樓層平移前梁柱靜態(tài)分析
——以萊蕪高新區(qū)管委會綜合樓為例

夏風(fēng)敏，田忠誠，范夕森，賈留東

（山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南250101）

樓層平移前梁柱靜態(tài)分析
——以萊蕪高新區(qū)管委會綜合樓為例

夏風(fēng)敏，田忠誠，范夕森，賈留東

（山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南250101）

支座形式的改變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形產(chǎn)生影響，決定樓層平移能否順利進行，對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和節(jié)點位移變化進行研究可為確定平移對結(jié)構(gòu)的影響提供理論依據(jù)。文章以萊蕪市高新區(qū)管委會綜合樓平移工程為背景，基于平移所需要的實際情況，應(yīng)用有限元軟件ETABS建立了原模型、局部托換模型、施工完托換桁架模型等3種模型；對比分析了3種模型的梁端和柱端內(nèi)力值，研究其梁柱節(jié)點位移，探索局部托換模型以及施工完托換桁架模型相對于原模型的端部內(nèi)力和節(jié)點位移變化幅度。結(jié)果表明:支座形式的改變對結(jié)構(gòu)的影響程度隨層數(shù)增加而減?。涣涸谪Q向及水平荷載作用下內(nèi)力變化幅度分別為-13.34%～2.6%與-8.12%～15.57%，柱因支座形式及端部位置不同而差別較大；托換桁架對降低柱下端內(nèi)力變化幅度作用明顯，水平荷載下可降低90%；節(jié)點水平位移變化幅度大于豎向位移變化幅度，主樓節(jié)點豎向位移大于裙樓。

平移；靜態(tài)分析；應(yīng)力；托換桁架

0 引言

隨著城市的發(fā)展進步，一些仍然有利用價值的建筑物會與城市的整體規(guī)劃有沖突，為充分利用其價值，保護珍貴的具有紀(jì)念意義的建筑物，避免資源的浪費，樓層平移技術(shù)可以較好的解決這方面的矛盾。但是許多平移工程的設(shè)計與施工僅依靠專家的經(jīng)驗進行，有些平移工程因缺少理論依據(jù)而引發(fā)一些工程事故［1］。從世界上第一個建筑平移工程，采用蒸汽機提供牽引力的新西蘭普利茅斯市的1所農(nóng)宅［2］，一直到采用同步控制措施由15個頂推千斤頂提供動力的江南大酒店平移［3］，樓層平移技術(shù)已經(jīng)得到了充分的發(fā)展。我國也已經(jīng)有許多成功的樓層平移工程［4］，但是在平移前對平移風(fēng)險的預(yù)估不足，平移對結(jié)構(gòu)的影響程度缺少理論依據(jù)。

國內(nèi)一些學(xué)者的研究主要集中在平移過程及托換桁架節(jié)點受力性能的研究。張鑫對結(jié)構(gòu)平移過程中牽引力公式進行了研究，通過試驗分析以及他主持進行的平移工程，得出的啟動牽引力公式對國內(nèi)平移工程牽引力的設(shè)計起到了指導(dǎo)作用［5-6］。吳二軍等通過對江南大酒店整體平移的實時監(jiān)測，得出平移過程中實時監(jiān)測對保證工程成功是非常必要的［7］。一些學(xué)者對托換節(jié)點抗震性能和抗剪性能作了深入研究［8-11］。遲婧雅通過對托換節(jié)點的數(shù)值分析，得出托換梁剪跨比對托換節(jié)點的受力性能影響最大［12］。目前對樓層平移前的安全性研究還有不足，只有充分把握平移前結(jié)構(gòu)的安全性才可以對結(jié)構(gòu)進行平移。由于結(jié)構(gòu)托換是樓層平移的重要步驟，是確保樓層平移順利進行的核心［13］，所以通過靜態(tài)分析確定托換桁架所起作用的程度。文章以萊蕪市高新區(qū)管委會綜合樓平移工程為例，對平移前的安全性進一步研究，分析樓層平移前支座形式改變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和節(jié)點位移在建筑水平和豎向上的影響，研究支座形式改變后的內(nèi)力和變形相對于原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的變化幅度，找到施工時容易破壞的梁柱位置，對內(nèi)力和位移變化幅度進行控制，為確定平移對結(jié)構(gòu)的影響提供理論依據(jù)。

