虹橋機(jī)場周邊某既有住宅陽臺改造加固的ANSYS有限元分析及荷載試驗(yàn)驗(yàn)證

李占鴻

（上海市房地產(chǎn)科學(xué)研究院／上海房屋質(zhì)量檢測站，上海200031）

虹橋機(jī)場周邊某既有住宅陽臺改造加固的ANSYS有限元分析及荷載試驗(yàn)驗(yàn)證

李占鴻*

（上海市房地產(chǎn)科學(xué)研究院／上海房屋質(zhì)量檢測站，上海200031）

虹橋機(jī)場周邊既有住宅因降噪隔聲要求需對陽臺進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)方案保留原陽臺板、新增鋼筋混凝土陽臺圍護(hù)薄腹梁，薄腹梁與墻交接處設(shè)置混凝土柱。為確保房屋結(jié)構(gòu)安全，按改造方案對改造后陽臺采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，分析加固設(shè)計(jì)的安全性。改造加固實(shí)施完成后，采用加載試驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證，并將實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，兩者比較吻合。

既有住宅，陽臺，ANSYS，有限元分析，荷載試驗(yàn)

1 基本情況

上海虹橋機(jī)場距市中心僅13 km，周圍遍布居民小區(qū)，飛機(jī)起降航道下正好是稠密的居民住宅區(qū)。作為緊挨市中心的一個繁忙空港，虹橋機(jī)場飛機(jī)的起降十分頻繁，飛機(jī)起降過程中產(chǎn)生的噪聲給居民造成了巨大的困擾。政府十分重視此項(xiàng)情況，在結(jié)合其他降噪措施的同時，對某些受飛機(jī)起降噪音影響特別大的小區(qū)，實(shí)施了既有住宅的降噪隔聲改造。

根據(jù)樣板試點(diǎn)工程降噪隔聲改造工程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了以下5項(xiàng)降噪隔聲改造措施：①隔聲窗改造；②隔聲門改造；③屋頂隔聲改造；④外墻加厚改造；⑤陽臺欄板加厚改造，其中尤以隔聲窗改造、隔聲門改造以及陽臺欄板加厚改造這三項(xiàng)措施的隔聲降噪效果最為顯著［1］。

因此，后續(xù)住宅隔聲改造主要采用隔聲窗改造、隔聲門改造和陽臺欄板加厚改造這三項(xiàng)措施。對于某既有住宅（建于20世紀(jì)90年代，6層磚混結(jié)構(gòu)，其陽臺板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，板厚100 mm，雙層雙向配筋；南北向板底配置φ8＠200鋼筋，板頂配置φ12＠120鋼筋；東西向板頂配置φ8＠200鋼筋，板底配置φ6＠200構(gòu)造鋼筋），陽臺窗改為雙層降噪隔聲窗，增加了荷載；另因降噪隔聲要求欄板厚度不能小于150 mm，因而對陽臺欄板進(jìn)行了加厚。這對于陽臺懸挑板，增加了大量荷載，存在安全隱患，需要進(jìn)行加固［1］。

陽臺加固方案幾經(jīng)比選，也參考了一些資料［2］，以及考慮居民的實(shí)際使用需求：保留原有陽臺板，新增鋼筋混凝土陽臺圍護(hù)薄腹梁，陽臺薄腹梁高1 050 mm、寬150 mm；薄腹梁與墻交接處設(shè)置混凝土柱，混凝土柱寬120 mm、長270 m，縱向受力鋼筋12φ12，箍筋φ8＠100箍筋；薄腹梁頂部和底部150 mm范圍內(nèi)，配置雙排6φ8水平鋼筋，頂部與底部之間每隔200 mm配置2φ8水平鋼筋，水平鋼筋與墻交接處均錨入新增混凝土柱中；豎向設(shè)置φ8＠100鋼筋，豎向鋼筋下端錨固于原陽臺板（圖1、圖2）。

圖1 樓層標(biāo)準(zhǔn)平面圖Fig.1 Plane layout of standard floor

圖2 陽臺改造加固剖面圖Fig.2 Cross section of the strengthened balcony

2 基于ANSYS的有限元分析

2.1 建模過程

根據(jù)模型特點(diǎn)，本次分析需要對幾塊板的受力性能進(jìn)行分析，并期望獲得板內(nèi)部應(yīng)力及變形的分布特點(diǎn)，因此采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析。分析建模采用SOLID65單元，該單元采用的是整體式有限元模型，即將鋼筋彌散于整個單元中，將加筋混凝土視為連續(xù)均勻材料，求出的是一個統(tǒng)一的剛度矩陣［3］。

