張 洋

(同濟大學土木工程學院,上海 200092)

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既有結(jié)構(gòu)加層改造的施工模擬加載方法研究

張 洋

(同濟大學土木工程學院,上海 200092)

簡述了既有結(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，并對比分析了不同施工模擬加載方法的計算結(jié)果，針對既有結(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，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市建設(shè)的速度和規(guī)模也大幅提升，人們對于建筑的需求也在不斷增長。二十世紀六七十年代建造的許多低層建筑已經(jīng)不能適應(yīng)當今社會發(fā)展的需求，盡管其仍具有一定的使用功能，但在目前的國情下，如果全部拆除重建是不切實際的[1]。因此，從經(jīng)濟性以及結(jié)合舊房抗震加固改造等方面綜合考慮，對既有結(jié)構(gòu)進行加層改造，既達到了有效利用國土資源的目的，又達到了對既有房屋進行現(xiàn)代化改造的目的，無疑是解決當前供需矛盾的良策。

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，在不改變原有結(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，或為滿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軟件進行施工模擬加載

PKPM軟件中提供了四種模擬施工加載的計算方法，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)力計算結(jié)果與實際受力狀態(tài)相差較大。

2)施工模擬1。

施工模擬1的計算方法也是先假定結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在，程序如圖1所示進行計算，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的方法進行加載。這樣可以達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，導致傳給基礎(chǔ)的荷載更合理，從而更容易進行基礎(chǔ)設(shè)計。

4)施工模擬3。

施工模擬3是先分層計算各層剛度，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軟件進行施工模擬加載

SAP2000軟件中提供了一個用于階段性施工模擬加載的模塊，該模塊可以較準確地模擬結(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，施工模擬時將對每一個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)上進行。在施工模擬過程中，每個階段的構(gòu)件由有效組來表示，當結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，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，從而對于兩者分別進行不同的操作[6]。

2.3 利用ANSYS軟件進行施工模擬加載

ANSYS軟件中采用生死單元技術(shù)[7]進行施工模擬加載，其原理為首先將尚未建成的結(jié)構(gòu)單元“殺死”，即用一個很小的縮減因子乘以其剛度矩陣，同時將結(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)單元對結(jié)構(gòu)總剛度和結(jié)構(gòu)荷載的影響；然后按實際的施工次序，對結(jié)構(gòu)單元逐層激活，并使結(jié)構(gòu)單元的質(zhì)量、荷載、剛度等逐步恢復為其初始值，從而達到模擬結(jié)構(gòu)加層改造實際施工情況的目的。生死單元技術(shù)在每激活一次結(jié)構(gòu)單元時，都會計算一次結(jié)構(gòu)總剛度矩陣，在逐步修正結(jié)構(gòu)總剛度矩陣的同時實現(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算結(jié)果分析與對比

在實際的建筑工程當中，隨著人們逐漸發(fā)現(xiàn)一次性加載方法在設(shè)計上的不足，對于施工模擬加載方法的研究也越來越深入。

劉旺喜[8]針對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行了對比分析，得出前者的樓層最大豎向變形約為后者的2倍。原因為一次性加載方法沒有考慮施工找平因素，導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確地計算樓層的豎向位移，而且偏于安全。

劉鑫等[9]應(yīng)用SAP2000軟件對20層兩跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的算例進行了施工模擬加載分析，并與一次性加載方法的計算結(jié)果對比分析，發(fā)現(xiàn)后者計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對廣州琶洲塔樓的6層～19層的鋼結(jié)構(gòu)懸挑改造工程進行了施工全過程模擬分析，并同時采用了PKPM和ETABS兩種計算軟件對懸挑區(qū)域的構(gòu)件進行了額外的計算分析。計算結(jié)果顯示部分原結(jié)構(gòu)的桁架桿件與節(jié)點的內(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，國內(nèi)對于既有結(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)用一種加載方法對加層改造工程進行計算分析，缺少對多種加載方法結(jié)果的對比分析研究。

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)對其加層改造過程進行了施工模擬加載分析。根據(jù)計算結(jié)果顯示，加層改造過程中結(jié)構(gòu)體系的變化對新舊水平構(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有限公司對其辦公樓改造的要求，設(shè)計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對兩種方案進行了建模與計算分析。根據(jù)PKPM施工模擬加載的計算結(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)的最大位移的各項指標都有所增加。

表1 改造前后結(jié)構(gòu)周期對照表 s

表2 改造前后結(jié)構(gòu)位移對照表

5 結(jié)語

綜上可以看出對于既有結(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算結(jié)果對比、加層施工順序?qū)υY(jié)構(gòu)的影響以及更快速、方便、準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，需要對既有結(jié)構(gòu)的加層改造施工模擬加載方法進行更深入的研究，對于不同的施工模擬加載方法的計算結(jié)果進行對比分析，得出更合理、更準確的施工模擬加載方法，以制定相應(yīng)的加層改造步驟。

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

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