基礎沉降差對上部結構的影響分析

鮑永健　賈大煥

[摘要]結構設計中應采取符合計算假定的模型進行分析，本文結合工程實例，通過有限元軟件建模分析，對不同基礎沉降情況下上部結構內力變化進行了分析，經比較，基礎沉降差對上部結構的影響不容忽視，設計中應采取必要措施確保上部結構設計安全。

[關鍵詞]計算假定；基礎；沉降差；上部結構

1、引言

在結構設計中，對于計算模型的建立、必要的簡化計算與處理，應符合結構的實際工作狀況，否則可能會得到截然相反的結果。例如，上部結構進行分析時常假定嵌固于基礎頂面，對于基礎的變形往往不予以考慮，在基礎沉降較為均勻、沉降差不大時這一假定是可以接受的，而對于結構剛度、荷載差異較大時，基礎沉降差的影響就較為顯著了。本文針對實際工程，利用有限元分析軟件SAP2000進行分析研究，得到了有益于工程實踐的結論。

2、實例分析

根據前述分析，計算上部結構假定其豎向構件嵌固在基礎頂面，計算基礎考慮上部荷載及傳遞剛度，分開建模，獨立計算，各自復核指標。此計算模型假定建立在結構相鄰豎向構件基礎沉降均勻、沉降差可控前提下；基礎沉降差對于沉降較為敏感結構體系到底有多大影響，本文結合實際工程，通過模型1～模型4的對比加以研究，基礎支座條件均為固定，采用上部逐層形成剛度、逐層加載的模擬施工過程，對應基礎附加變形值按現行《建筑地基基礎設計規范》中有關框架結構相鄰柱基的沉降差允許值以內，分別取2‰、1‰、0.5‰，以考察在規范允許范圍內不同基礎變形條件下對上部結構框架及柱內力變化的影響。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2.2給出模型在考慮基礎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中榀框架詳細的內力數值對比。

a）不考慮基礎沉降差時梁彎矩圖b）考慮基礎沉降差時梁彎矩圖

圖2.2框架典型彎矩圖

（其中考慮基礎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，下側受拉為正）：

由表2-1及典型彎矩圖可以明顯發現，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彎矩方向相反的現象，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關系。

由表2-2可以明顯發現，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關系。

3結論：

1）基礎沉降差對于上部結構構件的內力影響不容忽視，考慮基礎沉降后，即使按照規范限值內施加基礎位移，與常規設計的上部結構內力相比也差別極大，甚至于出現內力反號的情況，沉降差越大，上部結構內力差別越大。這在常規設計中是無法考慮到的，結構配筋也是錯誤的。

2）在設計中不僅要根據承載力的要求設計，同時要考慮差異沉降的不利影響，否則在現有軟件計算假定下得到的結果是嚴重失真的，對于梁、柱的設計內力取值是不安全的，必須予以高度重視。上部結構設計時，應根據基礎沉降差反算上部結構由于支座豎向位移差導致的內力變化，適當加強相關構件，提高變形協調能力。

3）在結構設計時，必須采取有效措施確保設計與分析模型邊界條件吻合，如對跨度較大邊柱與中柱基礎設計時，邊柱基礎面積由彎矩控制，中柱由軸力控制，兩者軸力相差很大，但基礎底面積相差不大，這時要有意增大中柱基礎底面積，控制兩者間沉降差，從而使上部結構設計時其支座條件基本符合計算假定。