建模考慮陽臺板深入室內(nèi)2 000 mm，并將陽臺下圈梁、陽臺欄板（薄腹梁）一起建模。圈梁、陽臺板混凝土強(qiáng)度按現(xiàn)場實(shí)測采用C15，陽臺欄板（薄腹梁）混凝土強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度C45。配筋根據(jù)實(shí)際情況分別采用HPB235和HRB335。建好的模型圖見圖3。

圖3 ANSYS模型圖Fig.3 ANSYSmodel

2.2 計(jì)算結(jié)果

考慮到陽臺欄板水平鋼筋與墻交接處均錨入新增混凝土柱中，陽臺欄板根部、圈梁側(cè)面、陽臺板內(nèi)部側(cè)面均采用全約束。施加荷載根據(jù)計(jì)算，陽臺面總荷載（面荷載）P1＝0.01 N／mm2，陽臺欄板上荷載（面荷載）P2＝0.06 N／mm2。

求解計(jì)算后，最大變形為0.429 mm（圖4），截取陽臺中軸線處進(jìn)行切片（圖5），可更直觀地看到陽臺板中部稍靠近圈梁處是變形最大部位，選取該節(jié)點(diǎn)的Z位移作為X軸，以陽臺板面荷載為Y軸，繪制其力—位移曲線見圖6。

圖4 陽臺的變形云圖Fig.4 The deformation contour of balcony

圖5 陽臺中軸線處切片的變形圖Fig.5 The deflection of balcony’s cross section

圖6 陽臺板變形最大點(diǎn)力—位移圖Fig.6 The load-deformation curve of balcony slab

另外，選取陽臺欄板（薄腹梁）頂部變形最大點(diǎn)，繪制其力—位移曲線見圖7。由力—位移圖形可知，結(jié)構(gòu)變形均在彈性范圍內(nèi)。

圖7 陽臺欄板變形最大點(diǎn)力—位移圖Fig.7 The load-deformation curve of balcony railing（maximum point）

繪制主筋鋼筋應(yīng)力圖見圖8，鋼筋拉應(yīng)力最大值為13.014 N／mm2，鋼筋壓應(yīng)力最大值為－16.243 N／mm2，均在鋼筋的強(qiáng)度范圍內(nèi)。繪制裂縫和壓碎圖見圖9，除陽臺板、陽臺欄板（薄腹梁）和圈梁交接處應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)了局部開裂平面外，結(jié)構(gòu)整體無開裂。

以上結(jié)論證明，陽臺改造加固后，結(jié)構(gòu)是安全的。

圖8 主筋鋼筋應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contour ofmain rebar

圖9 裂縫和壓碎分布圖Fig.9 Distribution of cracks and concrete crushing

3 陽臺加固后的加載驗(yàn)證［4，5］

3.1 加載與卸載方法

1）加載方法

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）［6］以及設(shè)計(jì)單位提供的資料及數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得到陽臺恒載標(biāo)準(zhǔn)值為22.31 kN，薄腹梁上恒載標(biāo)準(zhǔn)值為44.33 kN，陽臺樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.5 kN／m2，陽臺樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值為13.00 kN，陽臺樓面荷載組合值為47.22 kN；對應(yīng)于該組合值的質(zhì)量為4 818 kg；荷載組合值對應(yīng)的質(zhì)量與陽臺恒載標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)的質(zhì)量之差為陽臺樓面最大試驗(yàn)荷載，為2 541 kg。

由于陽臺欄桿上將安裝隔音窗，所以不考慮陽臺欄桿壓頂上的活荷載和雪荷載，薄腹梁荷載組合值為55.86 kN，對應(yīng)于該組合值的質(zhì)量為5 700 kg；荷載組合值對應(yīng)的質(zhì)量與恒載標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)的質(zhì)量之差為薄腹梁上最大試驗(yàn)荷載，為2 444 kg。

本次試驗(yàn)采用25 kg的鑄鐵砝碼模擬均布荷載進(jìn)行堆載，總加載量為5 t。加載過程采用分級加載，每級荷載作用持續(xù)時間為15 min，最大荷載堆載完畢后持續(xù)時間為30 min。具體加載過程見表1。

2）卸載方法

卸載過程按照上述加載過程逆序卸載，分兩次卸載完畢。首次卸載為薄腹梁卸載，末次卸載為樓面板卸載；每次卸載完成持續(xù)15 min后測量殘余變形并記錄損壞情況。

3.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

板底南端東、中、西各布置一個百分表，記錄位置、初值、每級讀數(shù)。板底北側(cè)圈梁底中部、板底中部北側(cè)和中間各布置一個百分表，記錄位置、初值、每級讀數(shù)（撓度監(jiān)測點(diǎn)布置圖見圖10）。

