楼层平移前梁柱静态分析——以莱芜高新区管委会综合楼为例

夏风敏，田忠诚，范夕森，贾留东

（山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101）

楼层平移前梁柱静态分析
——以莱芜高新区管委会综合楼为例

夏风敏，田忠诚，范夕森，贾留东

（山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101）

支座形式的改变对结构内力及变形产生影响，决定楼层平移能否顺利进行，对结构的内力和节点位移变化进行研究可为确定平移对结构的影响提供理论依据。文章以莱芜市高新区管委会综合楼平移工程为背景，基于平移所需要的实际情况，应用有限元软件ETABS建立了原模型、局部托换模型、施工完托换桁架模型等3种模型；对比分析了3种模型的梁端和柱端内力值，研究其梁柱节点位移，探索局部托换模型以及施工完托换桁架模型相对于原模型的端部内力和节点位移变化幅度。结果表明:支座形式的改变对结构的影响程度随层数增加而减小；梁在竖向及水平荷载作用下内力变化幅度分别为-13.34%～2.6%与-8.12%～15.57%，柱因支座形式及端部位置不同而差别较大；托换桁架对降低柱下端内力变化幅度作用明显，水平荷载下可降低90%；节点水平位移变化幅度大于竖向位移变化幅度，主楼节点竖向位移大于裙楼。

平移；静态分析；应力；托换桁架

0 引言

随着城市的发展进步，一些仍然有利用价值的建筑物会与城市的整体规划有冲突，为充分利用其价值，保护珍贵的具有纪念意义的建筑物，避免资源的浪费，楼层平移技术可以较好的解决这方面的矛盾。但是许多平移工程的设计与施工仅依靠专家的经验进行，有些平移工程因缺少理论依据而引发一些工程事故［1］。从世界上第一个建筑平移工程，采用蒸汽机提供牵引力的新西兰普利茅斯市的1所农宅［2］，一直到采用同步控制措施由15个顶推千斤顶提供动力的江南大酒店平移［3］，楼层平移技术已经得到了充分的发展。我国也已经有许多成功的楼层平移工程［4］，但是在平移前对平移风险的预估不足，平移对结构的影响程度缺少理论依据。

国内一些学者的研究主要集中在平移过程及托换桁架节点受力性能的研究。张鑫对结构平移过程中牵引力公式进行了研究，通过试验分析以及他主持进行的平移工程，得出的启动牵引力公式对国内平移工程牵引力的设计起到了指导作用［5-6］。吴二军等通过对江南大酒店整体平移的实时监测，得出平移过程中实时监测对保证工程成功是非常必要的［7］。一些学者对托换节点抗震性能和抗剪性能作了深入研究［8-11］。迟婧雅通过对托换节点的数值分析，得出托换梁剪跨比对托换节点的受力性能影响最大［12］。目前对楼层平移前的安全性研究还有不足，只有充分把握平移前结构的安全性才可以对结构进行平移。由于结构托换是楼层平移的重要步骤，是确保楼层平移顺利进行的核心［13］，所以通过静态分析确定托换桁架所起作用的程度。文章以莱芜市高新区管委会综合楼平移工程为例，对平移前的安全性进一步研究，分析楼层平移前支座形式改变对结构内力和节点位移在建筑水平和竖向上的影响，研究支座形式改变后的内力和变形相对于原结构的内力和变形的变化幅度，找到施工时容易破坏的梁柱位置，对内力和位移变化幅度进行控制，为确定平移对结构的影响提供理论依据。

1 工程概况

莱芜市高新区管委会综合楼由于凤凰路向南延伸，需要将其整体向西平移［14］。平移的综合楼是框架—剪力墙结构，地上15层，地下1层。基础为650 mm厚的筏板基础，基础梁高度为2000 mm，建筑物长度为72.8 m、宽度为41.3 m，地上高度为67.6 m，总建筑面积24000 m2，如图1（a）所示，柱距为6.0 m，跨度有7.5 m和9.0 m两种，在主楼与裙楼之间没有变形缝。托换结构采用了柱包裹式托换结构［5］，行走方式采用以100 mm实心钢滚轴为行走机构的滚动式，如图1（b）所示。向西平移之后坐落于新基础之上，新基础为桩筏基础。

