既有建筑基础托换过程中的结构响应分析_时春霞.pdf

建筑施工第44卷第12期2815既有建筑基础托换过程中的结构响应分析时春霞 何 强 潘 峰上海建工五建集团有限公司 上海 200063摘要：在基础托换施工中，建筑基础会因竖向荷载重分布而相应发生沉降变化，上部结构基于此所做出的结构响应值得研究。以上海文保建筑华东医院南楼基础托换、整体顶升工程为背景，通过有限元分析方法，模拟分析各施工工况中的上部结构响应情况。对于同一工况，分别根据沉降监测数据和沉降数值模拟结果设定边界条件，并将有限元模型中梁、柱单元截面正应力在不同工况中的变化情况和实际监测所得的应力数据变化进行对比。结果表明：有限元模型可以在较大程度上反映各施工工况中的结构响应变化，据此可找出需重点监测的工况，以确保施工中结构安全。该方法为既有建筑基础托换施工中的结构响应分析提供了一种思路。关键词：基础托换；基础沉降；有限元分析；结构响应；监测数据中图分类号：TU746 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-2815-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.002Structural Response Analysis of Existing Buildings During UnderpinningSHI Chunxia HE Qiang PAN FengShanghai Construction No.5(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200063,ChinaAbstract:In the foundation underpinning construction,the settlement of the building foundation will change due to the vertical load distribution.The structural response of the superstructure based on this is worth studying.Based on the foundation underpinning and integral jacking project of the South Building of East China Hospital,a cultural relic protection building in Shanghai,the response of superstructure under various construction conditions is simulated and analyzed through finite element analysis.For the same working condition,the boundary conditions are set according to the settlement monitoring data and the settlement numerical simulation results,and the changes of the normal stress of the beam and column element sections in the finite element model in different working conditions are compared with the changes of the stress data obtained from the actual monitoring.The results show that the finite element model can reflect the structural response changes in various construction conditions to a large extent,and the working conditions that need to be monitored can be found accordingly to ensure the structural safety during construction.This method provides an idea for structural response analysis in underpinning construction of existing buildings.Keywords:foundation underpinning;foundation settlement;finite element analysis;structural response;monitoring data构有限元模型，模拟上部结构在整体顶升和平移移位施工中的结构响应，分析了其变形和内力；2012年，李艺等3对上海浦东大桥引桥段建立了桥梁上部结构的数值模型，分析了桥梁上部结构在6种不利工况中的应力情况。本文以上海文保建筑华东医院南楼的基础托换、整体顶升工程为背景，建立上部结构有限元模型，对于同一工况，分别根据沉降监测数据和沉降数值模拟结果设定边界条件，对各施工工况中的结构响应展开研究，并将有限元模型中局部构件单元在不同工况中的应力变化情况和实际监测所得的应力数据变化进行对比。1 背景工程1.1 建筑、结构概况文保建筑华东医院南楼平面呈“工”字形，由南侧主楼、中部连廊、北侧副楼3部分组成，为现浇钢筋混凝土结构，房屋总高6层，局部有1层地下室。在既有建筑基础托换施工中，结构竖向荷载重分布会使基础发生沉降变化，上部结构将基于此做出结构响应。着眼于上部结构，结构应力、变形等在各工况中发生何种变化，如何找出最不利施工工况，值得研究。