表1 陽臺加載試驗(yàn)過程表Table 1 The scheme of loading test

圖10 撓度監(jiān)測點(diǎn)布置圖Fig.10 Layout of themeasuring points

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)加載試驗(yàn)過程，在加載前讀取各百分表的初始讀數(shù)，前5級荷載加載結(jié)束15 min后讀取各百分表數(shù)值，第6級荷載即最后一級荷載加載結(jié)束30 min后讀取各百分表數(shù)值；薄腹梁卸載結(jié)束15 min后讀取各百分表數(shù)值，樓面板卸載結(jié)束15min后讀取各百分表數(shù)值。試驗(yàn)過程各百分表讀數(shù)見表2，各百分表撓度變化見圖11。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

在整個試驗(yàn)過程中，板面四周、板底四周和中部、薄腹梁側(cè)面、薄腹梁頂面、原始圈梁側(cè)面和底面、新構(gòu)造柱、相關(guān)墻體等部位均未出現(xiàn)由于承載力不足而引起的混凝土破損、受拉主筋端部滑脫現(xiàn)象，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接部位也沒有發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)在荷載下處于彈性變形范圍。

表2 試驗(yàn)過程各測點(diǎn)撓度讀數(shù)Table 2 Deflection ofmeasuring poins

圖11 各測點(diǎn)撓度變化圖Fig.11 Deflection ofmeasuring point under loading

根據(jù)撓度監(jiān)測結(jié)果，5號位撓度偏大，且變形曲線有奇異；而4號位變形偏小，在完全卸載后竟然回彈到0.220 mm；考慮到現(xiàn)場試驗(yàn)條件不是十分有利（在已入住的居民家中），此兩點(diǎn)的測量結(jié)果存在一定的疑問，因此舍去不采用。其他各點(diǎn)撓度值均在0.250～0.450 mm之間。

4 結(jié) 論

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果都證明，結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載下為彈性變形范圍，基本沒有開裂等結(jié)構(gòu)損傷，陽臺改造加固后，結(jié)構(gòu)是安全的。

現(xiàn)場荷載的撓度測試取用較可信的6號位，最大值為0.389 mm，有限元計(jì)算最大值為0.429 mm，兩者十分接近，證明有限元分析結(jié)果可靠，兩者基本吻合。

有限元分析結(jié)果顯示，鋼筋拉應(yīng)力最大值為13.014 N／mm2，位于陽臺欄板（薄腹梁）的最上端，因此還可以指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)對陽臺欄板（薄腹梁）配筋值的優(yōu)化。

［1］ 上海房屋質(zhì)量檢測站.沙申新村、茂盛花園十幢房屋檢測［滬房鑒（001）證字第2012-1173號］，2012，8.

［2］ 沈繼紅，余瓊.某住宅陽臺改造設(shè)計(jì)及施工中遇到的問題［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2003，19（4）：59-62.Shen Jihong，Yu Qiong.Problems in designing and reconstruction for an existing residential building［J］.Structural Engineers，2003，19（4）：59-62.（in Chinese）

［3］ 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.Wang Xinmin.ANSYS numerical analysis of engineering structure［M］.Beijing：China Communications Press，2007.（in Chinese）

［4］ 許利軍，周云，金毅.住宅陽臺改造后安全性評估［J］.住宅科技，2012（12）：46-49.Xu Lijun，Zhou Yun，Jin Yi.Safety evaluation on transformed housing balcony［J］.Housing Science，2012，（12）：46-49.（in Chinese）

［5］ 上海房屋質(zhì)量檢測站.沙申新村24號204室南陽臺加載試驗(yàn)［滬房鑒（001）證字第2012-1158號］.2012.8.

［6］ 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.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.China Association for Engineering Construction Standardizaiton.GB 50009—2012 Load code for the design of building stractures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2012.（in Chinese）

Analysis by ANSYS and Load Test Verification of the Strengthened Balcony of Existing Residential around Hongqiao Airport

LIZhanhong*
（Shanghai Real Estate Science Research Institute／Shanghai Housing Quality Inspection Station，Shanghai200031，China）

Due to the noise insulation retrofitting on the existing residential buildings around the Hongqiao Airport，balconieswere required for strengthening.Designers planned to retain the original balcony panels and cast in-situ reinforced concrete thin abdominal beams and columns to the originalwalls.To ensure the safety of rehabilitation，ANSYSwas adopted for analyzing this special structure.When strengthening construction was completed，a loading testwas carried out in-situ.Compared with the experimental data，the numerical results showed an acceptable agreement.

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2013－09－10

*聯(lián)系作者，Email：13918362723＠163.com