虹橋機場周邊某既有住宅陽臺改造加固的ANSYS有限元分析及荷載試驗驗證

李占鴻

（上海市房地產科學研究院／上海房屋質量檢測站，上海200031）

虹橋機場周邊某既有住宅陽臺改造加固的ANSYS有限元分析及荷載試驗驗證

李占鴻*

（上海市房地產科學研究院／上海房屋質量檢測站，上海200031）

虹橋機場周邊既有住宅因降噪隔聲要求需對陽臺進行改造，設計方案保留原陽臺板、新增鋼筋混凝土陽臺圍護薄腹梁，薄腹梁與墻交接處設置混凝土柱。為確保房屋結構安全，按改造方案對改造后陽臺采用ANSYS軟件進行有限元分析計算，分析加固設計的安全性。改造加固實施完成后，采用加載試驗進行了實測驗證，并將實測結果與計算結果進行對比分析，兩者比較吻合。

既有住宅，陽臺，ANSYS，有限元分析，荷載試驗

1 基本情況

上海虹橋機場距市中心僅13 km，周圍遍布居民小區，飛機起降航道下正好是稠密的居民住宅區。作為緊挨市中心的一個繁忙空港，虹橋機場飛機的起降十分頻繁，飛機起降過程中產生的噪聲給居民造成了巨大的困擾。政府十分重視此項情況，在結合其他降噪措施的同時，對某些受飛機起降噪音影響特別大的小區，實施了既有住宅的降噪隔聲改造。

根據樣板試點工程降噪隔聲改造工程的實驗結果，進行了以下5項降噪隔聲改造措施：①隔聲窗改造；②隔聲門改造；③屋頂隔聲改造；④外墻加厚改造；⑤陽臺欄板加厚改造，其中尤以隔聲窗改造、隔聲門改造以及陽臺欄板加厚改造這三項措施的隔聲降噪效果最為顯著［1］。

因此，后續住宅隔聲改造主要采用隔聲窗改造、隔聲門改造和陽臺欄板加厚改造這三項措施。對于某既有住宅（建于20世紀90年代，6層磚混結構，其陽臺板為現澆鋼筋混凝土板，板厚100 mm，雙層雙向配筋；南北向板底配置φ8＠200鋼筋，板頂配置φ12＠120鋼筋；東西向板頂配置φ8＠200鋼筋，板底配置φ6＠200構造鋼筋），陽臺窗改為雙層降噪隔聲窗，增加了荷載；另因降噪隔聲要求欄板厚度不能小于150 mm，因而對陽臺欄板進行了加厚。這對于陽臺懸挑板，增加了大量荷載，存在安全隱患，需要進行加固［1］。

陽臺加固方案幾經比選，也參考了一些資料［2］，以及考慮居民的實際使用需求：保留原有陽臺板，新增鋼筋混凝土陽臺圍護薄腹梁，陽臺薄腹梁高1 050 mm、寬150 mm；薄腹梁與墻交接處設置混凝土柱，混凝土柱寬120 mm、長270 m，縱向受力鋼筋12φ12，箍筋φ8＠100箍筋；薄腹梁頂部和底部150 mm范圍內，配置雙排6φ8水平鋼筋，頂部與底部之間每隔200 mm配置2φ8水平鋼筋，水平鋼筋與墻交接處均錨入新增混凝土柱中；豎向設置φ8＠100鋼筋，豎向鋼筋下端錨固于原陽臺板（圖1、圖2）。

圖1 樓層標準平面圖Fig.1 Plane layout of standard floor

圖2 陽臺改造加固剖面圖Fig.2 Cross section of the strengthened balcony

2 基于ANSYS的有限元分析

2.1 建模過程

根據模型特點，本次分析需要對幾塊板的受力性能進行分析，并期望獲得板內部應力及變形的分布特點，因此采用大型有限元分析軟件ANSYS進行分析。分析建模采用SOLID65單元，該單元采用的是整體式有限元模型，即將鋼筋彌散于整個單元中，將加筋混凝土視為連續均勻材料，求出的是一個統一的剛度矩陣［3］。

