既有建筑整体顶升过程中的动力分析_时春霞.pdf

202212Building Construction2822既有建筑整体顶升过程中的动力分析时春霞 何 强 唐文伟上海建工五建集团有限公司 上海 200063摘要：以上海市文物保护建筑华东医院南楼为例，通过数值模拟方法，进行整体顶升过程中的动力分析，并对比上部结构构件的动力响应模拟结果和监测数据。结果表明：采取特定顶升同步控制策略下的顶升加速度时程，表现为具有较短持续时间的时程波段的周期性重复；上部结构构件的动力响应较小，结构顶升偏于安全；有限元模型可以在较大程度上反映顶升过程中的真实的结构动力响应。分析结果为既有建筑整体顶升过程中的动力分析提供了一种思路，可供类似项目参考。关键词：结构顶升；动力分析；数值模拟；监测数据中图分类号：TU746 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-2822-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.004Dynamics Analysis of Whole Jacking Process of Existing BuildingsSHI Chunxia HE Qiang TANG WenweiShanghai Construction No.5(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200063,ChinaAbstract:Taking the South Building of Huadong Hospital,a heritage preservation building in Shanghai,as an example,the numerical simulation method is used to carry out the dynamic analysis during the whole jacking process and the dynamic response simulation results of the superstructure members are compared with the monitoring data.The results show that:the time course of jacking acceleration under the specific jacking synchronization control strategy is shown as the periodic repetition of time wave with short duration;the dynamic response of the superstructure members is small and the structure is jacked on the safe side;the finite element model can reflect the real structural dynamic response in the jacking process to a greater extent.The analysis results provide an idea for the dynamic analysis of the whole jacking process of existing buildings,which can be used as a reference for similar projects.Keywords:structural jacking;dynamic analysis;numerical simulation;monitoring data动阶段的响应加速度，研究了木结构既有建筑在整体平移过程中的动力响应和榫卯节点的动力性能。1 整体顶升同步控制策略上海市文物保护建筑华东医院南楼为6层钢筋混凝土框架结构，原基础形式为钢筋混凝土浅基础和松木桩群所组成的复合型基础。为解决汛期排水难的问题，现通过整体顶升技术，将建筑整体顶升1.2 m。该历史建筑平面呈工字形，具有平面刚度差异大、占地面积大、顶升质量大的特点，对顶升同步控制及精度要求严格。顶升时采用交替式顶升方法（图1），通过顶升泵站控制2组顶升设备交替顶升，每次各组设备顶升10 cm，直至到达顶升设计高度。在主动托换过程中，顶升设备的伸长量会补偿压缩变形。支垫顶升设备时采用支撑钢筒，支撑钢筒根据不同高度可分为1.0、0.5、0.2、0.1 m这4种类型。随着顶升总行程的增大，采用高度更大的支撑钢筒替换原先使用的高度较小的支撑钢筒（图2）。上述方法在一定程度上实现了对顶升误差的控制，但由于支撑钢筒的高度限制，不能直接划分为更小的单次顶升行程，仍难以保证满足技术规程要求。根据在整体顶升过程中，建筑物在结构自重和竖向顶升力的共同作用下处于变速运动状态，上部结构构件将相应地发生动力响应。既有建筑在设计初期并未专门考虑顶升动力荷载对结构的影响，长期服役过程中还发生了材料和结构性能的退化。此外，顶升期间上部结构增设托换梁后支承于顶升设备上，支承处的约束减弱。因此，从安全角度考虑，顶升加速度的特点、既有建筑上部结构的动力性能及顶升作用下的结构动力响应值得研究。既有建筑移位过程中的动力分析已有一定的研究基础：2011年，金海陆1运用有限元软件ANSYS提供的重力释放功能将各顶升点的顶升力转化为仿真模型中各节点的加速度，再通过在仿真模型任意节点上施加约束来防止建筑模型的刚体运动，对建筑物顶升平移过程进行了仿真分析；2013年，赵士永2结合工程实践，运用有限元软件SAP2000分析了既有建筑上部结构的自振周期以及平移启作者简介：时春霞（1983），女，博士，高级工程师。通信地址：上海市普陀区大渡河路858号（200333）。