既有結(jié)構(gòu)加層改造的施工模擬加載方法研究

張 洋

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

?

既有結(jié)構(gòu)加層改造的施工模擬加載方法研究

張 洋

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

簡(jiǎn)述了既有結(jié)構(gòu)加層改造的常見方法與常用軟件中的施工模擬加載方法，并對(duì)比分析了不同施工模擬加載方法的計(jì)算結(jié)果，針對(duì)既有結(jié)構(gòu)加層改造的施工模擬加載方法的研究現(xiàn)狀，提出了未來(lái)該方面的研究方向。

既有結(jié)構(gòu),加層改造,施工模擬加載,PKPM軟件

0 引言

近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)的速度和規(guī)模也大幅提升，人們對(duì)于建筑的需求也在不斷增長(zhǎng)。二十世紀(jì)六七十年代建造的許多低層建筑已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需求，盡管其仍具有一定的使用功能，但在目前的國(guó)情下，如果全部拆除重建是不切實(shí)際的[1]。因此，從經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)合舊房抗震加固改造等方面綜合考慮，對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加層改造，既達(dá)到了有效利用國(guó)土資源的目的，又達(dá)到了對(duì)既有房屋進(jìn)行現(xiàn)代化改造的目的，無(wú)疑是解決當(dāng)前供需矛盾的良策。

1 既有結(jié)構(gòu)加層改造的常見方法

當(dāng)前既有結(jié)構(gòu)加層改造的常見方法包括：直接加層法、改變荷載傳遞加層法和外套框架加層法。

1.1 直接加層法

直接加層法是一種在原有承重結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)承載力和變形均能滿足加層要求的情況下，通過挖掘原有結(jié)構(gòu)的承載力，在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)體系和平面布置的情況下經(jīng)過加固處理或在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上直接加層的加層方法[2]。

1.2 改變荷載傳遞加層法

改變荷載傳遞加層法是一種在原有結(jié)構(gòu)的承重結(jié)構(gòu)體系或基礎(chǔ)不能滿足結(jié)構(gòu)加層后承載力的要求，或?yàn)闈M足新的使用功能要求而需改變建筑平面布置，相應(yīng)改變荷載傳遞途徑及其結(jié)構(gòu)布置的加層方法[3]。

1.3 外套框架加層法

外套框架加層法是一種在原有結(jié)構(gòu)上加設(shè)外套結(jié)構(gòu)，如框架、剪力墻或框架結(jié)構(gòu)等，通過外套結(jié)構(gòu)將加層部分的荷載傳遞給基礎(chǔ)的加層方法[4]。

2 常用軟件中的施工模擬加載方法

2.1 利用PKPM軟件進(jìn)行施工模擬加載

PKPM軟件中提供了四種模擬施工加載的計(jì)算方法，即一次性加載、施工模擬1、施工模擬2和施工模擬3。

1)一次性加載。

一次性加載是先假定結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成，再將荷載一次性加到結(jié)構(gòu)上的加載方法。但實(shí)際工程中豎向荷載是逐步施加的，該方法高估了豎向構(gòu)件軸向變形的影響，因此，構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力狀態(tài)相差較大。

2)施工模擬1。

施工模擬1的計(jì)算方法也是先假定結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在，程序如圖1所示進(jìn)行計(jì)算，只不過荷載采用分層加載的方式。

3)施工模擬2。

施工模擬2是先將豎向構(gòu)件的剛度放大10倍，再按施工模擬1的方法進(jìn)行加載。這樣可以達(dá)到削弱豎向荷載按剛度重分配的影響的目的，使墻柱軸力分配更均勻，導(dǎo)致傳給基礎(chǔ)的荷載更合理，從而更容易進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

4)施工模擬3。

施工模擬3是先分層計(jì)算各層剛度，再分層施加豎向荷載的加載方法，相較于前三者能較準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)豎向荷載的加載過程。其加載方式如圖2所示[5]。

2.2 利用SAP2000軟件進(jìn)行施工模擬加載

SAP2000軟件中提供了一個(gè)用于階段性施工模擬加載的模塊，該模塊可以較準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)在施工過程中質(zhì)量、剛度、荷載等不斷變化的過程。它是一種靜力非線性的分析過程，施工模擬時(shí)將對(duì)每一個(gè)定義的施工階段分析一次，且每次分析都是在上一次的基礎(chǔ)上進(jìn)行。在施工模擬過程中，每個(gè)階段的構(gòu)件由有效組來(lái)表示，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，將根據(jù)所定義的階段施工情況，優(yōu)先判斷哪些構(gòu)件是新增加的，以及哪些是原有不變的，從而對(duì)于兩者分別進(jìn)行不同的操作[6]。

