既有结构加层改造的施工模拟加载方法研究

张 洋

(同济大学土木工程学院,上海 200092)



既有结构加层改造的施工模拟加载方法研究

张 洋

(同济大学土木工程学院,上海 200092)

简述了既有结构加层改造的常见方法与常用软件中的施工模拟加载方法，并对比分析了不同施工模拟加载方法的计算结果，针对既有结构加层改造的施工模拟加载方法的研究现状，提出了未来该方面的研究方向。

既有结构,加层改造,施工模拟加载,PKPM软件

0 引言

近几年，随着我国经济的快速发展，城市建设的速度和规模也大幅提升，人们对于建筑的需求也在不断增长。二十世纪六七十年代建造的许多低层建筑已经不能适应当今社会发展的需求，尽管其仍具有一定的使用功能，但在目前的国情下，如果全部拆除重建是不切实际的[1]。因此，从经济性以及结合旧房抗震加固改造等方面综合考虑，对既有结构进行加层改造，既达到了有效利用国土资源的目的，又达到了对既有房屋进行现代化改造的目的，无疑是解决当前供需矛盾的良策。

1 既有结构加层改造的常见方法

当前既有结构加层改造的常见方法包括：直接加层法、改变荷载传递加层法和外套框架加层法。

1.1 直接加层法

直接加层法是一种在原有承重结构与地基基础承载力和变形均能满足加层要求的情况下，通过挖掘原有结构的承载力，在不改变原有结构体系和平面布置的情况下经过加固处理或在原有结构的基础上直接加层的加层方法[2]。

1.2 改变荷载传递加层法

改变荷载传递加层法是一种在原有结构的承重结构体系或基础不能满足结构加层后承载力的要求，或为满足新的使用功能要求而需改变建筑平面布置，相应改变荷载传递途径及其结构布置的加层方法[3]。

1.3 外套框架加层法

外套框架加层法是一种在原有结构上加设外套结构，如框架、剪力墙或框架结构等，通过外套结构将加层部分的荷载传递给基础的加层方法[4]。

2 常用软件中的施工模拟加载方法

2.1 利用PKPM软件进行施工模拟加载

PKPM软件中提供了四种模拟施工加载的计算方法，即一次性加载、施工模拟1、施工模拟2和施工模拟3。

1)一次性加载。

一次性加载是先假定结构已经完成，再将荷载一次性加到结构上的加载方法。但实际工程中竖向荷载是逐步施加的，该方法高估了竖向构件轴向变形的影响，因此，构件的内力计算结果与实际受力状态相差较大。

2)施工模拟1。

施工模拟1的计算方法也是先假定结构已经存在，程序如图1所示进行计算，只不过荷载采用分层加载的方式。

3)施工模拟2。

施工模拟2是先将竖向构件的刚度放大10倍，再按施工模拟1的方法进行加载。这样可以达到削弱竖向荷载按刚度重分配的影响的目的，使墙柱轴力分配更均匀，导致传给基础的荷载更合理，从而更容易进行基础设计。

4)施工模拟3。

施工模拟3是先分层计算各层刚度，再分层施加竖向荷载的加载方法，相较于前三者能较准确地模拟结构竖向荷载的加载过程。其加载方式如图2所示[5]。

2.2 利用SAP2000软件进行施工模拟加载

SAP2000软件中提供了一个用于阶段性施工模拟加载的模块，该模块可以较准确地模拟结构在施工过程中质量、刚度、荷载等不断变化的过程。它是一种静力非线性的分析过程，施工模拟时将对每一个定义的施工阶段分析一次，且每次分析都是在上一次的基础上进行。在施工模拟过程中，每个阶段的构件由有效组来表示，当结构发生变化时，将根据所定义的阶段施工情况，优先判断哪些构件是新增加的，以及哪些是原有不变的，从而对于两者分别进行不同的操作[6]。

2.3 利用ANSYS软件进行施工模拟加载

ANSYS软件中采用生死单元技术[7]进行施工模拟加载，其原理为首先将尚未建成的结构单元“杀死”，即用一个很小的缩减因子乘以其刚度矩阵，同时将结构单元的质量、荷载、应变和其他分析特性设置为0，去除尚未建成的结构单元对结构总刚度和结构荷载的影响；然后按实际的施工次序，对结构单元逐层激活，并使结构单元的质量、荷载、刚度等逐步恢复为其初始值，从而达到模拟结构加层改造实际施工情况的目的。生死单元技术在每激活一次结构单元时，都会计算一次结构总刚度矩阵，在逐步修正结构总刚度矩阵的同时实现结构自重逐层施加的工况模拟。

