既有建筑托换顶升施工中的构件承载性能分析_何强.pdf

202212Building Construction2826既有建筑托换顶升施工中的构件承载性能分析何 强上海建工五建集团有限公司 上海 200063摘要：既有建筑托换顶升施工过程中，构件的承载性能受施工影响可能发生变化，需对关键结构部位的构件承载性能进行分析，以确保结构安全。以上海文保建筑华东医院南楼托换顶升工程为例，采用数值模拟分析方法，利用ANSYS有限元软件建立钢筋混凝土分离式模型，验证了基础大放脚上开施工洞口的影响，分析了用于托换顶升的双夹梁叠合构件的承载性能和传力机制。结果表明：基础大放脚上开施工洞口对安全性影响较小；深受弯叠合构件的传力机制符合拉-压杆模型，其位于受荷与支承处连线范围内的区域有着较大的主压应力和剪应力；托换顶升施工中承受上部柱荷载的双夹梁构件满足安全要求。研究结论为钢筋混凝土局部构件的精细化分析提供了参考依据。关键词：基础托换；承载特性；数值模拟；结构分析中图分类号：TU746 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-2826-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.005Analysis of Bearing Capacity of Components in Underpinning and Jacking Construction of Existing BuildingsHE Qiang Shanghai Construction No.5(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200063,ChinaAbstract:During the underpinning and jacking construction of existing buildings,the bearing capacity of components may change due to the impact of construction.It is necessary to analyze the bearing capacity of components at key structural parts to ensure structural safety.Taking the underpinning and jacking project of the South Building of East China Hospital,a cultural relic protection building in Shanghai,as an example,using the numerical simulation analysis method and the finite element software ANSYS,a separate reinforced concrete model is established to verify the influence of the construction opening on the large footing of the foundation,and the bearing capacity and load transfer mechanism of the double clamped beam composite member used for underpinning and jacking are analyzed.The results show that the construction opening on the large footing of the foundation has little influence on the safety;The force transfer mechanism of deep bending composite members is in accordance with the strut and tie model,and there are large principal compressive stress and shear stress in the area within the line between the load and the support;during the underpinning and jacking construction,the double clip beam members bearing the upper column load meet the safety requirements.The research results provide a reference for the refined analysis of reinforced concrete local members.Keywords:foundation underpinning;bearing characteristics;numerical simulation;structural analysis工程，对深受弯托换梁开展了3个14的模型试验，并进行非线性有限元分析，验证了工程中所采用的桩基预应力平衡托换方案的合理性；2010年，唐兴荣2研究了空间钢构架混凝土简支深梁的力学性能，通过静载试验，分析了其受竖向对称集中荷载作用下的受力机理；2011年，林云3对不同剪跨比的深梁进行了集中力作用下的极限承载力试验，分析了试件的承载性能，得出了不同剪跨比条件下的钢筋混凝土深梁计算公式，同时利用ANSYS软件对试验构件进行非线性有限元分析，验证试验结果。1 背景工程文保建筑华东医院南楼为钢筋混凝土框架结构，混凝土实测推定强度为C18，基础形式为钢筋混凝土浅基础和松木桩共同构成的复合型基础。