现阶段医院日常业务量猛增, 医院现有设施条件无法满足需求, 特别是病床床位数量不足。另外, 现有医院普遍位于土地资源紧张的市中心地区, 其总体场地面积小、周边建筑物多、审批新建场地难度大。在上述实际情况下, 对部分条件适宜的已有建筑进行加层改造, 增加建筑使用面积, 成为解决该类矛盾的有效途径之一。钢结构加层, 以其自重轻、工期短、节能环保且应用范围广的诸多优势成为加层改造工程的首选结构形式^[1]。

目前, 基于既有建筑加层改造的研究主要集中在结构的静力性能、抗震反应分析及新旧结构柱脚连接等领域^[2,3,4,5], 而对结构加层改造施工过程模拟和现场变形监测研究偏少。结构施工过程是一个分阶段的动态过程, 在这个过程中结构从无到有, 材料性能也随时间发生变化, 且变化速度较慢。这种施工力学问题属于典型的慢速时变结构力学问题, 可以采用离散性时间冻结来近似处理, 把它当作一序列时不变结构进行静力或动力分析^[6]。刘欣^[7]等对沈阳市恒隆广场塔楼工程施工过程进行模拟, 研究了结构层的侧向偏移量, 并进行施工中预调, 保证了结构施工安全。杨维国^[8]等对内蒙古伊旗全民健身中心的多层大悬挑结构进行施工全过程仿真分析, 研究了施工过程中结构的内力变化及变形, 并给出了最佳施工方案。胡长明^[9]等采用ANSYS模拟与现场监测手段研究了法门寺合十舍利塔在施工过程中的变形规律, 为保证施工安全提供了可靠依据。

综上所述, 施工过程数值模拟和变形监测主要集中在新建复杂结构中, 很少涉及现有结构加层改造领域。本文针对山西某中医院住院楼加层改造工程, 在现场变形监测的基础上, 采用ANSYS有限元软件模拟其“先加层后加固”的特殊施工方案, 研究在施工过程中结构沉降变化规律, 为有效控制施工质量和安全提供保障。

山西某中医院住院楼 (见图1) 位于太原市, 先后进行2次设计, 1983年进行第1次设计, 原设计为框架剪力墙结构, 基础为箱形基础, 地上11层, 地下2层, 但仅施工至标高7.500m处 (地上2层楼顶面) 。第2次设计为在已建建筑 (标高7.500m) 处, 仍采用框架剪力墙结构, 但地上改为8层, 局部9层, 竣工时间为2004年4月。十几年来, 鉴于该医院的实际情况, 并未增加大量新建病房设施。此外, 病人住院人数逐年增加, 现有住院楼设施无法满足实际使用需求。故在原有住院楼结构基础上, 拟对该住院楼进行整体加层扩建, 加层层数为6层 (其中1层为层高1.5m的管道设备层, 另外5层作为结构层) ^[10,11]。

该住院楼加层改造前为混凝土框架-剪力墙结构, 箱形基础, 地下2层, 地上8层, 局部9层。地下2层层高3m, 地下1层层高2.2m, 首层层高3.9m, 顶层层高4.2m, 中间层层高均为3.6m, 建筑总高度为34.200m, 建筑总面积为9 000m²。扩建住院楼保持原有布置不变, 从标高29.700m开始加建6层, 采用钢框架-屈曲支撑体系, 地上共计14层 (其中包括新增设的管道设备层) , 建筑总高度为49.200m。新增结构平面布置如图2所示。

加层加固改造前, 对该住院楼进行了整体检测鉴定和加层加固的可行性分析, 具体包括:外观普查、钢筋扫描、混凝土强度检测、结构整体沉降变形观测及合理加层层数的理论分析等内容。鉴定结果如下所述。

1) 建筑外观较好, 未发现有施工质量缺陷的构件。在不加层的前提下, 原有结构的承载力和正常使用两种极限状态基本满足原设计图纸要求和现行国家规范规定。但个别混凝土柱和梁强度检测结果与设计值有所区别, 需要加固补强。

2) 基础在1983年第1次设计时按照地上11层钢筋混凝土结构进行设计, 经理论计算分析, 增加6层钢结构, 基础可不加固, 满足GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》相关条文规定。

3) 该住院楼原有地基采用挤密碎石桩进行处理, 其复合地基容许承载力[R]=180k N/m²。鉴于该结构已使用近30年, 参考GB50023—2009《建筑抗震鉴定标准》4.2.7条, 结合长期压密效应, 原有结构地基承载力增幅20%, 完全满足新增6层钢结构的地基承载力要求。

