1、共同作用分析在改造加固工程中的应用摘 要： 本文在改造加固工程中利用了钢支撑，在考虑支座刚度的情况下分析了地基基础与上部结构的共同作用。按文克尔地基模型用有限元的方法确定了弹性地基板在竖向集中荷载作用下的允许承载力和支承刚度，分析了各种荷载工况下框架结构共同作用的受力特性，在此基础上提出了利用支撑加固所需预应力的合理设计方法。关键词 ： 共同作用，允许承载力，支承刚度，滞后效应，预应力。1 概述南方某中外合资印刷厂由于生产发展的要求，对原有二层框架结构楼进行改造。原楼首层为印刷车间，二层为办公及辅助用房，根据外资方提供的工艺要求，二层部分区域将改作印刷车间和堆纸用库房，使用荷载变为 5kPa，
2、为此对原有楼房的改造必须加固。在各种加固方案中，业主要求利用首层地坪素混凝土较厚(300mm)强度高(C23)，直接在二层楼面梁底与地坪之间加 H 型钢竖向支撑，不另设置基础，二楼典型平面如图 1 所示。柱的截面为 400mm x400mm，框架梁的截面是250mm x500mm，现浇混凝土板厚 100mm，边、中柱独立柱基底尺寸分别是 1300mm x1300mm 和1800mm x1800mm，混凝土强度均为 C23。在 至 轴之间二层楼面使用荷载由原来的 1.5kPa 改变 2 4图 1： 建 筑 物 改 造 方 案 典 型 平 面 布 置 图为 5kPa。针对此加固方案考虑了以下几个问
3、题：1. 地坪在 H 型钢竖向荷载作用下极限承载力和支承刚度；2. 加 H 型钢支撑后整个结构系统如何考虑支座位移对结构受力的影响；3. 在 H 型钢施工过程应施加多少预顶力才能有效地发挥其支撑作用。2 竖向荷载作用下弹性地基板极限承载力与支承刚度为了确定 300mm 厚素混凝土板在竖向荷载作用下弹性地基板的极限承载力和支承刚度，选用了工程中常用的文克尔(Winkler)地基模型，板与地基土之间的基床系数根据地质资料按文献 1 确定为 k=2E+3kN/m3 。分析时按图 1 所示竖向钢支撑的影响范围选用了 3900mm 宽 6000mm 长300mm 厚的板，根据钢支撑在支承处的构造，在板中
4、心处 300mm x300mm 范围施加了总量为 P=10 kN 的均布荷载。用有限元的方法 2 计算，图 2 中 (a)和(b)分别为弹性板弯矩和沉降位移示意图。查取计算结果可知板中每 1 m 宽板带最大弯矩值 Mmax=3.37kNm，最大沉降位移Smax=2.95mm，为了不使混凝土板不出现受拉破坏，地坪板的竖向允许承载力 P为：max26MPbhfPt(1)式中： ft=1.2N/mm2 为 C23 混凝土的抗拉强度设计值 3 ，b=1000mm 为计算板带宽度，h=300mm为板厚，代数值于式（1）可得P= 53.4kN；H 型钢地坪支座处的支承刚度 K= P/ Smax = 338
5、9.8 kN/m。3 框架结构不同阶段的受力分析3.1 预应力支撑施加预应力支撑在工程加固改造中是较为合适和有效的，但预应力的损失对位移的变化又是非常敏感的。支承在地坪与梁之间的预应力支撑，易出现因地基少量沉降使预应力支撑失效，而沉降量又是非瞬时能完成的，这种考虑上下结构与地基之间共同作用定量分析一直是工程设计过程中较为棘手的问题。作者从解决工程实际出发，通过对不同阶段的受力分析实现改造加固的目标。3.2 未进行改造时结构内力图 3： 原 有 结 构 使 用 情 况 下 的 框 架 内 力(a) 轴 力 图 （ KN) (b) 弯 矩 图 (KN m)首先按图 1 沿纵向取一榀框架，原有结构未
6、进行改造时的荷载使用情况用 GSA4 分析出的框架内力如图 3 所示。图中 D.L 是指永久荷载（Dead Load） ，L.L 是指可变荷载（Live Load） ，柱底支承条件 Enc 表示为固定支座，轴力与弯矩是按 1.2D.L+1.4L.L 组合的设计值。3.3 改造加支撑后比较是否考虑支座沉降时的结构内力根据改造要求在第二层楼面 轴至 轴间的使用荷载变为 5kPa，加固每榀框架时在第 轴线 2 4 2至 轴线间增加了两根 H 型钢， H 型钢截面尺寸是 150mmX150mmX8mm。由改造后的荷载值可计 4算出框架在 1.2D.L+1.4(L.L+L.L1)工况下的弯矩和轴力如图