1 工程概況

萊蕪市高新區(qū)管委會綜合樓由于鳳凰路向南延伸，需要將其整體向西平移［14］。平移的綜合樓是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，地上15層，地下1層?；A(chǔ)為650 mm厚的筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)梁高度為2000 mm，建筑物長度為72.8 m、寬度為41.3 m，地上高度為67.6 m，總建筑面積24000 m2，如圖1（a）所示，柱距為6.0 m，跨度有7.5 m和9.0 m兩種，在主樓與裙樓之間沒有變形縫。托換結(jié)構(gòu)采用了柱包裹式托換結(jié)構(gòu)［5］，行走方式采用以100 mm實心鋼滾軸為行走機構(gòu)的滾動式，如圖1（b）所示。向西平移之后坐落于新基礎(chǔ)之上，新基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)。

圖1 建筑物平面及托換結(jié)構(gòu)布置圖

2 三種梁柱靜態(tài)分析模型建立

為了對柱截斷后樓層平移前結(jié)構(gòu)各部分的內(nèi)力和位移充分了解，選擇原模型（模型Ⅰ）、局部托換模型（模型Ⅱ）以及施工完托換桁架模型（模型Ⅲ）等3種模型，應(yīng)用有限元軟ETABS進行對比分析。這3種模型上部結(jié)構(gòu)與建筑最初設(shè)計使用的情況完全相同，不同之處在于支座的約束情況。原模型由于基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，支座形式看作固接；局部托換模型支座約束形式看作鉸接；施工完托換桁架模型支座約束也看作鉸接。

2.1 原模型

原模型按照建筑物最初設(shè)計時的形式建模，梁最大截面為600 mm×1200 mm，柱最大截面為1200 mm ×1200 mm。豎向荷載包括恒荷載和活荷載兩部分，樓面恒荷載取4.0 kN／m2，活荷載取2.0 kN／m2，填充墻荷載取7.0 kN／m，填充墻位置按建筑要求確定。由于在平移過程中基本不可能發(fā)生地震以及大風(fēng)的情況，所以為了分析的方便以及準(zhǔn)確性，分析時僅考慮10年一遇的風(fēng)荷載，基本風(fēng)壓為0.3 kN／m2［15］，不考慮地震作用。負一層柱底支座約束情況按照固接的形式，如圖2所示。

圖2 原模型計算簡圖

2.2 局部托換模型

局部托換模型是將每個柱子進行單獨的包裹式托換，然后在原模型的基礎(chǔ)頂部將各柱與原基礎(chǔ)分離。此模型與原模型上部結(jié)構(gòu)及參數(shù)完全相同，負一層柱底支座約束情況看作鉸接。其局部計算模型簡圖如圖3所示。

圖3 局部托換模型計算簡圖

2.3 施工完托換桁架模型

施工完托換桁架模型是在上一模型柱進行包裹式托換之后，將各托換節(jié)點相連接形成托換桁架，實際工程中，托換桁架的每一組連梁為兩根高寬完全相同的梁連接在托換柱上，與柱子外邊緣平齊。這里進行了一定的簡化，將兩個梁合并成寬為二者之和、高與其相同的一根梁，連接在柱子的形心處，柱子的截面不變。上部結(jié)構(gòu)及其他參數(shù)也與原結(jié)構(gòu)相同，托換結(jié)構(gòu)柱底支座的約束情況看作鉸接，如圖4所示。

圖4 施工完托換桁架模型計算簡圖

3 三種模型的內(nèi)力和位移對比分析

支座約束截斷以后肯定會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形產(chǎn)生影響，對計算結(jié)果的初步對比發(fā)現(xiàn)，由于支座約束截斷而對三層以上柱端、梁端內(nèi)力及節(jié)點位移幾乎沒有影響。主要對負一層至二層中9軸的梁柱進行分析。梁、柱、節(jié)點編號以及各模型計算簡圖如圖2 ～4所示。