4) 满足钢结构加层的前提下, 理论分析表明:必须对原有结构的部分柱、梁、剪力墙实施加固。加固方法建议为:边角柱、剪力墙采用增大截面法;中柱采用外包角钢法;梁采用外粘钢板法。

按照拟定的加层改造方案, 施工过程主要分为两部分: (1) 原有结构部分构件加固; (2) 新增结构层施工。根据规范要求, 加固工程的原则之一是在结构卸载条件下进行加固。对于本工程而言, 在加固改造期间医院不能停业, 应院方要求, 决定采取“先加层后加固”的施工方案。具体施工过程为:先进行6层钢结构的加层施工, 此时原有混凝土结构正常使用;加层施工以及装饰工程结束后, 上部新增部分投入使用, 对原有混凝土结构进行加固施工;加固施工以及装饰工程结束后, 全部楼层投入使用。因此需要对这种特殊条件下的施工过程进行仿真分析, 验证施工方案的合理性, 预测结构沉降变形, 为保证结构施工过程的安全提供可靠依据。

在该结构施工过程中, 驻现场测量队对结构的16个测点进行了跟踪监测。测点布置如图3所示 (CJ为测点位置, GZ为水准点位置) , 测量值汇总如图4所示。考虑到钢结构加层自重轻等特点, 首次变形沉降观测以新增钢结构主体竣工为起点, 连续观测直至全部施工完成, 测量时间间隔为1~1.5个月。

基于本工程岩土工程勘察报告以及地质纵断面图的工程地质描述, 对性质相似土体进行合理归并, 归并后的土体为4层材料性质不同的土层。提取出有限元模拟所需的力学参数, 并采用厚度加权平均处理的方法进行参数折算, 得到的力学参数如表1所示。

混凝土结构弹性模量E=3.25×10⁴MPa, 泊松比μ=0.2, 质量密度为ρ=2 500kg/m³。钢结构加层部分所用钢材为Q235B, 其弹性模量E=2.06×10⁵MPa, 泊松比μ=0.3, 质量密度ρ=7 850kg/m³。

根据《建筑地基基础设计规范》3.0.5条规定, 计算地基变形时, 不计入风荷载和地震作用, 故本模型只考虑竖向作用的恒荷载及活荷载。恒荷载通过重力加速度的方式直接施加到整体模型, 活荷载则采用面荷载的方式施加到楼板上。根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》, 楼面活荷载取值为2.0k N/m², 屋面活荷载取值为0.5k N/m²。

利用ANSYS有限元分析软件, 根据该工程施工图纸, 考虑上部结构、基础以及地基土体的共同作用, 建立整体分析模型。梁、柱、支撑均采用BEAM188单元, 楼板和剪力墙采用SHELL63单元, 土体部分采用SOLID95实体单元。上部结构混凝土及钢结构部分均采用符合广义胡克定律的线弹性应力-应变关系模型, 土体选用Drucker-Prager理想弹塑性模型, 不考虑箱形基础周边土体的影响。根据数值模拟的影响范围和相关规范的要求:模型计算域水平方向以上部结构的边界为基准, 向左右延伸70m, 向前后方向延伸30m, 土体厚度取50m。有限元模型边界条件为:土体的侧边无水平位移, 底部完全固定。因模型规模较大, 为了提高计算速度, 在保证精度的条件下尽量减少单元数量, 上部结构与土体接触位置划分网格时加密, 较远的位置划分稀疏。整体分析计算模型如图5所示。

上部结构与土体由于材料力学性质不同, 两者刚度相差很大, 在两者界面不满足变形协调条件, 因此采用接触单元予以处理。本文选用刚体-柔体的面-面接触单元来模拟结构基础底板-土体交界面的非线性。其中, 基础底板被当作“目标面”, 用TARGE170单元来模拟;土体上表面被当作“接触面”, 用CONTA174单元来模拟。

施工过程中结构的应力、刚度、荷载、边界条件等都在不断发生变化。在大跨结构及超大型结构的施工仿真分析中, 常采用分步激活法, 建立一个整体模型, 利用有限元软件中的单元生死技术, 先将所有单元杀死, 再根据实际结构施工顺序, 逐层激活结构单元, 以此来模拟真实施工过程。