7、4 所示，L.L1 为框架梁增加的活荷载，Pin 为铰支座。从图中可以看到 H 型钢支撑承担了较大轴力使 轴至 轴间框架梁的弯矩较小。但 2 4图 4： 不 考 虑 支 座 沉 降 时 框 架 内 力(a) 轴 力 图 （ KN) (b) 弯 矩 图 (KN m)图 5： 考 虑 支 座 沉 降 时 框 架 内 力(a) 轴 力 图 （ KN) (b) 弯 矩 图 (KN m)这种不考支撑支座处的沉降变形不符合工程实际，为此按前述支撑底地坪的支承刚度 3389.8 kN/m来考虑支撑支座的沉降变形，根据地基基床系数可知边、中柱的竖向支承刚度分别是 3380 kN/m和 6480 kN/m。计算
8、出考虑支座沉降结构内力如图 5 所示，图中 xyySprspt.xz、Sprspt.xz 为有一定刚度的弹性支座，对于原有柱基仅考虑了改造后荷载增加部分的沉降变形。比较图 4 和图 5 的中内力，不考虑支座沉降时支撑的轴力为 122.8kN 和 133.6kN，而考虑支座沉降时支撑的轴力仅为30.12kN 和 38.92kN；比较图 5 和图 3 也可看此时框架梁的弯矩值在支座处比未改造时大了许多。很显然不考虑支座沉降时，支撑支座反力较大且超过了板的允许承载力，也是不符合工程实际的。3.4 改造加固施工过程中施加预顶应力考虑支座沉降时的结构内力考虑支座沉降变形是合理的，但从上述图 5 与图 3
9、、4 的比较分析可以看到仅考虑支座沉降而不施加预顶应力，框架梁 轴至 轴间的弯矩值已超出了梁承载能力，支撑所起的加固作用非常有 2 4限。为了充分发挥支撑的加固作用必须给加固支撑施加预顶力，结合弹性板的允许承载力为P=53.4kN，考虑到沉降变形的的滞后效应，每次施力时为持预顶力为 50kN 左右，共分三次完成（具体做法将在以后的文章中介绍） 。图 6 是加固完成后沉降稳定时内力图，这些沉降既有 H 型钢支撑支座处的沉降，也有原有柱基由于轴力的增加所引起的沉降。支撑中的轴力是通过向上的预顶(a) 轴 力 图 （ KN) (b) 弯 矩 图 (KN m)图 6： 考 虑 支 座 沉 降 和 加
10、预 应 力 时 框 架 内 力位移来实现施加预应力的，图 6 中 P.L 指的就是这种预应力荷载（Pre-stress Load） 。比较图 6 和图3 可以看到此时框架粱控制截面的弯矩值同未改造时相差较少，在原有框架柱内的弯矩增大值较小轴力有一定量的增加。通过对地基、基础、梁、柱的验算均满足使用要求。4 体会和建议1. 结构设计中尽管上下结构与基础之间共同作用分析是非常棘手的问题，实际工程中往往根据其受力按经验进行适当考虑，但是当基础沉降有一定差异时必须合理地进行定量分析，尤其在加固改造工程中。2. 增加支撑加固应施加适当的预应力，否则所加支撑发挥不出应有的作用。3. 改造加固工程中，设计应
11、考虑到所增结构部分在整个结构体系中再次施工这么一种过程，必须分析结构受力发挥作用的滞后效应和应力损失。Application Of Interaction Analysis in Transforming And Strengthening StructureAbstract：Based on a real case, which is a example with steel bracing in strengthening structure, interaction of foundation and structure is analyzed considering different
12、 abutment stiffness in this paper. The allowable bearing pressure and bearing stiffness of plate on elastic foundation under the action of vertical concentrated load is determined by FEM according to Winklers assumption. The mechanical specialty of interaction between foundation and the frame structure in the different condition is shown. A designing method of the prestressing force of steel bracing in strengthening structure is proposed and applied.Key words: Interaction, Allowable bearing pressure, bearing stiffness, Hysteresis effect, Prestressing force
