虹桥机场周边某既有住宅阳台改造加固的ANSYS有限元分析及荷载试验验证

李占鸿

（上海市房地产科学研究院／上海房屋质量检测站，上海200031）

虹桥机场周边某既有住宅阳台改造加固的ANSYS有限元分析及荷载试验验证

李占鸿*

（上海市房地产科学研究院／上海房屋质量检测站，上海200031）

虹桥机场周边既有住宅因降噪隔声要求需对阳台进行改造，设计方案保留原阳台板、新增钢筋混凝土阳台围护薄腹梁，薄腹梁与墙交接处设置混凝土柱。为确保房屋结构安全，按改造方案对改造后阳台采用ANSYS软件进行有限元分析计算，分析加固设计的安全性。改造加固实施完成后，采用加载试验进行了实测验证，并将实测结果与计算结果进行对比分析，两者比较吻合。

既有住宅，阳台，ANSYS，有限元分析，荷载试验

1 基本情况

上海虹桥机场距市中心仅13 km，周围遍布居民小区，飞机起降航道下正好是稠密的居民住宅区。作为紧挨市中心的一个繁忙空港，虹桥机场飞机的起降十分频繁，飞机起降过程中产生的噪声给居民造成了巨大的困扰。政府十分重视此项情况，在结合其他降噪措施的同时，对某些受飞机起降噪音影响特别大的小区，实施了既有住宅的降噪隔声改造。

根据样板试点工程降噪隔声改造工程的实验结果，进行了以下5项降噪隔声改造措施：①隔声窗改造；②隔声门改造；③屋顶隔声改造；④外墙加厚改造；⑤阳台栏板加厚改造，其中尤以隔声窗改造、隔声门改造以及阳台栏板加厚改造这三项措施的隔声降噪效果最为显著［1］。

因此，后续住宅隔声改造主要采用隔声窗改造、隔声门改造和阳台栏板加厚改造这三项措施。对于某既有住宅（建于20世纪90年代，6层砖混结构，其阳台板为现浇钢筋混凝土板，板厚100 mm，双层双向配筋；南北向板底配置φ8＠200钢筋，板顶配置φ12＠120钢筋；东西向板顶配置φ8＠200钢筋，板底配置φ6＠200构造钢筋），阳台窗改为双层降噪隔声窗，增加了荷载；另因降噪隔声要求栏板厚度不能小于150 mm，因而对阳台栏板进行了加厚。这对于阳台悬挑板，增加了大量荷载，存在安全隐患，需要进行加固［1］。

阳台加固方案几经比选，也参考了一些资料［2］，以及考虑居民的实际使用需求：保留原有阳台板，新增钢筋混凝土阳台围护薄腹梁，阳台薄腹梁高1 050 mm、宽150 mm；薄腹梁与墙交接处设置混凝土柱，混凝土柱宽120 mm、长270 m，纵向受力钢筋12φ12，箍筋φ8＠100箍筋；薄腹梁顶部和底部150 mm范围内，配置双排6φ8水平钢筋，顶部与底部之间每隔200 mm配置2φ8水平钢筋，水平钢筋与墙交接处均锚入新增混凝土柱中；竖向设置φ8＠100钢筋，竖向钢筋下端锚固于原阳台板（图1、图2）。

图1 楼层标准平面图Fig.1 Plane layout of standard floor

图2 阳台改造加固剖面图Fig.2 Cross section of the strengthened balcony

2 基于ANSYS的有限元分析

2.1 建模过程

根据模型特点，本次分析需要对几块板的受力性能进行分析，并期望获得板内部应力及变形的分布特点，因此采用大型有限元分析软件ANSYS进行分析。分析建模采用SOLID65单元，该单元采用的是整体式有限元模型，即将钢筋弥散于整个单元中，将加筋混凝土视为连续均匀材料，求出的是一个统一的刚度矩阵［3］。

建模考虑阳台板深入室内2 000 mm，并将阳台下圈梁、阳台栏板（薄腹梁）一起建模。圈梁、阳台板混凝土强度按现场实测采用C15，阳台栏板（薄腹梁）混凝土强度采用设计强度C45。配筋根据实际情况分别采用HPB235和HRB335。建好的模型图见图3。

图3 ANSYS模型图Fig.3 ANSYSmodel

2.2 计算结果

考虑到阳台栏板水平钢筋与墙交接处均锚入新增混凝土柱中，阳台栏板根部、圈梁侧面、阳台板内部侧面均采用全约束。施加荷载根据计算，阳台面总荷载（面荷载）P1＝0.01 N／mm2，阳台栏板上荷载（面荷载）P2＝0.06 N／mm2。

求解计算后，最大变形为0.429 mm（图4），截取阳台中轴线处进行切片（图5），可更直观地看到阳台板中部稍靠近圈梁处是变形最大部位，选取该节点的Z位移作为X轴，以阳台板面荷载为Y轴，绘制其力—位移曲线见图6。

图4 阳台的变形云图Fig.4 The deformation contour of balcony

图5 阳台中轴线处切片的变形图Fig.5 The deflection of balcony’s cross section

图6 阳台板变形最大点力—位移图Fig.6 The load-deformation curve of balcony slab

另外，选取阳台栏板（薄腹梁）顶部变形最大点，绘制其力—位移曲线见图7。由力—位移图形可知，结构变形均在弹性范围内。

图7 阳台栏板变形最大点力—位移图Fig.7 The load-deformation curve of balcony railing（maximum point）