3.1 豎向荷載和水平荷載作用下梁端內(nèi)力及變化分析

豎向荷載作用下，對應(yīng)于各模型計算梁B229、B230、B231的端彎矩及變化幅度，見表1。

表1 豎向荷載作用下梁端彎矩、變化幅度

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，梁端彎矩變化范圍在-13.34%～2.6%之間。但是由于原設(shè)計梁柱的承載力富余度均在15%以上，所以內(nèi)力改變后結(jié)構(gòu)仍然能夠滿足承載力要求。針對每一層內(nèi)力情況，主樓部分的梁相對于裙樓部分變化幅度小，同時連接主樓梁和裙樓梁的點49梁端（B229右端和B230左端）彎矩的變化幅度差別相對較大。對于梁B229左端和右端的彎矩值差別較大，主要是因為其處于主樓和裙樓的相交處。各樓層的梁ΔⅢ比 ΔⅡ大，主要是由于安裝托換桁架之后柱高度降低，柱剛度增大，造成內(nèi)力重分布，所以梁內(nèi)力有所增大，但變化幅度仍然在原設(shè)計允許變化范圍之內(nèi)。在施工過程中豎向上應(yīng)該對每一層群樓和主樓連接處重點觀察，水平上應(yīng)該重點對負一層進行觀測，主樓與裙樓相交處的節(jié)點和梁是薄弱部位。

水平荷載作用下，對應(yīng)于各模型計算梁B229、B230、B231的端彎矩及變化幅度，見表2。

表2 水平荷載作用下梁端彎矩、變化幅度

水平荷載作用下梁端彎矩的變化同樣滿足豎向荷載作用下的規(guī)律。對比表1和2中數(shù)據(jù)，對于各模型，水平荷載作用下相對于豎向荷載作用下內(nèi)力變化幅度有所增大，雖然在實際平移工程中遇到大風(fēng)的概率很小，但是由于水平荷載不易控制，也要考慮其影響因素。

水平及豎向荷載作用下梁端最大彎矩變化幅度如圖5所示。

圖5 豎向及水平荷載作用下梁端最大彎矩變化幅度圖

由圖5可看出，隨著層數(shù)的增加，由于局部托換以及施工完托換桁架對梁各端內(nèi)力變化的影響，在水平及豎向荷載作用下均逐漸減小。這也證明了僅選擇底部三層進行分析是合理的。

3.2 豎向荷載和水平荷載作用下柱端內(nèi)力及變化分析

豎向荷載作用下，對應(yīng)于各模型底層柱C28、C45、C46的內(nèi)力及變化幅度見表3。

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，模型Ⅱ底層柱端內(nèi)力變化幅度范圍主要在-100%～12.54%之間。模型Ⅲ底層柱端內(nèi)力變化幅度范圍在-44.40%～10.90%之間，相對于模型Ⅱ有所降低，安裝托換桁架可以降低對柱內(nèi)力的影響。對于底層柱下端，施工完托換桁架可以降低內(nèi)力變化幅度，主要是由于托換桁架的嵌固作用相對于模型Ⅱ的鉸接形式可以抵抗一定的彎矩。模型Ⅲ底層柱上端內(nèi)力變化幅度相對于模型Ⅱ有所增加，但變化幅度仍然在原設(shè)計允許變化范圍內(nèi)。對于負一層的各柱，由于支座形式改變對邊柱C28的影響較大，對邊柱的影響相對于中柱大。

表3 豎向荷載作用下柱端彎矩、變化幅度

水平荷載作用下，對應(yīng)于各模型底層柱C28、C45、C46的內(nèi)力及變化幅度見表4。由表4可知，模型 Ⅱ柱端彎矩變化幅度范圍在-100%～-2.31%之間，是由于支座形式改變，水平約束減小造成底層柱下端內(nèi)力變化幅度大。模型Ⅲ柱端彎矩變化幅度在-35.28%～4.66%之間，其中C28上端彎矩數(shù)值較小，比值會失真，所以沒有考慮，變化幅度相對于模型Ⅱ降低。

表4 水平荷載作用下柱端彎矩、變化幅度

水平及豎向荷載作用下模型Ⅲ柱下端內(nèi)力變化幅度相對于模型Ⅱ降低，并且在水平荷載作用下降低效果達90%，說明托換桁架的嵌固作用在抵抗水平荷載時發(fā)揮了很大的作用。

