基于时变理论的房屋加层改造结构模型分析

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3.0 牛悦 2025-01-09 4 4 8.5MB 72 页 15积分

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摘要

随着经济建设的快速发展，人均用地日益紧张，房屋加层改造越来越成为解

决房屋供需矛盾的便捷方式，进而也产生了更多更复杂的加层改造要求。现有房

屋加层过程常出现结构传力途径调整或结构体系转变，其结构自身随时间变化而

改变，具有显著的时变结构特性。以“完成状态”设计图作为结构加层改造的施

工依据，易产生施工误差，难以保证改造后结构体系符合设计要求，甚至埋下安

全隐患。当前，基于时变理论的应用研究主要集中在混凝土高层建筑结构、大跨

度或复杂钢结构施工过程分析，尚未发现运用于房屋加层改造中。研究房屋加层

改造施工过程结构内力的变化规律，可以丰富时变结构理论应用领域，为类似

项目提供技术数据，同时也为控制加层施工安全、质量事故提供技术保障，具

有重要的现实意义和应用价值。

本文简要介绍了现有房屋加层改造方式，详细阐述各类房屋加层的结构特点、

发展现状以及实施步骤，系统梳理时变结构理论及分析模型，着重论述各种分析

模型的原理、使用范畴和局限性，并针对房屋加层改造时变特性，探讨将时变理

论运用到房屋结构加层工程施工过程分析的可能性。

以上海某工业厂房加层改造项目为工程背景，对房屋加层过程中既有结构构

件的内力变化过程进行研究，针对加层改造中因改造前后竖向构件不同而造成的

施工阶段平面布置不连续问题，依照时变理论结构分析思路，提出以结构拆除时

间为分界点将施工过程进行阶段划分，在阶段内采用有限元分析软件按拆建顺序

依次建立模型，得出各阶段典型工况下结构的内力值，由此获得内力变化规律和

结构施工危险点，并分析变化的原因。最后将整个结构施工过程分析结果与结构

施工监测数据进行比较，以验证分段控制法的合理性和准确性。研究表明：在复

杂房屋加层施工过程中，结构的布置、内力分布及大小随时间的变化而改变，

与最终结构状态存在明显差异；采用不同的拆建顺序，结构内力极值大小及分

布也不尽相同，甚至超过最终状态结构设计值，存在结构失效安全隐患。因此，

采用合理的施工方案和施工顺序，可以将加层结构的受力影响控制在规范允许

的范围内，确保施工过程的安全准确以及完成后的结构状态与设计状态尽可能

地吻合。

关键词：加层改造时变理论结构拆除分段控制法监测数据过程

分析

ABSTRACT

With the rapid development of China’s economy and urbanization, the land supply

shortage becomes a major problem. The storey-adding transformation provides an

effective and efficient solution for alleviating the imbalance between housing supply

and demand, which also involves more complicated requirements. In the process of

storey-adding, there often exists some adjusting in the way of load transfer in structure

or variation in structural system, and it has significant time-varying structural properties

with which the new-adding structure changes over time. If the construction implement

according to the structural design based on static “completed status”, the newly added

building may involves more constriction errors, and thus hard to meet its structural

design requirements, which may increase potential safety risks. The current literatures

of time-varying theory mainly focus on the research in the area of high-rise building

concrete structures and large span steel structures, while the time-varying theory has not

yet applied in the house storey-adding transformation. The research of house

storey-adding transformation contributes the empirical application of structural theory

literature by analyzing the variation of structural force and affording technical data for

similar projects. The research also provides technical support for storey-adding

transformation construction safety and quality.

This paper briefly describes the existing methods of storey-adding transformation

including the characteristics and developing situation of different storey-adding

transformation, and its steps of implementation. The paper systematically reviews

time-varying theory of structure and relevant models including details how each model

works, its applicable areas and limitations, and intend to address problems occurred in

the application of time-varying theory on house storey-adding transformation.

This paper which bases on a project of storey-adding transformation for an

industrial building in Shanghai, analyzes the variation of internal force in the existing

building structure. In order to deal with the plane layout discontinuity problems in the

construction implementation caused by different vertical material, we follow the

methodology in time-varying structure theory and propose a solution which divides

construction implementation into different stages according to the time point of

structural dismantlement. The model in each stage are built according to the dismantling

sequence using finite element analysis software, which delivers the value of internal

force of structure of each stage for typical construction implementation. The variation

rules of internal force and construction danger point can thus be obtained from the

model which can be used for analyzing the reason of changes.

Finally, the results will be compared with the monitoring data from structural

construction, and then to verify the adequacy and accuracy of the segmented control

method. This study shows that the structural arrangement, and the distribution and

magnitude of internal force vary over time in the implementation of storey-adding

transformation. Different dismantlement sequences result various distribution and

magnitude of internal force, which may be inconsistent with original structure design

and thus increase safety risks. Therefore, the use of adequate construction plan and

sequence afford to effectively control the internal force within a specified range, which

consequently ensure the safety in the construction process and the consistency between

the design of structure and completed structure status.

