基礎(chǔ)沉降差對上部結(jié)構(gòu)的影響分析

文/鮑永健、賈大煥 中國核電工程有限公司鄭州分公司 河南鄭州 450052

基礎(chǔ)沉降差對上部結(jié)構(gòu)的影響分析

文/鮑永健、賈大煥 中國核電工程有限公司鄭州分公司 河南鄭州 450052

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取符合計(jì)算假定的模型進(jìn)行分析，本文結(jié)合工程實(shí)例，通過有限元軟件建模分析，對不同基礎(chǔ)沉降情況下上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化進(jìn)行了分析，經(jīng)比較，基礎(chǔ)沉降差對上部結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取必要措施確保上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

計(jì)算假定；基礎(chǔ)；沉降差；上部結(jié)構(gòu)

1、引言

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于計(jì)算模型的建立、必要的簡化計(jì)算與處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，否則可能會(huì)得到截然相反的結(jié)果。例如，上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)常假定嵌固于基礎(chǔ)頂面，對于基礎(chǔ)的變形往往不予以考慮，在基礎(chǔ)沉降較為均勻、沉降差不大時(shí)這一假定是可以接受的，而對于結(jié)構(gòu)剛度、荷載差異較大時(shí)，基礎(chǔ)沉降差的影響就較為顯著了。本文針對實(shí)際工程，利用有限元分析軟件SAP2000進(jìn)行分析研究，得到了有益于工程實(shí)踐的結(jié)論。

2、實(shí)例分析

根據(jù)前述分析，計(jì)算上部結(jié)構(gòu)假定其豎向構(gòu)件嵌固在基礎(chǔ)頂面，計(jì)算基礎(chǔ)考慮上部荷載及傳遞剛度，分開建模，獨(dú)立計(jì)算，各自復(fù)核指標(biāo)。此計(jì)算模型假定建立在結(jié)構(gòu)相鄰豎向構(gòu)件基礎(chǔ)沉降均勻、沉降差可控前提下；基礎(chǔ)沉降差對于沉降較為敏感結(jié)構(gòu)體系到底有多大影響，本文結(jié)合實(shí)際工程，通過模型1～模型4的對比加以研究，基礎(chǔ)支座條件均為固定，采用上部逐層形成剛度、逐層加載的模擬施工過程，對應(yīng)基礎(chǔ)附加變形值按現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)框架結(jié)構(gòu)相鄰柱基的沉降差允許值以內(nèi)，分別取2‰、1‰、0.5‰，以考察在規(guī)范允許范圍內(nèi)不同基礎(chǔ)變形條件下對上部結(jié)構(gòu)框架及柱內(nèi)力變化的影響。本工程共5層，層高4.5m，每跨8.5m。以下對比中按正常辦公樓附加樓面恒載。分析軟件采用通用有限元分析軟件SAP2000，有限元分析模型見圖2.1。其中A*為框架梁邊支座，B*為框架梁中間支座，C*為跨中位置。

圖2.1 框架結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2.2給出模型在考慮基礎(chǔ)沉降與否的條件下中榀框架梁的典型彎矩分布圖。表2-2～表2-10給出模型1～模型4中榀框架詳細(xì)的內(nèi)力數(shù)值對比。

圖2.2 框架典型彎矩圖（其中考慮基礎(chǔ)沉降差為相鄰柱基沉降差2‰）

表2-1 模型1～模型4框架梁彎矩比較（單位：KN*M，下側(cè)受拉為正）：

由表2-1及典型彎矩圖可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著邊柱和中柱沉降差逐漸加大，在相同位置彎矩差異逐漸加大，在中間支座處甚至出現(xiàn)彎矩方向相反的現(xiàn)象，以模型2為例，相對于模型1，在1層位置框架梁邊支座彎矩增大了360.9%；中間支座梁彎矩反向，由負(fù)彎矩變成正彎矩（下部受拉），反向增大了244.8%；同一沉降差下，相同樓層梁支座彎矩差異要比跨中彎矩差異大，不同樓層的梁在下部樓層彎矩差異比上部樓層更為顯著；不同沉降差下相同位置梁彎矩變化幅度呈倍數(shù)關(guān)系。

表2-2 模型1、模型2框架柱軸力比較（單位：KN，壓為正）：

由表2-2可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著邊柱和中柱沉降差逐漸加大，在相同位置軸力差異逐漸加大，邊柱軸力逐漸增大，中柱軸力逐漸減小，以模型2為例，在底層，相對于模型1，中柱軸力下降了53.2%，邊柱軸力增大了23.4%；相同沉降差下，中下部柱軸力變化大于上部柱；不同沉降差下相同位置柱軸力變化幅度呈倍數(shù)關(guān)系。

3 結(jié)論：

1）基礎(chǔ)沉降差對于上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力影響不容忽視，考慮基礎(chǔ)沉降后，即使按照規(guī)范限值內(nèi)施加基礎(chǔ)位移，與常規(guī)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力相比也差別極大，甚至于出現(xiàn)內(nèi)力反號的情況，沉降差越大，上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力差別越大。這在常規(guī)設(shè)計(jì)中是無法考慮到的，結(jié)構(gòu)配筋也是錯(cuò)誤的。

2）在設(shè)計(jì)中不僅要根據(jù)承載力的要求設(shè)計(jì)，同時(shí)要考慮差異沉降的不利影響，否則在現(xiàn)有軟件計(jì)算假定下得到的結(jié)果是嚴(yán)重失真的，對于梁、柱的設(shè)計(jì)內(nèi)力取值是不安全的，必須予以高度重視。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)沉降差反算上部結(jié)構(gòu)由于支座豎向位移差導(dǎo)致的內(nèi)力變化，適當(dāng)加強(qiáng)相關(guān)構(gòu)件，提高變形協(xié)調(diào)能力。

3）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取有效措施確保設(shè)計(jì)與分析模型邊界條件吻合，如對跨度較大邊柱與中柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，邊柱基礎(chǔ)面積由彎矩控制，中柱由軸力控制，兩者軸力相差很大，但基礎(chǔ)底面積相差不大，這時(shí)要有意增大中柱基礎(chǔ)底面積，控制兩者間沉降差，從而使上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)其支座條件基本符合計(jì)算假定。

[1]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010） [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2011）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.