2.3 利用ANSYS軟件進(jìn)行施工模擬加載

ANSYS軟件中采用生死單元技術(shù)[7]進(jìn)行施工模擬加載，其原理為首先將尚未建成的結(jié)構(gòu)單元“殺死”，即用一個(gè)很小的縮減因子乘以其剛度矩陣，同時(shí)將結(jié)構(gòu)單元的質(zhì)量、荷載、應(yīng)變和其他分析特性設(shè)置為0，去除尚未建成的結(jié)構(gòu)單元對(duì)結(jié)構(gòu)總剛度和結(jié)構(gòu)荷載的影響；然后按實(shí)際的施工次序，對(duì)結(jié)構(gòu)單元逐層激活，并使結(jié)構(gòu)單元的質(zhì)量、荷載、剛度等逐步恢復(fù)為其初始值，從而達(dá)到模擬結(jié)構(gòu)加層改造實(shí)際施工情況的目的。生死單元技術(shù)在每激活一次結(jié)構(gòu)單元時(shí)，都會(huì)計(jì)算一次結(jié)構(gòu)總剛度矩陣，在逐步修正結(jié)構(gòu)總剛度矩陣的同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重逐層施加的工況模擬。

3 不同施工模擬加載方法的計(jì)算結(jié)果分析與對(duì)比

在實(shí)際的建筑工程當(dāng)中，隨著人們逐漸發(fā)現(xiàn)一次性加載方法在設(shè)計(jì)上的不足，對(duì)于施工模擬加載方法的研究也越來(lái)越深入。

劉旺喜[8]針對(duì)一次性加載方法與階段性施工模擬加載方法的豎向變形差異進(jìn)行了對(duì)比分析，得出前者的樓層最大豎向變形約為后者的2倍。原因?yàn)橐淮涡约虞d方法沒有考慮施工找平因素，導(dǎo)致樓層的豎向變形層層積累，從而使得樓層的最大位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂端。因此，采用階段性施工模擬加載方法可以較準(zhǔn)確地計(jì)算樓層的豎向位移，而且偏于安全。

劉鑫等[9]應(yīng)用SAP2000軟件對(duì)20層兩跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的算例進(jìn)行了施工模擬加載分析，并與一次性加載方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)后者計(jì)算得出的邊柱軸力較大，中柱軸力偏小，而與邊柱相連的梁端彎矩偏大，與中柱相連的梁端彎矩偏小。

張龍生等[10]利用了有限元軟件MIDAS CIVIL對(duì)廣州琶洲塔樓的6層～19層的鋼結(jié)構(gòu)懸挑改造工程進(jìn)行了施工全過程模擬分析，并同時(shí)采用了PKPM和ETABS兩種計(jì)算軟件對(duì)懸挑區(qū)域的構(gòu)件進(jìn)行了額外的計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果顯示部分原結(jié)構(gòu)的桁架桿件與節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力有所增加，需要增加關(guān)鍵桿件的截面。因此，為確保結(jié)構(gòu)施工安全，進(jìn)行施工加載模擬分析是必不可少的。

4 既有結(jié)構(gòu)加層改造的施工模擬加載研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于既有結(jié)構(gòu)加層改造的施工模擬加載研究較少，大多停留于應(yīng)用一種加載方法對(duì)加層改造工程進(jìn)行計(jì)算分析，缺少對(duì)多種加載方法結(jié)果的對(duì)比分析研究。

趙玲嫻等[11]以上海徐匯區(qū)的5層工業(yè)廠房改造為9層高檔寫字樓為案例，按照一邊加層一邊拆層，由下至上的施工順序，利用有限元軟件ANSYS中的生死單元技術(shù)對(duì)其加層改造過程進(jìn)行了施工模擬加載分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，加層改造過程中結(jié)構(gòu)體系的變化對(duì)新舊水平構(gòu)件的內(nèi)力影響較小，最大內(nèi)力值發(fā)生在原結(jié)構(gòu)的橫向框架梁和新結(jié)構(gòu)的橫向框架梁中。另外，加層改造工程對(duì)原結(jié)構(gòu)的框架柱軸力影響顯著，影響程度沿柱高方向依次降低，而且伴隨結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)變，不同位置的框架柱的軸力變化也并不相同。