Key Word: Storey-adding transformation，Time-varying theory，

Structural dismantle，Subsection control method，Monitoring data，

Process analysis．

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

1.1 引言 ........................................................... 1

1.2 房屋加层改造分类及发展现状 ..................................... 1

1.2.1 房屋加层改造方式分类 ....................................... 1

1.2.2 房屋加层改造发展现状 ....................................... 3

1.3 房屋加层改造技术研究现状 ....................................... 7

1.4 房屋加层改造施工期间的时变性 ................................... 8

1.4.1 结构施工期的时变性 ......................................... 8

1.4.2 房屋加层改造时变结构与时变体系 ............................. 8

1.4.3 房屋加层改造时变结构体系荷载的时变性 ....................... 9

1.5 问题的提出和研究意义 ........................................... 9

1.6 论文研究的主要内容 ............................................ 10

1.7 本章小结 ...................................................... 10

第二章房屋加层改造施工阶段仿真分析原理和方法 ..................... 11

2.1 引言 .......................................................... 11

2.2 房屋加层改造施工力学分析理论 .................................. 12

2.2.1 时变结构理论概述 .......................................... 12

2.2.2 时变结构体系分析模型 ...................................... 13

2.2.3 时变结构理论在房屋加层改造中的应用 ........................ 16

2.2.4 加层施工仿真分析基本原理 .................................. 16

2.3 房屋施工过程的有限元仿真分析方法 .............................. 20

2.3.1 分步建模多阶段线性叠加法 .................................. 21

2.3.2 生死单元技术 .............................................. 21

2.3.1 非线性分步建模法 .......................................... 23

2.4 房屋施工过程有限元软件分析内容 ................................ 23

2.4.1 MIDAS/Gen 的施工阶段分析内容 .............................. 23

2.4.2 MIDAS/Gen 的施工阶段定义及组成 ............................ 24

2.5 本章小结 ...................................................... 26

第三章房屋加层改造结构模型 ....................................... 28

3.1 引言 .......................................................... 28

3.2 工程概况 ...................................................... 28

3.3 工程抗震鉴定分析 .............................................. 30

3.3.1 现场结构损伤检测 .......................................... 30

3.3.2 结构主要材料检测 .......................................... 30

3.3.3 建筑物倾斜和差异沉降检测 .................................. 31

3.3.4 抗震鉴定 .................................................. 32

3.4 加层改造后模型分析 ............................................ 33

3.4.1 室内加层改造设计方案 ...................................... 33

3.4.2 改造后模型分析结果 ........................................ 34

3.5 本章小结 ...................................................... 36

第四章房屋加层施工过程模型分析 ................................... 39

4.1 引言 .......................................................... 39

4.2 加层施工阶段计算条件分析 ...................................... 39

4.2.1 划分加层施工阶段 .......................................... 39

4.2.2 加层施工计算条件 .......................................... 41

4.3 有限元模型建立 ................................................ 44

4.4 主要计算结果与分析 ............................................ 46

4.5 结构施工过程监测结果 .......................................... 52

4.5.1 监测内容及目的 ............................................ 52

4.5.2 监测方法原理 .............................................. 53

4.5.3 监点布置及测试频率 ........................................ 56

4.5.4 监测成果分析 .............................................. 57

4.6 本章小结 ...................................................... 60

第五章结论与展望 ................................................. 61

5.1 本文的工作结论 ................................................ 61

5.2 展望 .......................................................... 62

参考文献 ........................................................ 64

在读期间公发表的论文和承担科研项目及取得成果 ....................... 68

致谢 ........................................................... 69

第一章绪论

1.1 引言

在进入二十一世纪住房建设大潮以前，我国城镇住宅、公共建筑等民用房屋，

大多数为低层或多层建筑，甚至北京、上海等一线城市也基本以类似建筑为主。

随着经济建设的快速发展，越来越多的人口涌入城镇，人均用地日益紧张，而现

有国情及政策决定我国对低层或多层建筑不可能采取全部推倒重建，必须尽可能

改造利用，因此房屋加层改造及节能改造项目每年呈增长趋势。

据调查表明[1]，我国房屋截止 2010 年底，现有存量约为 277 亿平方米，其中

城镇住宅为 134 亿平方米，全国房屋 70%是20 世纪 90 年代以后的建筑，目前需

要改造的建筑有 30%左右，多为低层和多层民用建筑，它们在耐久性、安全性、

舒适性上难以满足人们的需要。实践证明，结合房屋使用功能改善与大修而进行

加层，是改造利用低层或多层房屋的重要途径。

事实上，基本与住房新建大潮同步，房屋加层改造在我国大中城市实例很多，

且加层方式也多种多样，如直接加层法、改变荷载传递途径加层法以及外套结构

加层法等，各项技术也屡有创新发展，国内许多建筑期刊上发表大量的加层文献

资料，并且召开过多次全国性的加层设计与施工技术交流会议，在获得显著社会

和经济效益同时，积累了丰富的加层设计与施工经验。以上充分说明房屋加层改

造将称为我国城镇建设的生力军，这不仅符合我国当前国情，适合时代发展的要

求，也必将由此形成中国自己改造旧城镇的特色。

1.2 房屋加层改造分类及发展现状

1.2.1 房屋加层改造方式分类

自本世纪 70 年代起[2]，结构加层作为房屋的改造重要方式之一，其技术发展

取得了长足的进步，涉及范围由单栋建筑加层发展到大面积建筑加层，由工业建

筑加层发展到大型商场和公共建筑加层，由使用若干年的房屋加层发展到施工过

程中的加层，由室外加层发展到室内加层，由地上加层发展到地下加层。不同的

加层方法针对不同的改造目的，面对综合复杂的使用要求时，若有成熟的经验，

亦可以选择其他行之有效的加层改造方法，因此房屋加层改造的方式是开放的，

类型是多样的，结构个性鲜明。选择一个合理的加层方式，对结构安全、工程造

价以及改造周期显得尤为重要。目前，房屋加层改造的主要方式有如下几类[3, 4, 5]。

1、直接加层法

房屋不改变结构承重体系和平面布置，直接在其上部进行加层处理。该方法

为早期传统的加层方式，它适用于地基耐力和基础、墙体的承载力均有潜力可挖，

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