;五是

盘扣式模板支架整体稳定性计算后确定。 具体搭设

参数详表 2,平面和立面布置如图 1 ~ 图 2 所示。

表 2 搭设参数表 mm

楼板厚度 支撑形式 横距 纵距 步距

1700、2300、

3000 厚板

盘扣钢管支

撑架 12. 6 号工

字钢为托梁

600 600 1000

注:1. 模板支撑架坐落在地下室底板板上,立杆底部均铺垫两跨 50

× 200 木垫板或 12 号槽钢;2. 采用厚度 18 mm 的光圆胶合板,方钢管

(50 × 50 × 3 mm)做板底次龙骨,间距 150 mm。

图 1 直线加速机房支撑立杆平面布置图

图 2 直线加速机房 3m 板支撑立杆剖面图

按照“建质办〔2018〕31 号”文件要求,编制高大

模板及支撑架专项方案,经总承包单位审批后,组织

召开专家论证会。

3. 2 支架施工技术

3. 2. 1 承插型盘扣式钢管支撑构造

盘扣节点由水平杆杆端扣接头、焊接于立杆上的

连接盘和斜杆杆端扣接头组成,如图 3 所示。

图 3 承插型盘扣式结点

1. 连接盘;2. 插销;3. 水平杆杆端扣接头;4. 水平杆;5. 斜杆;6. 斜

杆杆端扣接头;7. 立杆。

(1)支撑体系立杆落在混凝土底板上,在底板上

铺设两跨 50 × 200 垫木或[12 槽钢。

(2)立杆接长必须对接,严禁搭接,立杆设计步

距不大于 1. 0 m。

(3)模板架体严格按照高大模板方案中计算结

果的立杆间距,选用相应长度的水平杆,并根据支撑

高度组合合适的立杆段和可调底座。

(4)斜杆或剪刀撑设置。 本超重板支撑架体周

边立面由底至顶,均设置竖向斜杆或采用扣件钢管

搭设的剪刀撑,架体内部纵横向应每隔 5 跨,由底至

顶设置竖向斜杆,或采用扣件钢管搭设的剪刀撑。

支持架体的扫地杆和最顶层水平杆位置,应设置水

平斜杆或扣件钢管水平剪刀撑,其中竖向间距不大

于 5 m。

(5)模板支撑的可调托座超出顶部水平杆的

悬臂高度,禁止超 500 mm,且丝杆露出的长度严

禁超过 300 mm,可调托座插入立杆深度不得小于

200 mm,作为扫地杆的最底层水平杆离地高度不

应大于 550 mm。

(6)模板支架应与周围已建成的结构形成可靠

连接,模架搭设如图 4 ~ 图 5 所示。

·86· 福 建 建 筑 2023 年

图 4 U 型顶托上方工字钢现场大样图

图 5 模板搭设现场图

3. 2. 2 模板支撑架体的搭设及拆除

(1)支撑架体的立杆应依照高大模板方案内容进行

放线定位搭设,上下层支撑立杆应在同一轴线上。

(2)立杆垂直偏差严禁超过支撑架体高度的 1 /

500,且不得大于 50 mm。

(3)支撑架应与周边结构顶紧。

(4)梁板斜交的部位,按梁→板→边角部位加强

带的顺序进行搭设。

(5)模板支撑架的监测点布置及监测频率

监测仪器精度应满足现场的监测要求,并设变形

监测报警值。

①监测点布设原则。 在支撑架角部位置及中间,

按每隔 12 m 距离设置监测剖面,于梁跨度两端及跨

中各布一个监测点。 每个监测剖面必须设置不少于

2 个支持架体的水平位移和立杆变形监测点、3 个支

架沉降观测点。

②监测频率。 在混凝土浇筑过程中,应进行实时

监测,监测频率不宜超过 20 min 一次。 在混凝土初

凝前后及混凝土终凝前后再次进行实时监测,监测时

间可根据现场实际情况进行调整。 在高大模板搭设

和混凝土浇捣期间,应全程进行监测,待混凝土终凝

后达到设计强度的 75% ,方可停止。

(6)模板支架验收

①本超重模板支架落在地下室底板上,重点对结

构材料进行抽检验收;对进场的立杆、水平杆、斜拉

杆、钢管扣件等材料的产品合格证、检测报告进行复

核;并对表观质量、重量偏差等物理指标进行抽检。

承重立杆的外观抽检数量不低于用量的 30% ,发现