史新格[12]按照保定軒宇汽車集團(tuán)有限公司對(duì)其辦公樓改造的要求，設(shè)計(jì)了兩種加層改造的方案，一種為全現(xiàn)澆混凝土框架方案，另一種為現(xiàn)澆混凝土框架無(wú)檁輕鋼屋蓋的混合結(jié)構(gòu)方案，并利用PKPM軟件中的SAT-8對(duì)兩種方案進(jìn)行了建模與計(jì)算分析。根據(jù)PKPM施工模擬加載的計(jì)算結(jié)果，具體如表1，表2所示，可以看出改造前后的結(jié)構(gòu)振型次序沒有發(fā)生變化，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)周期都有所增加，但是增加的幅度并不相同，而且加層改造后結(jié)構(gòu)的最大位移的各項(xiàng)指標(biāo)都有所增加。

表1 改造前后結(jié)構(gòu)周期對(duì)照表 s

表2 改造前后結(jié)構(gòu)位移對(duì)照表

5 結(jié)語(yǔ)

綜上可以看出對(duì)于既有結(jié)構(gòu)加層改造的施工模擬加載方法目前缺乏系統(tǒng)性的分析，未涉及多種軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比、加層施工順序?qū)υY(jié)構(gòu)的影響以及更快速、方便、準(zhǔn)確的加層施工模擬方法的探索。因此，為了確保結(jié)構(gòu)施工的安全性，需要對(duì)既有結(jié)構(gòu)的加層改造施工模擬加載方法進(jìn)行更深入的研究，對(duì)于不同的施工模擬加載方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出更合理、更準(zhǔn)確的施工模擬加載方法，以制定相應(yīng)的加層改造步驟。

[1] 宋 鋒.鋼結(jié)構(gòu)躍層加層技術(shù)及其工程應(yīng)用研究[D].北京：清華大學(xué),2004.

[2] 郝 鵬.淺談既有建筑物加層方法選擇及存在問題[J].科學(xué)之友,2011(2):7-8.

[3] CECS 78∶1996，磚混結(jié)構(gòu)房屋加層技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 劉子華,韓 雪,佟道林,等.既有建筑物加層改造技術(shù)探討[J].工程抗震與加固改造,2007(4):98-101.

[5] 陳長(zhǎng)林.SATWE中模擬加載方法的選用及計(jì)算結(jié)果分析[J].山西建筑,2009，35(2):102-103.

[6] 陳 波.高層建筑結(jié)構(gòu)考慮施工過程的受力性能研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2010.

[7] 蒲紅克.高層建筑施工過程仿真分析與CAD二次開發(fā)及應(yīng)用[D].西安：西安理工大學(xué),2001.

[8] 劉旺喜.帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)施工模擬分析研究[D].廣州：廣州大學(xué),2014.

[9] 劉 鑫,劉偉慶,王曙光,等.高層混合結(jié)構(gòu)基于模型分析的施工模擬方法[J].建筑結(jié)構(gòu),2013(4):18-22.

[10] 張龍生,王松帆,周小溦.廣州琶洲PZB1301項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2014，29(1):58-61.

[11] 趙玲嫻,鄭七振,楊 玨,等.對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計(jì)及施工的幾點(diǎn)思考[J].中等職業(yè)教育(理論),2010(5):204-208.

[12] 史新格.保定軒宇汽車集團(tuán)有限公司辦公樓加層改造的設(shè)計(jì)與分析[D].天津：天津大學(xué),2009.

The research of construction load simulation methods of story-adding reconstruction in existing structure

Zhang Yang

(CollegeofCivilEngineeringTongjiUniversity,Shanghai200092,China)

This article has discusses the common methods of the reconstruction project and the common construction load simulation methods in software, compares the results of different construction load simulation methods. According to the research of construction load simulation methods of story-adding reconstruction, the future research direction is proposed.

existing structure, story-adding reconstruction, construction load simulation, PKPM software

1009-6825(2017)06-0051-02

2016-12-10

張 洋(1991- )，男，在讀碩士

TU311.41

A