建模考慮陽臺板深入室內2 000 mm，并將陽臺下圈梁、陽臺欄板（薄腹梁）一起建模。圈梁、陽臺板混凝土強度按現場實測采用C15，陽臺欄板（薄腹梁）混凝土強度采用設計強度C45。配筋根據實際情況分別采用HPB235和HRB335。建好的模型圖見圖3。

圖3 ANSYS模型圖Fig.3 ANSYSmodel

2.2 計算結果

考慮到陽臺欄板水平鋼筋與墻交接處均錨入新增混凝土柱中，陽臺欄板根部、圈梁側面、陽臺板內部側面均采用全約束。施加荷載根據計算，陽臺面總荷載（面荷載）P1＝0.01 N／mm2，陽臺欄板上荷載（面荷載）P2＝0.06 N／mm2。

求解計算后，最大變形為0.429 mm（圖4），截取陽臺中軸線處進行切片（圖5），可更直觀地看到陽臺板中部稍靠近圈梁處是變形最大部位，選取該節點的Z位移作為X軸，以陽臺板面荷載為Y軸，繪制其力—位移曲線見圖6。

圖4 陽臺的變形云圖Fig.4 The deformation contour of balcony

圖5 陽臺中軸線處切片的變形圖Fig.5 The deflection of balcony’s cross section

圖6 陽臺板變形最大點力—位移圖Fig.6 The load-deformation curve of balcony slab

另外，選取陽臺欄板（薄腹梁）頂部變形最大點，繪制其力—位移曲線見圖7。由力—位移圖形可知，結構變形均在彈性范圍內。

圖7 陽臺欄板變形最大點力—位移圖Fig.7 The load-deformation curve of balcony railing（maximum point）

繪制主筋鋼筋應力圖見圖8，鋼筋拉應力最大值為13.014 N／mm2，鋼筋壓應力最大值為－16.243 N／mm2，均在鋼筋的強度范圍內。繪制裂縫和壓碎圖見圖9，除陽臺板、陽臺欄板（薄腹梁）和圈梁交接處應力集中點出現了局部開裂平面外，結構整體無開裂。

以上結論證明，陽臺改造加固后，結構是安全的。

圖8 主筋鋼筋應力云圖Fig.8 Stress contour ofmain rebar

圖9 裂縫和壓碎分布圖Fig.9 Distribution of cracks and concrete crushing

3 陽臺加固后的加載驗證［4，5］

3.1 加載與卸載方法

1）加載方法

根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）［6］以及設計單位提供的資料及數據，經計算得到陽臺恒載標準值為22.31 kN，薄腹梁上恒載標準值為44.33 kN，陽臺樓面均布活荷載標準值為2.5 kN／m2，陽臺樓面活載標準值為13.00 kN，陽臺樓面荷載組合值為47.22 kN；對應于該組合值的質量為4 818 kg；荷載組合值對應的質量與陽臺恒載標準值對應的質量之差為陽臺樓面最大試驗荷載，為2 541 kg。

由于陽臺欄桿上將安裝隔音窗，所以不考慮陽臺欄桿壓頂上的活荷載和雪荷載，薄腹梁荷載組合值為55.86 kN，對應于該組合值的質量為5 700 kg；荷載組合值對應的質量與恒載標準值對應的質量之差為薄腹梁上最大試驗荷載，為2 444 kg。

本次試驗采用25 kg的鑄鐵砝碼模擬均布荷載進行堆載，總加載量為5 t。加載過程采用分級加載，每級荷載作用持續時間為15 min，最大荷載堆載完畢后持續時間為30 min。具體加載過程見表1。

2）卸載方法

卸載過程按照上述加載過程逆序卸載，分兩次卸載完畢。首次卸載為薄腹梁卸載，末次卸載為樓面板卸載；每次卸載完成持續15 min后測量殘余變形并記錄損壞情況。

3.2 監測點布置

板底南端東、中、西各布置一個百分表，記錄位置、初值、每級讀數。板底北側圈梁底中部、板底中部北側和中間各布置一個百分表，記錄位置、初值、每級讀數（撓度監測點布置圖見圖10）。