图1 建筑物平面及托换结构布置图

2 三种梁柱静态分析模型建立

为了对柱截断后楼层平移前结构各部分的内力和位移充分了解，选择原模型（模型Ⅰ）、局部托换模型（模型Ⅱ）以及施工完托换桁架模型（模型Ⅲ）等3种模型，应用有限元软ETABS进行对比分析。这3种模型上部结构与建筑最初设计使用的情况完全相同，不同之处在于支座的约束情况。原模型由于基础为筏板基础，支座形式看作固接；局部托换模型支座约束形式看作铰接；施工完托换桁架模型支座约束也看作铰接。

2.1 原模型

原模型按照建筑物最初设计时的形式建模，梁最大截面为600 mm×1200 mm，柱最大截面为1200 mm ×1200 mm。竖向荷载包括恒荷载和活荷载两部分，楼面恒荷载取4.0 kN／m2，活荷载取2.0 kN／m2，填充墙荷载取7.0 kN／m，填充墙位置按建筑要求确定。由于在平移过程中基本不可能发生地震以及大风的情况，所以为了分析的方便以及准确性，分析时仅考虑10年一遇的风荷载，基本风压为0.3 kN／m2［15］，不考虑地震作用。负一层柱底支座约束情况按照固接的形式，如图2所示。

图2 原模型计算简图

2.2 局部托换模型

局部托换模型是将每个柱子进行单独的包裹式托换，然后在原模型的基础顶部将各柱与原基础分离。此模型与原模型上部结构及参数完全相同，负一层柱底支座约束情况看作铰接。其局部计算模型简图如图3所示。

图3 局部托换模型计算简图

2.3 施工完托换桁架模型

施工完托换桁架模型是在上一模型柱进行包裹式托换之后，将各托换节点相连接形成托换桁架，实际工程中，托换桁架的每一组连梁为两根高宽完全相同的梁连接在托换柱上，与柱子外边缘平齐。这里进行了一定的简化，将两个梁合并成宽为二者之和、高与其相同的一根梁，连接在柱子的形心处，柱子的截面不变。上部结构及其他参数也与原结构相同，托换结构柱底支座的约束情况看作铰接，如图4所示。

图4 施工完托换桁架模型计算简图

3 三种模型的内力和位移对比分析

支座约束截断以后肯定会对结构内力和变形产生影响，对计算结果的初步对比发现，由于支座约束截断而对三层以上柱端、梁端内力及节点位移几乎没有影响。主要对负一层至二层中9轴的梁柱进行分析。梁、柱、节点编号以及各模型计算简图如图2 ～4所示。

3.1 竖向荷载和水平荷载作用下梁端内力及变化分析

竖向荷载作用下，对应于各模型计算梁B229、B230、B231的端弯矩及变化幅度，见表1。

表1 竖向荷载作用下梁端弯矩、变化幅度

由表1中数据可以看出，梁端弯矩变化范围在-13.34%～2.6%之间。但是由于原设计梁柱的承载力富余度均在15%以上，所以内力改变后结构仍然能够满足承载力要求。针对每一层内力情况，主楼部分的梁相对于裙楼部分变化幅度小，同时连接主楼梁和裙楼梁的点49梁端（B229右端和B230左端）弯矩的变化幅度差别相对较大。对于梁B229左端和右端的弯矩值差别较大，主要是因为其处于主楼和裙楼的相交处。各楼层的梁ΔⅢ比 ΔⅡ大，主要是由于安装托换桁架之后柱高度降低，柱刚度增大，造成内力重分布，所以梁内力有所增大，但变化幅度仍然在原设计允许变化范围之内。在施工过程中竖向上应该对每一层群楼和主楼连接处重点观察，水平上应该重点对负一层进行观测，主楼与裙楼相交处的节点和梁是薄弱部位。

水平荷载作用下，对应于各模型计算梁B229、B230、B231的端弯矩及变化幅度，见表2。

表2 水平荷载作用下梁端弯矩、变化幅度

水平荷载作用下梁端弯矩的变化同样满足竖向荷载作用下的规律。对比表1和2中数据，对于各模型，水平荷载作用下相对于竖向荷载作用下内力变化幅度有所增大，虽然在实际平移工程中遇到大风的概率很小，但是由于水平荷载不易控制，也要考虑其影响因素。