质量不合格立即清退,不得使用。

②高大模板支架搭设完成后,由项目负责人按照

规定组织相关人员进行验收,验收合格,经施工单位

技术负责人及总监理工程师签字确认后,方可进入后

续工序的施工。

4 特超重梁板混凝土施工技术

4. 1 特超重梁板钢筋安装技术

本工程特超重梁板中的框架梁截面尺寸为 1600

× 3000,底筋 50 28,面筋通长 16 28,支座筋 36

28,箍筋 14@ 100。 顶板厚度 3000 mm,配筋底筋双

向 28@ 75 通长。

针对钢筋安装编制专项施工方案,计算钢筋架设

支撑,选用@ 1000 25 作为支撑,确保安装位置准

确、操作安全。 应严格按照设计和施工验收规范要求

进行钢筋安装。 顶板钢筋安装现场如图 6 所示。

图 6 顶板钢筋安装现场图

2023 年 12 期 总第 306 期 苏亚森·特超重混凝土结构的施工控制技术 ·87·

4. 2 大体积混凝土施工要求

本项目混凝土为超大体积混凝土,并且设计的功

能性要求混凝土表面不允许出现任何通透裂缝。 因

此,为保证混凝土的浇筑质量,制定关键部位作业指

导书,并从以下几个方面进行控制。

4. 2. 1 混凝土配合比控制

在进行混凝土配合比设计时,充分考虑水灰比、

水化热、初凝时间、泌水率、可泵性等因素,并进行严

格的砂、石子、水泥、外加剂等原材料的挑选;经过试

配试验;最终选用普通硅酸盐水泥 P. O42. 5,水泥用

量控制在 300 kg / m

3 以内;掺入缓凝高效减水剂及

MAC - S 镁质抗裂剂,初凝时间控制≥7h;同时掺入

抗裂剂等。

4. 2. 2 优化施工工艺

(1)大体积混凝土施工,应在混凝土的模板、支

撑体系、构件钢筋、预埋管线、降温测温等工作完成并

验收合格后,方可进行。

(2)施工时,应先进行剪力墙混凝土的浇筑,再

浇筑顶板混凝土。

(3) 分层浇筑。 控制每层混凝土浇筑厚度在

500 mm以内,从构件中部同时向两端推进浇筑。

(4)混凝土振捣遵循快插慢拔的原则,振捣时间

控制在混凝土表面呈水平,不再出现气泡、显著下沉、

表面泛出灰浆为准。 上下层混凝土分层浇筑的间隔

时间,应控制在下层混凝土初凝之前。

(5)混凝土的表面处理:由于泵送混凝土表面水

泥浆较厚,在混凝土浇到顶面后,宜及时把浮浆刮除。

待混凝土浇筑完 3 h 后,利用刮杆初步表面刮平,然

后用木拉板双向抹压 2 遍压实,使混凝土硬化初期产

生的收缩裂缝在塑性阶段予以封闭填补,以控制混凝

土表面龟裂。

4. 2. 3 温度控制技术

(1)温感布置要求

温度监测仪器由温度传感器、数据采集系统、数

据传输系统组成,温度测点设置应符合要求。 测位、

测点布置,布置位置如图 7 所示。

①测位间距为 7 m ~ 10 m;每个测位布置 3 ~ 5 个

测点,把温度传感器直接埋入混凝土内,分别位置于

混凝土的表层、中心、底层及中上、中下部位。

②降温措施使用水冷却时,测温点应布置冷却水

管进出口处,并在相邻两根冷却水管的中间部位布置

测温点。

③在距混凝土表面 50 mm 处布置混凝土表层温

度测点;在混凝土浇筑底面以上 100 mm 处布置底层

的温度测点。

图 7 地下室加速器底板承台混凝土冷却管及

温感器平面布置示意图

(2)采用水冷却方式进行降温

2300 mm 和 3000 mm 顶板混凝土结构,均在混凝

土中部预埋连通的 A48 × 3 钢管或金属软管做冷却管

(用水冷却),间距约 1900 mm ~ 2030 mm 布置一道,

同时预埋金属温感器。 A48 金属软管每 100 m ~ 120 m

设一个通水进出口。 冷却管布置方式及位置如图 7

所示,当大体积混凝土的中心温度大于 80℃ 时,开始

进行冷却降温。

(3)混凝土保温、保湿方式