房屋加层改造工程中, 加层施工过程也可以用一个模型描述整个过程, 整体模型建立完毕后, “杀死”新增钢结构部分, 然后依据施工时间、节点顺序逐层“激活”结构单元进行施工过程模拟。对于加固施工过程, 加固前后结构竖向构件的刚度、截面尺寸与原有结构不一致, 若继续采用一个模型进行全过程模拟, 新增结构竖向构件穿越原有结构平面将产生大量空间节点, “激活”和“杀死”单元过程中易产生错误操作, 导致无法顺利计算。因此, 本文将不同加固方法后的梁、柱构件通过刚度等代的方法替换为均质的混凝土材料, 同时采用折减系数来考虑新加固部分的“滞后效应”。以加固施工开始为分界点, 加固前和加固后分别建立分析模型, 既符合实际情况, 也大大简化了模型的计算周期。施工模拟工况流程如图6所示。

基于上述建模假定, 分别对结构加固前、后进行整体建模分析。考虑到结构的整体特点———单轴对称性, 选取箱形基础底部8个分析节点, 通过路径操作的方法, 提取5种工况下的变形沉降量。节点布置如图7所示, 计算结果如表2和图8、图9所示。

1) 该结构施工期间以及投入使用期间基础的最大平均沉降量为-40.77mm, 最大倾斜为0.000 5, 均满足相关规范的地基变形允许值要求。

2) 在加层加固改造全过程中, 所有分析节点的沉降量均随施工过程的进行而增大。第1~2工况沉降最为显著, 占总沉降量的66%, 说明加层施工过程造成的沉降最大, 应重点关注。第2~3工况沉降最少, 甚至有少量的“上拱”, 这是由于原有结构楼层使用功能转移到新增楼层中, 致使下部原有混凝土结构活荷载卸荷且上部新增钢结构活荷载增加。

3) 施工过程中, 竖向荷载的变化对结构整体不均匀沉降影响显著。工况3~工况4最大差异沉降值有所减小, 主要是由于加固后的原有混凝土结构整体竖向刚度增大, 缓解了结构的不均匀沉降。

针对加层施工过程进一步分析, 分别采用一次加载法和“单元生死”法进行施工模拟计算, 限于篇幅, 从上文8个分析节点中选取4个节点, 将沉降变化的计算结果进行对比, 如图10所示。

从图10a~10d中可看出, 分别采用一次加载法和逐层加载法时, 1, 8号节点沉降量差别不大, 而3, 6号节点在施工至一定层数后, 变形曲线发生明显偏转;单元生死法变形值小于一次性加载方式对应变形值, 且随着加层层数增加, 2种加载方式之间的差异变大。2种加载方式的最大差异沉降值对比如图11所示。由图11可以看出:不同加载方式对结构整体不均匀沉降影响明显, 且逐层加载方式 (单元生死法) 对应的结构不均匀沉降值小于一次性加载方式对应的变形值;新增楼层层数对其变形曲线影响较大。

选取4个节点将有限元模拟结果与现场实测数据进行施工过程中沉降量对比, 结果如图12所示。从图12可以看出, 现场监测与有限元模拟得出的沉降值-施工步骤曲线总体变化趋势基本吻合, 且各节点最终累计沉降值偏差均不超过5mm。有限元计算得出的沉降值较现场监测数据有一定偏差, 其原因经分析为:本工程为加层加固改造工程, 原有结构已使用近30年, 考虑到附加应力的长期压密作用, 原有地基土承载力有所提高, 致使在有限元模拟分析过程中确定土体的力学参数难度增大, 对分析结果造成一定的误差。

通过对住院楼加层加固改造工程进行现场变形监测和施工仿真分析, 得出以下主要结论。

1) 该结构变形沉降值及倾斜均满足现行规范要求, 表明在特有条件下, “先加层后加固”施工方案合理可行。

2) 在全部施工过程中, 加层施工引起的平均沉降以及不均匀沉降最大, 分别占全部施工过程的66%和83%, 应重点关注。下部原有结构加固施工有利于提高结构整体竖向刚度, 减缓结构不均匀沉降。

3) 与一次性加载相比, 逐层加载 (即在一定程度上模拟施工过程) 模拟得出的沉降值及不均匀沉降均偏小, 尤其对于不均匀沉降而言, 2种加载方式计算所得出结果差异明显。

4) 对于该加层加固改造类工程, 有限元数值模拟合理可行。另外, 在数值模拟分析过程中, 如何合理考虑原有结构地基长期压密的有利影响, 有待进一步研究。