3 不同施工模拟加载方法的计算结果分析与对比

在实际的建筑工程当中，随着人们逐渐发现一次性加载方法在设计上的不足，对于施工模拟加载方法的研究也越来越深入。

刘旺喜[8]针对一次性加载方法与阶段性施工模拟加载方法的竖向变形差异进行了对比分析，得出前者的楼层最大竖向变形约为后者的2倍。原因为一次性加载方法没有考虑施工找平因素，导致楼层的竖向变形层层积累，从而使得楼层的最大位移发生在结构顶端。因此，采用阶段性施工模拟加载方法可以较准确地计算楼层的竖向位移，而且偏于安全。

刘鑫等[9]应用SAP2000软件对20层两跨钢筋混凝土框架结构的算例进行了施工模拟加载分析，并与一次性加载方法的计算结果对比分析，发现后者计算得出的边柱轴力较大，中柱轴力偏小，而与边柱相连的梁端弯矩偏大，与中柱相连的梁端弯矩偏小。

张龙生等[10]利用了有限元软件MIDAS CIVIL对广州琶洲塔楼的6层～19层的钢结构悬挑改造工程进行了施工全过程模拟分析，并同时采用了PKPM和ETABS两种计算软件对悬挑区域的构件进行了额外的计算分析。计算结果显示部分原结构的桁架杆件与节点的内力有所增加，需要增加关键杆件的截面。因此，为确保结构施工安全，进行施工加载模拟分析是必不可少的。

4 既有结构加层改造的施工模拟加载研究现状

目前，国内对于既有结构加层改造的施工模拟加载研究较少，大多停留于应用一种加载方法对加层改造工程进行计算分析，缺少对多种加载方法结果的对比分析研究。

赵玲娴等[11]以上海徐汇区的5层工业厂房改造为9层高档写字楼为案例，按照一边加层一边拆层，由下至上的施工顺序，利用有限元软件ANSYS中的生死单元技术对其加层改造过程进行了施工模拟加载分析。根据计算结果显示，加层改造过程中结构体系的变化对新旧水平构件的内力影响较小，最大内力值发生在原结构的横向框架梁和新结构的横向框架梁中。另外，加层改造工程对原结构的框架柱轴力影响显著，影响程度沿柱高方向依次降低，而且伴随结构形式的转变，不同位置的框架柱的轴力变化也并不相同。

史新格[12]按照保定轩宇汽车集团有限公司对其办公楼改造的要求，设计了两种加层改造的方案，一种为全现浇混凝土框架方案，另一种为现浇混凝土框架无檩轻钢屋盖的混合结构方案，并利用PKPM软件中的SAT-8对两种方案进行了建模与计算分析。根据PKPM施工模拟加载的计算结果，具体如表1，表2所示，可以看出改造前后的结构振型次序没有发生变化，相应的结构周期都有所增加，但是增加的幅度并不相同，而且加层改造后结构的最大位移的各项指标都有所增加。

表1 改造前后结构周期对照表 s

表2 改造前后结构位移对照表

5 结语

综上可以看出对于既有结构加层改造的施工模拟加载方法目前缺乏系统性的分析，未涉及多种软件的计算结果对比、加层施工顺序对原结构的影响以及更快速、方便、准确的加层施工模拟方法的探索。因此，为了确保结构施工的安全性，需要对既有结构的加层改造施工模拟加载方法进行更深入的研究，对于不同的施工模拟加载方法的计算结果进行对比分析，得出更合理、更准确的施工模拟加载方法，以制定相应的加层改造步骤。

[1] 宋 锋.钢结构跃层加层技术及其工程应用研究[D].北京：清华大学,2004.

[2] 郝 鹏.浅谈既有建筑物加层方法选择及存在问题[J].科学之友,2011(2):7-8.

[3] CECS 78∶1996，砖混结构房屋加层技术规范[S].

[4] 刘子华,韩 雪,佟道林,等.既有建筑物加层改造技术探讨[J].工程抗震与加固改造,2007(4):98-101.

[5] 陈长林.SATWE中模拟加载方法的选用及计算结果分析[J].山西建筑,2009，35(2):102-103.

[6] 陈 波.高层建筑结构考虑施工过程的受力性能研究[D].西安：西安建筑科技大学,2010.

[7] 蒲红克.高层建筑施工过程仿真分析与CAD二次开发及应用[D].西安：西安理工大学,2001.

[8] 刘旺喜.带转换层高层建筑结构施工模拟分析研究[D].广州：广州大学,2014.

[9] 刘 鑫,刘伟庆,王曙光,等.高层混合结构基于模型分析的施工模拟方法[J].建筑结构,2013(4):18-22.

[10] 张龙生,王松帆,周小溦.广州琶洲PZB1301项目钢结构施工模拟分析[J].钢结构,2014，29(1):58-61.

[11] 赵玲娴,郑七振,杨 珏,等.对轻钢结构加层设计及施工的几点思考[J].中等职业教育(理论),2010(5):204-208.

[12] 史新格.保定轩宇汽车集团有限公司办公楼加层改造的设计与分析[D].天津：天津大学,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

张 洋(1991- )，男，在读硕士

TU311.41

A