2300 mm 和 3000 mm 顶板混凝土结构采用脚手

架和彩条布搭设保温棚,防止混凝土内外温差不超

过 25℃ 。

4. 2. 4 施工缝设置

为了减少一次性混凝土浇筑量,在施工中先浇筑

墙体混凝土,再浇筑顶板混凝土。 在墙体位置进行施

工缝的留置。

混凝土施工缝留设。 根据设计要求,核医学部分

加速器结构混凝土施工时,在底板和顶板底施工缝处

应做成台阶式,台阶的高差 250 mm(用 3 mm 厚高度

450 mm 钢板固定在侧壁中部,作混凝土的模板,不拆

除,一次性使用),如图 8 所示。

·88· 福 建 建 筑 2023 年

图 8 施工缝留设示意图

4. 3 混凝土的养护

(1)现场混凝土主要温度监测项目,为里表温差

和降温速率。 当监测数据不满足温控指标要求时,应

及时调整保温养护措施。

(2)采取保温保湿养护。 混凝土浇筑完毕后 12 h

以内(一般为砼浇后 10 ~ 12 h),在初凝前,派专人负

责进行覆盖或喷雾养护,养护用水选用自来水。

(3)待混凝土表面压平后,先在混凝土表面洒

水,再用塑料薄膜覆盖,待混凝土硬化后,采用蓄水养

护,保持混凝土表面湿润,养护时间不得少于 14 d。

养护过程设专人负责养护,并进行温差监测记录。 本

工程保温层采用塑料薄膜加麻袋覆盖养护,保湿养护

不得少于 14 d。 应经常检查塑料薄膜的完整情况,以

保持混凝土表面湿润。

(4)养护覆盖层的拆除应分层逐步进行,当混凝

土的表面温度与环境最大温差小于 20℃ 时,可全部

拆除。

4. 4 安全管理措施

(1)进入施工现场安全规定要求,合理使用劳动

防护用品。

(2)混凝土浇筑工作面要有可靠的立足点,操作

部位应设护身栏杆,不得直接站在槽帮上操作。

(3)采用泵送混凝土时,布料机应由两人以上进

行牵引作业,管道架、安全阀、管道接头等应确保安装

牢固,泵送前应试送,泵管检修时必须先卸压。

(4)使用振捣器前,电源必须经电工验收合格后

方可使用;开关箱内必须装设漏电保护器,插座插头

应完好无损,电源线不得破皮、漏电;操作者必须穿绝

缘鞋,戴绝缘手套。

(5)模板搭设时,应保证安全照明及空气的流通。

5 工程效果

2019 年 11 月 26 日,地下室直线加速器机房的大

体积混凝土浇筑完毕,共计 3906 m

3

,工期提前 3 d 完

成,经过保湿养护,大体积混凝土的施工质量得到控

制,经医院第三方检测,无任何裂缝、裂纹,直线加速

器机房质量一次验收合格。

6 结语

对漳州市医院高新区院区地下室直线加速器机

房和回旋加速器机房特剪力墙,及顶板的超重混凝土

结构,施工中从超重模架的选择、混凝土配合比、水冷

降温、温控检测、保温保湿养护等几个方面进行严格

把控,取得了很好的成效。 尤其是特超重板的施工,

在技术和经验都不成熟的情况下,一举获得成功,这

是一次技术的新突破和宝贵经验的积累。 2022 年 9

月 15 日,在另一个项目诏安总医院中,直线加速器、

后装机机房的 2. 9 m 厚特超重板施工中推广采用该

项技术,施工质量得到很好的控制,顺利通过各方验

收,可为类似工程提供借鉴。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 大体积混凝土施工

标准:GB50496—2018[S]. 2018.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑施工承插型盘

扣式钢管支架安全技术规程:JGJ231—2010[S]. 2010.

[3] 余虹君. 建筑工程大体积混凝土裂缝控制与应用策略研

究[J]. 科技展望,2016(9):23.

[4] 赵振宇. 建筑工程大体积混凝土裂缝控制与应用[ J]. 四

川水泥,2015(227):74 - 75.