表1 陽臺加載試驗過程表Table 1 The scheme of loading test

圖10 撓度監測點布置圖Fig.10 Layout of themeasuring points

3.4 試驗結果

根據加載試驗過程，在加載前讀取各百分表的初始讀數，前5級荷載加載結束15 min后讀取各百分表數值，第6級荷載即最后一級荷載加載結束30 min后讀取各百分表數值；薄腹梁卸載結束15 min后讀取各百分表數值，樓面板卸載結束15min后讀取各百分表數值。試驗過程各百分表讀數見表2，各百分表撓度變化見圖11。

3.5 試驗結果分析

在整個試驗過程中，板面四周、板底四周和中部、薄腹梁側面、薄腹梁頂面、原始圈梁側面和底面、新構造柱、相關墻體等部位均未出現由于承載力不足而引起的混凝土破損、受拉主筋端部滑脫現象，各結構構件連接部位也沒有發現開裂現象。結構在荷載下處于彈性變形范圍。

表2 試驗過程各測點撓度讀數Table 2 Deflection ofmeasuring poins

圖11 各測點撓度變化圖Fig.11 Deflection ofmeasuring point under loading

根據撓度監測結果，5號位撓度偏大，且變形曲線有奇異；而4號位變形偏小，在完全卸載后竟然回彈到0.220 mm；考慮到現場試驗條件不是十分有利（在已入住的居民家中），此兩點的測量結果存在一定的疑問，因此舍去不采用。其他各點撓度值均在0.250～0.450 mm之間。

4 結 論

現場試驗結果和有限元分析結果都證明，結構在設計荷載下為彈性變形范圍，基本沒有開裂等結構損傷，陽臺改造加固后，結構是安全的。

現場荷載的撓度測試取用較可信的6號位，最大值為0.389 mm，有限元計算最大值為0.429 mm，兩者十分接近，證明有限元分析結果可靠，兩者基本吻合。

有限元分析結果顯示，鋼筋拉應力最大值為13.014 N／mm2，位于陽臺欄板（薄腹梁）的最上端，因此還可以指導后續設計對陽臺欄板（薄腹梁）配筋值的優化。

［1］ 上海房屋質量檢測站.沙申新村、茂盛花園十幢房屋檢測［滬房鑒（001）證字第2012-1173號］，2012，8.

［2］ 沈繼紅，余瓊.某住宅陽臺改造設計及施工中遇到的問題［J］.結構工程師，2003，19（4）：59-62.Shen Jihong，Yu Qiong.Problems in designing and reconstruction for an existing residential building［J］.Structural Engineers，2003，19（4）：59-62.（in Chinese）

［3］ 王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.Wang Xinmin.ANSYS numerical analysis of engineering structure［M］.Beijing：China Communications Press，2007.（in Chinese）

［4］ 許利軍，周云，金毅.住宅陽臺改造后安全性評估［J］.住宅科技，2012（12）：46-49.Xu Lijun，Zhou Yun，Jin Yi.Safety evaluation on transformed housing balcony［J］.Housing Science，2012，（12）：46-49.（in Chinese）

［5］ 上海房屋質量檢測站.沙申新村24號204室南陽臺加載試驗［滬房鑒（001）證字第2012-1158號］.2012.8.

［6］ 中國工程建設標準化協會.GB 50009—2012建筑結構荷載規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.China Association for Engineering Construction Standardizaiton.GB 50009—2012 Load code for the design of building stractures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2012.（in Chinese）

Analysis by ANSYS and Load Test Verification of the Strengthened Balcony of Existing Residential around Hongqiao Airport

LIZhanhong*
（Shanghai Real Estate Science Research Institute／Shanghai Housing Quality Inspection Station，Shanghai200031，China）

Due to the noise insulation retrofitting on the existing residential buildings around the Hongqiao Airport，balconieswere required for strengthening.Designers planned to retain the original balcony panels and cast in-situ reinforced concrete thin abdominal beams and columns to the originalwalls.To ensure the safety of rehabilitation，ANSYSwas adopted for analyzing this special structure.When strengthening construction was completed，a loading testwas carried out in-situ.Compared with the experimental data，the numerical results showed an acceptable agreement.

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2013－09－10

*聯系作者，Email：13918362723＠163.com