水平及竖向荷载作用下梁端最大弯矩变化幅度如图5所示。

图5 竖向及水平荷载作用下梁端最大弯矩变化幅度图

由图5可看出，随着层数的增加，由于局部托换以及施工完托换桁架对梁各端内力变化的影响，在水平及竖向荷载作用下均逐渐减小。这也证明了仅选择底部三层进行分析是合理的。

3.2 竖向荷载和水平荷载作用下柱端内力及变化分析

竖向荷载作用下，对应于各模型底层柱C28、C45、C46的内力及变化幅度见表3。

由表3中数据可以看出，模型Ⅱ底层柱端内力变化幅度范围主要在-100%～12.54%之间。模型Ⅲ底层柱端内力变化幅度范围在-44.40%～10.90%之间，相对于模型Ⅱ有所降低，安装托换桁架可以降低对柱内力的影响。对于底层柱下端，施工完托换桁架可以降低内力变化幅度，主要是由于托换桁架的嵌固作用相对于模型Ⅱ的铰接形式可以抵抗一定的弯矩。模型Ⅲ底层柱上端内力变化幅度相对于模型Ⅱ有所增加，但变化幅度仍然在原设计允许变化范围内。对于负一层的各柱，由于支座形式改变对边柱C28的影响较大，对边柱的影响相对于中柱大。

表3 竖向荷载作用下柱端弯矩、变化幅度

水平荷载作用下，对应于各模型底层柱C28、C45、C46的内力及变化幅度见表4。由表4可知，模型 Ⅱ柱端弯矩变化幅度范围在-100%～-2.31%之间，是由于支座形式改变，水平约束减小造成底层柱下端内力变化幅度大。模型Ⅲ柱端弯矩变化幅度在-35.28%～4.66%之间，其中C28上端弯矩数值较小，比值会失真，所以没有考虑，变化幅度相对于模型Ⅱ降低。

表4 水平荷载作用下柱端弯矩、变化幅度

水平及竖向荷载作用下模型Ⅲ柱下端内力变化幅度相对于模型Ⅱ降低，并且在水平荷载作用下降低效果达90%，说明托换桁架的嵌固作用在抵抗水平荷载时发挥了很大的作用。

3.3 竖向荷载和水平荷载作用下梁柱节点位移及变化分析

在竖向及水平荷载作用下节点位移及变化幅度见表5。

表5 节点位移及变化幅度

由表5中计算结果看出，绕3个轴方向上的角位移较小，变化幅度不大，这里没有再列出，仅将3个方向上的最大线位移列于表格之中。其中，Ux和Uy分别为x和y方向水平荷载作用下的位移，Uz为竖向荷载作用下的位移。由表5中数据可以看出，对于三种模型节点位移，在竖向上随层数的增加而逐渐增大；对于同一楼层，各节点水平方向上的位移没有差别，竖向由于主楼柱竖向荷载大于裙楼柱竖向荷载，所以主楼节点位移大于裙楼节点位移。梁B229两端分别为节点9和节点49，在此梁的两端竖向位移差别相对较大，例如模型Ⅲ对应两节点的竖向位移分别为-0.0915、-0.3497 mm，两端的位移差值大，所以对梁B229绕x轴的转动是不可忽视的。对于节点9由于主楼和裙楼之间没有伸缩缝或者沉降缝，所以会造成该节点为脆弱部位。

在水平及竖向荷载作用下，节点位移变化幅度有如下规律:在竖向上对于两种模型的变化幅度随层数的增加而减小；对于同一楼层水平方向上的位移变化幅度相同，竖向同样是因为主楼与裙楼柱竖向荷载差别较大，主楼节点位移变化幅度大于裙楼。Δ′Ⅲ大于 Δ′Ⅱ主要是因为模型Ⅲ在建模时将负一层的柱高度减小了1 m，然后插入高度为1 m的托换结构，从而引起施工完托换桁架模型的位移变化幅度较大。其中由各层的位移变化幅度 Δ′Ⅲ可以看出，托换桁架对位移变化幅度的影响主要集中在负一层，对二层以上的影响是在可控范围之内的，所以需要对负一层各节点的位移变化重点观察。虽然各节点的竖向位移Uz相对于水平位移Ux和Uy大，但是其变化幅度却小于水平位移，所以应该增加对水平位移变化的控制。

4 结论

上述研究表明:

（1）楼层平移前模型Ⅱ和模型Ⅲ由于支座形式改变对结构内力和梁柱节点位移的影响程度随层数的增加逐渐减小，主要集中在底部。

（2）支座形式改变会对梁柱内力造成影响，模型Ⅱ和模型Ⅲ的梁内力变化幅度在竖向荷载作用下为-13.34%～2.6%，水平荷载作用下为-8.12% ～15.57%，柱因支座形式及端部位置不同而差别较大，底层柱及主楼和裙楼连接处节点两侧的梁内力变化幅度大，对边柱的影响大于中柱。

（3）模型Ⅲ中托换桁架在降低柱下端内力变化幅度中起到关键的作用，特别是在水平荷载作用下，降低效果达90%。

（4）各梁柱节点水平位移变化幅度大于竖向位移变化幅度，节点竖向位移中，主楼变化幅度大于裙楼。

［1］ 都爱华，张鑫，赵考重，等.建筑物整体平移技术的试验研究［J］.工业建筑，2002，32（7）:4-6.

［2］ 张鑫，徐向东，都爱华.国外建筑物整体平移技术的进展［J］.工业建筑，2002，32（7）:1-3.

［3］ 卫龙武，吴二军，李爱群，等.江南大酒店整体平移工程的关键技术［J］.建筑结构，2001，31（12）:6-8.

［4］ 李爱群，吴二军.我国建筑物整体平移技术及工程应用进展［J］.江苏建筑，2003（S1）:48-54.

［5］ 张鑫，都爱华，张绘军.建筑物平移技术牵引力计算公式和动力分析的研究［J］.山东建筑大学学报，2010，25（3）:222-225.

［6］ 张鑫，蓝戊己.建筑物移位工程设计与施工［M］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

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［8］ 李娜.混凝土柱组装式钢托换节点抗剪性能的试验研究［D］.济南:山东建筑大学，2013.

［9］ 李书荣.建筑移位托换节点的抗震性能研究［D］.济南:山东建筑大学，2014.

［10］巩善亮.框架柱托换节点抗震性能的试验研究［D］.济南:山东建筑大学，2015.

［11］程伟伟.框混凝土柱粘贴组合式钢托换节点抗剪性能试验研究［D］.济南:山东建筑大学，2015.

［12］迟婧雅.框架结构整体平移托换节点数值分析［D］.济南:山东建筑大学，2013.

［13］张鑫，岳庆霞，贾留东.建筑物移位托换技术研究进展［J］.建筑结构，2016，46（5）:91-96.

［14］贾留东，夏风敏，张鑫，等.莱芜高新区15层综合楼平移设计与现场检测［J］.建筑结构，2009，30（6）:134-141.

［15］GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

（学科责编：赵成龙）

Static analysis of beam s and columns of com plex building before translation:A case study of high-tech zone of Laiwu

Xia Fengmin，Tian Zhongcheng，Fan Xisen，et al.
（School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The change of support form has influence on structural internal force and formation，and decideswhether the floormoving can run smoothly or not，and the analysis of the internal force and joint displacement change of the structure is necessary.Based on the translation of complex building in high-teach zone of Laiwu，with the finite element software ETABS program，the paper builds three models of originalmodel，local underpinningmodel that cuts column off foundation and themodel that install underpinning structure according to the actual situation of the translation，analyzes the three models'force values of beams end and columns end under the three kinds of condition and consider threemodels beam-column node displacement，explores the change range about the model that cut column off foundation and local underpinning and themodel that install underpinning structure relative to the originalmodel.The results show that the effects of the change of support on structural internal force decreases with the increase of thee layer number.The internal force variation of beam is -13.34%～2.6%and-8.12%～15.57%under vertical and horizontal load，and the column with different support forms and end position has a bigger difference.Underpinning the truss has an obvious effect on reducing the column bottom internal force variation，and it can be reduced by 90%under the horizontal load.Nodes in the horizontal displacement amplitude is greater than that in vertical displacement，and vertical node displacement of the main building is greater than that of skirtbuilding.

translation；static analysis；stress；underpinning truss

TU746.4

A

1673-7644（2017）03-0284-06

2017-05-12

山东省教育厅科技项目（J10LE06）

夏风敏（1974-），女，副教授，硕士，主要从事建筑物加固改造等方面的研究.E-mail:XFM＠sdjzu.edu.cn