3.3 豎向荷載和水平荷載作用下梁柱節(jié)點位移及變化分析

在豎向及水平荷載作用下節(jié)點位移及變化幅度見表5。

表5 節(jié)點位移及變化幅度

由表5中計算結(jié)果看出，繞3個軸方向上的角位移較小，變化幅度不大，這里沒有再列出，僅將3個方向上的最大線位移列于表格之中。其中，Ux和Uy分別為x和y方向水平荷載作用下的位移，Uz為豎向荷載作用下的位移。由表5中數(shù)據(jù)可以看出，對于三種模型節(jié)點位移，在豎向上隨層數(shù)的增加而逐漸增大；對于同一樓層，各節(jié)點水平方向上的位移沒有差別，豎向由于主樓柱豎向荷載大于裙樓柱豎向荷載，所以主樓節(jié)點位移大于裙樓節(jié)點位移。梁B229兩端分別為節(jié)點9和節(jié)點49，在此梁的兩端豎向位移差別相對較大，例如模型Ⅲ對應(yīng)兩節(jié)點的豎向位移分別為-0.0915、-0.3497 mm，兩端的位移差值大，所以對梁B229繞x軸的轉(zhuǎn)動是不可忽視的。對于節(jié)點9由于主樓和裙樓之間沒有伸縮縫或者沉降縫，所以會造成該節(jié)點為脆弱部位。

在水平及豎向荷載作用下，節(jié)點位移變化幅度有如下規(guī)律:在豎向上對于兩種模型的變化幅度隨層數(shù)的增加而減??；對于同一樓層水平方向上的位移變化幅度相同，豎向同樣是因為主樓與裙樓柱豎向荷載差別較大，主樓節(jié)點位移變化幅度大于裙樓。Δ′Ⅲ大于 Δ′Ⅱ主要是因為模型Ⅲ在建模時將負一層的柱高度減小了1 m，然后插入高度為1 m的托換結(jié)構(gòu)，從而引起施工完托換桁架模型的位移變化幅度較大。其中由各層的位移變化幅度 Δ′Ⅲ可以看出，托換桁架對位移變化幅度的影響主要集中在負一層，對二層以上的影響是在可控范圍之內(nèi)的，所以需要對負一層各節(jié)點的位移變化重點觀察。雖然各節(jié)點的豎向位移Uz相對于水平位移Ux和Uy大，但是其變化幅度卻小于水平位移，所以應(yīng)該增加對水平位移變化的控制。

4 結(jié)論

上述研究表明:

（1）樓層平移前模型Ⅱ和模型Ⅲ由于支座形式改變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和梁柱節(jié)點位移的影響程度隨層數(shù)的增加逐漸減小，主要集中在底部。

（2）支座形式改變會對梁柱內(nèi)力造成影響，模型Ⅱ和模型Ⅲ的梁內(nèi)力變化幅度在豎向荷載作用下為-13.34%～2.6%，水平荷載作用下為-8.12% ～15.57%，柱因支座形式及端部位置不同而差別較大，底層柱及主樓和裙樓連接處節(jié)點兩側(cè)的梁內(nèi)力變化幅度大，對邊柱的影響大于中柱。

（3）模型Ⅲ中托換桁架在降低柱下端內(nèi)力變化幅度中起到關(guān)鍵的作用，特別是在水平荷載作用下，降低效果達90%。

（4）各梁柱節(jié)點水平位移變化幅度大于豎向位移變化幅度，節(jié)點豎向位移中，主樓變化幅度大于裙樓。

［1］ 都愛華，張鑫，趙考重，等.建筑物整體平移技術(shù)的試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2002，32（7）:4-6.

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［9］ 李書榮.建筑移位托換節(jié)點的抗震性能研究［D］.濟南:山東建筑大學(xué)，2014.

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［11］程偉偉.框混凝土柱粘貼組合式鋼托換節(jié)點抗剪性能試驗研究［D］.濟南:山東建筑大學(xué)，2015.

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［15］GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

（學(xué)科責(zé)編：趙成龍）

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，F(xiàn)an 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

山東省教育廳科技項目（J10LE06）

夏風(fēng)敏（1974-），女，副教授，碩士，主要從事建筑物加固改造等方面的研究.E-mail:XFM＠sdjzu.edu.cn