现拟通过托换、顶升施工，将其整体顶升1.2 m，改善汛期排水难的状况，并进行改造修缮。既有建筑的结构性能在长期服役过程中已发生了退化，其在托换顶升施工中或将进一步受到影响。受施工影响后的原构件是否满足安全性能要求、基于原结构所形成的叠合构件所具有的承载性能，均值得研究。用于托换的叠合构件一般属深受弯构件。根据分析和试验结果，国内外均将跨高比小于2的简支梁及跨高比小于2.5的连续梁视为深梁，将跨高比小于5的梁统称为深受弯构件（短梁）。深受弯构件的承载特性区别于一般梁。深受弯构件的承载性能已有一定的研究基础：2003年，孙海等1以深圳地铁一号线穿越深圳百货大楼为背景作者简介：何 强（1995），男，硕士，助理工程师。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：2022-05-23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2827托换、顶升施工的主要思路为：首先基于原基础梁施工双夹梁叠合构件（称为“上托盘结构”），并预留压桩孔；在原基础大放脚上开洞后施工静压锚杆桩；设置必要支撑后，向下开挖土方并施工新的筏板基础大底板（称为“下托盘结构”）；最后，在上、下托盘结构间设置顶升千斤顶，截断其间的锚杆桩段后即可进行结构整体顶升。图1为托换、顶升施工示意。本文拟分析基础大放脚上开压桩施工洞口的影响、用于托换顶升的双夹梁叠合构件的承载性能。结构柱原基础梁夹墙梁下托盘结构静压锚杆桩用千斤顶托换后割除桩段并顶升双夹梁叠合构件图1 托换、顶升施工示意2 基础大放脚上开施工洞口的影响2.1 数值模型建立采用有限元软件ANSYS进行数值模拟分析，钢筋、混凝土分别选用LINK8单元、SOLID65单元，建立钢筋混凝土分离式模型，因结构的对称性，取1/4结构进行建模。钢筋的应力应变关系采用理想弹塑性模型，采用双线性随动强化模型BKIN进行模拟；混凝土单轴应力应变关系曲线上升段采用规范GB 500102010混凝土结构设计规范（下称规范）中规定的公式，下降段采用Hongnestad的处理方法4，采用多线性随动强化模型MKIN进行模拟。混凝土破坏准则采用软件中混凝土材料默认的William-Warnke五参数破坏准则。建立模型时，采用实体力筋法中的节点耦合法4，基本思路为：分别建立混凝土实体和钢筋线的几何模型，创建几何模型时不必考虑两者的关系。对两者进行独立的单元划分后，通过耦合节点自由度，可将混凝土实体单元和钢筋单元联系起来。该种方法对网格划分的精度具有一定的要求，若划分不够密，则所耦合的节点会造成计算结果的误差。所建立的有限元模型如图2所示。（a）混凝土实体的有限元单元（b）钢筋的有限元单元 图2 分析一：有限元模型示意（1/4结构）2.2 数值分析结果有限元计算结果如图3所示。通过修改应力云图的标尺范围，可查看所开洞口附近的应力具体情况：所开洞口边缘的最大应力小于0.47 MPa，远小于原基础承受上部结构柱荷载处的6.24 MPa。在基础大放脚上开设施工洞口，使洞口附近的应力分布产生了一定的变化，但不会对基础的安全性产生影响。（a）有限元模型整体的单元应力分布（b）所开洞口附近的单元应力分布 图3 分析一：有限元模型计算结果3 双夹梁叠合构件的承载性能分析该种双夹梁叠合构件是基于原基础梁形成的，其构造如图4所示。夹墙梁截面的高度为800 mm，宽度为1 000 mm，位于两结构柱间的原基础梁长度约为3 800 mm，所形成的双夹梁叠合构件属深受弯构件。在如图4（a）所示的承载状态下，即顶部承受结构柱竖向荷载，底部支承于千斤顶上，叠合构件截面的承载状态也近似于深梁或两桩承台的承载状态。柱传递竖向荷载时，还会在梁截面上产生一定的扭矩，但该扭矩对极限承载力影响不大，此处不考虑扭矩对承载力的影响5。原基础梁穿墙型钢抬梁穿墙钢筋夹墙梁原基础梁柱荷载作用区千斤顶支承处（a）双夹梁叠合构件整体（b）穿墙型钢和钢筋（隐藏夹墙梁钢筋）图4 双夹梁叠合构件构造示意3.1 数值模型建立在有限元软件ANSYS中建立分离式模型，混凝土选用SOLID65单元，型钢选用SOLID45单元，钢筋选用LINK8何强:既有建筑托换顶升施工中的构件承载性能分析202212Building Construction2828单元，因结构的对称性，取1/4结构进行建模。叠合构件中，原基础梁部分的混凝土强度为C18，夹墙梁部分的混凝土强度为C35。假定新旧混凝土结合良好，且忽略型钢与混凝土之间的粘接滑移。材料模型的选取情况与建立基础大放脚开施工洞口的模型时相同。建立模型时，主要采用实体力筋法中的实体切分法：先创建混凝土实体和型钢实体的几何模型，两者共享相交图素。然后根据钢筋线的几何坐标移动工作平面，利用移动后的工作平面切分实体，将切分后的实体上与钢筋线几何位置相同的线定义为钢筋线单元。最后，划分混凝土和型钢实体单元。所建立的有限元模型如图5所示。模型计算时，关闭混凝土的压碎选项。（a）叠合构件整体的有限元模型（b）钢筋和型钢的有限元单元图5 分析二：有限元模型示意（1/4结构）3.2 数值分析结果3.2.1 极限荷载下的叠合构件受力情况根据荷载-挠度曲线（图6），极限荷载约为2 880 kN，曲线不具有较好的塑性发展阶段，叠合构件呈现出脆性破坏特征。4 0003 6003 2002 8002 4002 0001 6001 2008004000荷载/kN0.160.080.24 0.320.480.640.400.560.72 0.80挠度/mm图6 荷载-挠度曲线叠合构件的主压应力分布图7（a）表明，在受荷与支承处连线范围内，有着较大的主压应力流，应力值范围为1.579.41 MPa，大于制作叠合构件的2种混凝土中强度较低的C18混凝土的极限抗压强度，该区域内的混凝土已出现被压碎的现象。结构柱荷载作用处和千斤顶支承处的主压应力均超过了相应部位所用混凝土的极限抗压强度，这与规范中建议对深梁构件进行局部受压破坏验算相吻合。从叠合构件的XY向剪应力分布图7（b）可知：受