通过数值模拟方法分析既有建筑改造、顶升施工中的结构响应，具有一定的研究基础。2008年，卢锐1使用MIDAS有限元软件，对某7层框架结构软土地基纠偏项目建立了上部结构有限元模型，模拟分析了原结构内力和施工中可能遇到的不利工况对结构内力和变形的影响；2012年，杜永峰等2使用有限元软件ANSYS WORKBENCH，建立了某既有建筑带基础整体顶升、平移移位项目的上部结作者简介：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：2022-03-08华东医院修缮专题SPECIAL TOPICS ON RENOVATION OF HUADONG HOSPITAL202212Building Construction28161.2 基础托换施工概况现对华东医院南楼进行基础托换、顶升施工，通过将该历史建筑整体顶升1.2 m，解决汛期排水难的状况。通过基础托换，可加强既有建筑的基础承载能力，并采取增设隔震支座、阻尼器等方法，提高结构抗震性能。华东医院南楼施工时，首先施工钢板围护桩；开挖第1层土方至原基础底标高后，基于原基础梁施工上托盘结构；然后施工除地下室区域外的静压锚杆桩，压桩孔位于上托盘结构上；设置必要支撑后，开挖第2层土方至下托盘结构底标高，施工地下室区域的静压锚杆桩和下托盘结构，下托盘结构是既有建筑顶升至新设计标高后的永久性基础大底板；最后对该历史建筑进行整体顶升；顶升完成后，设置新的隔震装置和竖向支座，并对该历史建筑进行修缮复原。本文主要计算该历史建筑基础托换施工过程中的上部结构响应，即到施工下托盘结构这一工序。2 结构响应数值模拟分析本文进行结构响应有限元分析的思路为：利用有限元软件MIDAS GEN建立上部结构的有限元模型，将各工况中的柱底沉降数据以强制位移边界条件的形式，匹配进有限元模型中相应的各柱底点处，模拟分析各工况中的结构应力、变形情况，并将有限元模型中梁、柱单元截面正应力在不同工况中的变化情况和实际监测所得的应力数据变化进行对比。2.1 上部结构模型建立所建立的该历史建筑上部结构有限元模型如图1所示。在模型中，梁、柱采用梁单元，楼板采用网格剖分而成的四节点壳单元。根据勘察报告中的混凝土实测推定强度，结构混凝土强度取为C18。图1 MIDAS GEN上部结构模型荷载类型仅考虑结构材料自重。考虑墙体质量时，采用在梁上施加线荷载的方式。根据勘察报告，外环梁上为黏土砖墙，所施加的线荷载大小为27.65 kN/m；其余梁上考虑轻质砌块墙，所施加的线荷载大小为7 kN/m。有 限 元 模 型 中，结 构 柱 截 面 尺 寸 类 型 主 要 有559 mm559 mm和381 mm508 mm，外环梁截面主要为3 811 mm575 mm，内框架梁截面尺寸类型主要有381 mm470 mm和381 mm575 mm，次梁截面尺寸主要为254 mm495 mm，楼板厚度取为120 mm。计算工况包括：工况1，围护桩施工和第1层土方开挖；工况2，上托盘结构和钢支撑施工；工况3，静压锚杆桩施工（除局部地下室区域）；工况4，第2层土方开挖；工况5，静压锚杆桩施工（局部地下室区域）；工况6，下托盘结构施工。对于同一工况，分别根据2种来源的沉降数据设定模型边界条件：第1种为施工现场沉降监测数据，第2种为利用有限元软件MIDAS GEN对施工各工况进行基础沉降模拟所获得的沉降数值模拟结果。沉降监测点位布置见图2（各点为柱底点的平面投影，轮廓线为原基础的外轮廓线）。F1F31F2F3F6F4F6F7F9F10F11F12F14F15F16F16F25F23F22F21F20F19F17F18F24F27F28F30F29F12F8图2 该历史建筑监测点位布置示意基于既有监测点位的沉降数据，通过插值算法，即可获得所有柱底点处的沉降数据。本文选取反距离权重（inverse distance weighted，IDW）算法进行非线性插值计算。反距离权重算法于1968年由Shepard提出，于1985年被Watson等应用于空间插值的等值线绘制4-5。随后IDW算法被广泛应用于各行业领域的空间分析与制图6-7。IDW算法公式通常被表示为：ZddZ11ipinipiin11=（1）式中：Z插值点估计值；Zi第i个样本点处的观测值；di插值点与第i个样本点之间的欧氏距离；n样本点个数；p幂指数，本文在进行插值计算时取p值为1。2.2 模拟分析结果2.2.1 仅受重力作用的结构状态在进行因基础沉降而发生的结构响应分析前，查看结构有限元模型在仅受重力作用时的应力和变形情况是十分必要的8。以此作为参照基准，能够对上部结构在各工况中所发生的结构响应变化有更为具体的理解。该历史建筑的有限元模型在仅受重力作用时，上部结构的应力和变形情况见图3。梁单元弯曲应力Sbz（在单元局部坐标系下，由绕y轴的弯曲引起的沿z方向变化的弯曲应力，下同）最大正值为9.55 MPa，梁单元弯曲应力Sbz最大负值为5.19 MPa，柱单元轴压应力最大值为7.34 MPa，上部结构变形为08.30 mm。时春霞、何强、潘峰:既有建筑基础托换过程中的结构响应分析建筑施工第44卷第12期2817（a）位移等值线（b）柱单元应力（c）梁单元应力图3 该历史建筑仅受重力作用时的应力和变形情况2.2.2 根据累积沉降数值模拟结果的结构响应根据累积沉降数值模拟结果设置边界条件时，各工况中的结构响应情况见表1，位移等值线见图4。表1 根据累积沉降数值模拟结果设置边界条件时，各工况中的应力和变形情况工况梁单元弯曲应力Sbz最大正值/MPa梁单元弯曲应力Sbz最大负值/MPa柱单元轴压应力最大值/MPa上部结构变形/mm工况19.635.207.3908.15工况29.645.197.450.018.72工况39.735.207.580.039.81工况49.775.207.720.028.73工况59.945.207.5808.58工况69.945.217.570.079.40根据图4和表1，结合图3可知：和仅受重力的结构状态相比，在6个施工工况中，梁单元弯曲应力S