绘制主筋钢筋应力图见图8，钢筋拉应力最大值为13.014 N／mm2，钢筋压应力最大值为－16.243 N／mm2，均在钢筋的强度范围内。绘制裂缝和压碎图见图9，除阳台板、阳台栏板（薄腹梁）和圈梁交接处应力集中点出现了局部开裂平面外，结构整体无开裂。

以上结论证明，阳台改造加固后，结构是安全的。

图8 主筋钢筋应力云图Fig.8 Stress contour ofmain rebar

图9 裂缝和压碎分布图Fig.9 Distribution of cracks and concrete crushing

3 阳台加固后的加载验证［4，5］

3.1 加载与卸载方法

1）加载方法

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）［6］以及设计单位提供的资料及数据，经计算得到阳台恒载标准值为22.31 kN，薄腹梁上恒载标准值为44.33 kN，阳台楼面均布活荷载标准值为2.5 kN／m2，阳台楼面活载标准值为13.00 kN，阳台楼面荷载组合值为47.22 kN；对应于该组合值的质量为4 818 kg；荷载组合值对应的质量与阳台恒载标准值对应的质量之差为阳台楼面最大试验荷载，为2 541 kg。

由于阳台栏杆上将安装隔音窗，所以不考虑阳台栏杆压顶上的活荷载和雪荷载，薄腹梁荷载组合值为55.86 kN，对应于该组合值的质量为5 700 kg；荷载组合值对应的质量与恒载标准值对应的质量之差为薄腹梁上最大试验荷载，为2 444 kg。

本次试验采用25 kg的铸铁砝码模拟均布荷载进行堆载，总加载量为5 t。加载过程采用分级加载，每级荷载作用持续时间为15 min，最大荷载堆载完毕后持续时间为30 min。具体加载过程见表1。

2）卸载方法

卸载过程按照上述加载过程逆序卸载，分两次卸载完毕。首次卸载为薄腹梁卸载，末次卸载为楼面板卸载；每次卸载完成持续15 min后测量残余变形并记录损坏情况。

3.2 监测点布置

板底南端东、中、西各布置一个百分表，记录位置、初值、每级读数。板底北侧圈梁底中部、板底中部北侧和中间各布置一个百分表，记录位置、初值、每级读数（挠度监测点布置图见图10）。

表1 阳台加载试验过程表Table 1 The scheme of loading test

图10 挠度监测点布置图Fig.10 Layout of themeasuring points

3.4 试验结果

根据加载试验过程，在加载前读取各百分表的初始读数，前5级荷载加载结束15 min后读取各百分表数值，第6级荷载即最后一级荷载加载结束30 min后读取各百分表数值；薄腹梁卸载结束15 min后读取各百分表数值，楼面板卸载结束15min后读取各百分表数值。试验过程各百分表读数见表2，各百分表挠度变化见图11。

3.5 试验结果分析

在整个试验过程中，板面四周、板底四周和中部、薄腹梁侧面、薄腹梁顶面、原始圈梁侧面和底面、新构造柱、相关墙体等部位均未出现由于承载力不足而引起的混凝土破损、受拉主筋端部滑脱现象，各结构构件连接部位也没有发现开裂现象。结构在荷载下处于弹性变形范围。

表2 试验过程各测点挠度读数Table 2 Deflection ofmeasuring poins

图11 各测点挠度变化图Fig.11 Deflection ofmeasuring point under loading

根据挠度监测结果，5号位挠度偏大，且变形曲线有奇异；而4号位变形偏小，在完全卸载后竟然回弹到0.220 mm；考虑到现场试验条件不是十分有利（在已入住的居民家中），此两点的测量结果存在一定的疑问，因此舍去不采用。其他各点挠度值均在0.250～0.450 mm之间。

4 结 论

现场试验结果和有限元分析结果都证明，结构在设计荷载下为弹性变形范围，基本没有开裂等结构损伤，阳台改造加固后，结构是安全的。

现场荷载的挠度测试取用较可信的6号位，最大值为0.389 mm，有限元计算最大值为0.429 mm，两者十分接近，证明有限元分析结果可靠，两者基本吻合。

有限元分析结果显示，钢筋拉应力最大值为13.014 N／mm2，位于阳台栏板（薄腹梁）的最上端，因此还可以指导后续设计对阳台栏板（薄腹梁）配筋值的优化。

［1］ 上海房屋质量检测站.沙申新村、茂盛花园十幢房屋检测［沪房鉴（001）证字第2012-1173号］，2012，8.

［2］ 沈继红，余琼.某住宅阳台改造设计及施工中遇到的问题［J］.结构工程师，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工程结构数值分析［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］ 许利军，周云，金毅.住宅阳台改造后安全性评估［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］ 上海房屋质量检测站.沙申新村24号204室南阳台加载试验［沪房鉴（001）证字第2012-1158号］.2012.8.

［6］ 中国工程建设标准化协会.GB 50009—2012建筑结构荷载规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，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

*联系作者，Email：13918362723＠163.com