2023 年第 12 期

总第 306 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 12·2023

Vol·306

BIM 技术在圆形采光井高支模体系中的应用研究

张 亮

(福建省二建建设集团有限公司 福建福州 350001)

摘 要:为解决圆形采光井高支模施工重难点,将承插型盘扣式钢管支架高支模体系施工技术与 BIM 技术相结合。 应

用 BIM 技术建立圆形采光井高支模体系模型,进行承插型盘扣式钢管支架排布。 通过高支模 BIM 模型,研究圆形采光

井高支模体系施工重难点,对圆形采光井高支模体系进行信息统计,对涉及的多个专业进行可视化交底,利用数字化

圆形采光井高支模体系模型进行施工过程控制与验收。 BIM 技术在圆形采光井高支模体系中的应用研究,在工程实

践中提高了高支模体系施工的效率和质量,降低了成本和风险,为实现数字化高支模施工提供了新思路和新方案。

关键词: 圆形采光井高支模;承插型盘扣式钢管支架;BIM 技术;施工技术;数字化

中图分类号:TU17 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)12 - 0089 - 04

Research on application of BIM technology in high support mold system of circular lighting well

ZHANG Liang

(Fujian Provincial Erjian Construction Group Corp. Ltd. ,Fuzhou 350001)

Abstract:In order to solve the difficulties in the construction of high support mold of circular lighting well,the construction technology of

high support mold system of disk - buckle steel pipe support is combined with BIM technology. Applying BIM technology,the high support

mold system model of circular lighting well is established,and the pipe support of socket and disc buckle type is arranged. Through the BIM

model of the high support form,the key and difficult points of the construction of the high support form system of the circular lighting well

are studied,the information statistics of the high support form system of the circular lighting well are carried out,and the multiple professions involved are visually disclosed. The digital model of the high support form system of the circular lighting well is used for the control

and acceptance of the construction process. The application research of BIM technology in the high support form system of circular lighting

well improves the efficiency and quality of the high support form system construction in engineering practice,reduces the cost and risk,and

provides new ideas and schemes for the realization of digital high support form construction.

Keywords:High support mold system of circular lighting well; Socket type disc buckle steel pipe support; BIM technology; Construction

technology;Digitization

作者简介:张亮(1989. 4— ),男,工程师。

E-mail:312495893@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 22

0 引言

BIM 技术指建筑信息模型技术,是一种数字化的

建筑设计与管理方法,其通过使用计算机、软件和其

他技术,模拟建筑物的物理和功能特征。 BIM 技术已

经在建筑和土木工程等领域得到广泛应用,它可以为

建筑项目提供全生命周期信息管理和决策支持。 目

前,越来越多学者研究探讨 BIM 技术在建筑领域的应

用,其中高支模体系施工也是一个研究热点。 黄奇荣

等[1]对 BIM 技术在高大模板支撑体系中的应用进行

研究与分析。 赵惠惠等[2] 将 BIM 建筑信息技术和高

支模体系施工相结合,有效解决现场可能出现的碰撞

问题,为施工安全提供有效的保障。 宋淳[3]提出了基

于 BIM 技术进行模型设计、节点标注的方法。 刘旭冉

等[4]将 BIM 技术运用到模板工程中,快速直观地进

行模板放样,准确生成模板用料清单与 CAD 放样图。

蔡家齐[5]介绍了 BIM 技术在高大模板工程施工事前

管理中的实践与应用。 综上所述,随着 BIM 技术不断

发展和完善,其在建筑高支模体系施工中的应用也越

来越普及。

本文为解决圆形采光井高支模施工重难点,将

BIM 技术应用于圆形采光井高支模体系施工中,优化

施工过程和效率。 应用 BIM 技术建立圆形采光井高

支模体系模型,进行承插型盘扣式钢管支架排布。 通

过数字化圆形采光井高支模体系模型,研究圆形采光

井高支模体系施工重难点,对圆形采光井高支模体系

进行信息统计,对涉及的多个专业进行可视化交底,

利用数字化圆形采光井高支模体系模型,进行施工过

程控制与验收。

1 工程概况

某工程高支模中间为直径 19. 9 m 的圆形采光

井,从主体结构外挑出来,外挑长度 3. 5 m ~ 8. 5 m,中

间圆形梁(450 mm ×800 mm)与周边悬挑梁(350 mm ×

750 mm)、斜梁(350 mm × 1000 mm)连接。 采用盘扣

式钢管支架,搭设高度21. 4 m,搭设架体结构复杂,架