电子邮箱：收稿日期：2022-09-21华东医院修缮专题SPECIAL TOPICS ON RENOVATION OF HUADONG HOSPITAL建筑施工第44卷第12期2823A组千斤顶B组千斤顶托换梁托换桩原木桩新基础底板原基础梁顶升设备图1 交替式顶升方法示意图2 施工现场顶升设备布置实景JGJ/T 2392011建（构）筑物移位技术规程3，相邻升降点之间的升降差不应大于升降点间距的2/1 000，顶升总体升降差不应大于建（构）筑物该方向宽度的2/1 000且不应大于20 mm。因此，还须采用二次划分顶升行程的同步控制策略，将单次10 cm的顶升行程划分为50个2 mm的顶升行程，通过基于可编程逻辑控制器（PLC）的液压控制系统每次对各顶升设备发出顶升2 mm行程的指令，累计发出50次，在每次极小的行程中，即可实现高精度的整体顶升同步控制。2 整体顶升过程中的动力分析文物建筑华东医院南楼服役已有百年，材料和结构性能都发生了退化，当年的结构抗震设计和抗震构造措施也与现行的抗震理念、规范要求有所偏差。再者，整体顶升过程中，上部结构增设托换构件后支承于顶升设备上，相较于固结于原基础，支承处约束减弱，更近似于铰节点。因此，该历史建筑上部结构的动力性能及顶升力作用下的动力响应值得研究。2.1 数值模型建立2.1.1 建模参数及动力边界条件利用有限元软件Midas Gen建立华东医院南楼上部结构含托换梁的数值模型（图3）。模型中梁、柱采用梁单元，楼板采用网格剖分而成的四节点壳单元。上部结构的混凝土强度根据勘查报告取为C18，托换梁的混凝土强度取为C40。荷载类型仅考虑结构自重。外墙质量以在梁上施加线荷载的方式进行考虑。根据勘察报告，外墙为黏土砖墙，所施加的线荷载大小为27.65 kN/m。图3 含托换梁的上部结构模型设置模型边界条件时，采用多支座激振的方式在各结构柱底施加加速度时程曲线，近似取各监测点处的响应加速度分别作为同步顶升时程加速度。2.1.2 响应加速度数据前处理华东医院南楼整体顶升时，在托换梁的南、北两侧分别安装1个竖向加速度传感器（测点1、2），中部安装1个三向加速度传感器（测点3），用以监测顶升时的结构响应加速度。选取连续约24 h、涵盖2个完整顶升时段的加速度响应数据，以分析顶升加速度特点，并进行设置边界条件时的数据前处理。测点1、2、3处的竖向加速度见图4（a），测点3处的三向加速度见图4（b）。由图4可知：相较于测点3，测点1和测点2在同一时刻往往具有更大的竖向响应加速度；各测点处的响应加速度峰值仅有约0.01g（g为重力加速度）。各监测点处约24 h的响应加速度峰值如表1所示。504030201001020304050测点3南北向加速度测点3东西向加速度测点3竖向加速度测点1竖向加速度测点2竖向加速度测点3竖向加速度0 1 2 3 4 5 6 7 8 9加速度/（mm/s2）时间/（102 s）0 1 2 3 4 5 6 7 8 9时间/（102 s）（b）测点3的三向加速度（a）测点1、2、3竖向加速度10050050100150加速度/（mm/s2）图4 各测点响应加速度结构顶升是一个较为缓慢的过程，顶升加速度一般在时春霞、何强、唐文伟:既有建筑整体顶升过程中的动力分析202212Building Construction2824表1 各测点处约24 h的响应加速度峰值项目第1个顶升工日第2个顶升工日测点1竖向加速度34.40mm/s2（约0.0035g）40.42mm/s2（约0.0041g）测点2竖向加速度28.91mm/s2（约0.0030g）26.30mm/s2（约0.0027g）测点3竖向加速度42.88mm/s2（约0.0044g）36.01mm/s2（约0.0027g）测点3南北向加速度 36.79mm/s2（约0.0038g）60.90mm/s2（约0.0062g）测点3东西向加速度 107.35mm/s2（约0.0111g）41.62mm/s2（约0.0042g）0.5 m/s2（约0.05g）以下，考虑到华东医院南楼是文物保护建筑，具有平面刚度差异较大、占地面积大、顶升质量大的特点，实际施工时的顶升加速度进一步减小，以保证施工安全和结构安全。设置数值模型边界条件时，选取各测点响应加速度峰值处的时程曲线波段（图5）。从图5可知，顶升加速度时程表现为具有较短持续时间的时程波段的周期性重复，从加速度达到所选取的一段时程曲线峰值的10%那一点算起，到最后一点达到该段时程曲线峰值的10%为止，持续时间仅有约1 s。加速度时程曲线的特点与顶升施工时二次划分顶升行程，每次对各顶升设备发出顶升2 mm行程指令的同步控制策略相吻合。5040302010010203040加速度/（mm/s2）3020100102030加速度/（mm/s2）10005050100150加速度/（mm/s2）0 50 100 150 200 250 300测点1竖向加速度时间/（102 s）（a）测点1处竖向加速度0 50 100 150 200 250 300时间/（102 s）（b）测点2处竖向加速度0 50 100 150 200 250 300时间/（102 s）（c）测点3处三向加速度测点2竖向加速度测点3南北向加速度测点3东西向加速度测点3竖向加速度图5 用于设置顶升边界条件的响应加速度时程波段2.2 数值模拟结果根据响应加速度的峰值大小，决定进行结构反应谱分析和结构线弹性时程分析。对所输入的3组加速度时程曲线的计算结果取包络值。数值模型的竖向模态振型如图6所示，各模态的自振周期如表2所示。顶升设备作用周期一般在3 s以上甚至更大，远大于结构的最大自振周期，故不会引起结构共振。（a）md-z模态1（b）md-z模态2（c）md-z模态3（d）md-z模态4（e）md-z模态5（f）md-z模态6图6 数值模型的竖向模态振型表2 数值模型的自振周期振型自振周期/s10.1031020.1017030.0988240.0969550.0959260.09507各时程分析中的构件应力最值见表3，图7为某层梁在各时程分析中单元局部坐标系下由绕y轴