基礎(chǔ)不均勻沉降對上部框架結(jié)構(gòu)影響的有限元分析

王荷菲，劉 珺

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

隨著我國社會的高速發(fā)展，建筑行業(yè)也是欣欣向榮.但是仍存在許多不可忽視的隱患，其中地基的沉降對結(jié)構(gòu)安全和使用所造成的隱患就比較常見.由于地基的不均勻沉降引起的事故頻發(fā)，位于意大利托斯卡納省比薩城北面的奇跡廣場上的比薩斜塔的傾斜角度達(dá)到了3.99度，偏離地基外沿2.5米，頂層突出4.5米[1]；2009年6月27日早晨5時(shí)30分左右，在沒有任何先兆的情況下，位于上海閔行區(qū)蓮花南路、羅陽路路口的“蓮花河畔景苑”一棟13層在建住宅樓突然倒塌；2014年5月12日，韓國忠清南道牙山市一棟正在建設(shè)中的7層房屋嚴(yán)重傾斜并臨近倒塌，造成此房屋產(chǎn)生傾斜的原因是地基不穩(wěn)[2].學(xué)者們開始根據(jù)不同情況，不同條件，運(yùn)用不同的方法進(jìn)行研究和分析，得到了許多基礎(chǔ)不均勻沉降方面的成果[3-5].任慶偉[6]分析了軟土地區(qū)的地基不均勻沉降對框架結(jié)構(gòu)的影響；葉坤、周磊[7]以實(shí)際的工程模型為研究對象，利用SAP2000軟件模擬研究了地基不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)的裂縫、應(yīng)力影響的規(guī)律.地基基礎(chǔ)的不均勻沉降會改變基地反力的大小和方向，從而導(dǎo)致其上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性受到破壞.故而，分析基礎(chǔ)沉降對上部框架結(jié)構(gòu)的影響具有最重要的意義.本文基于ANSYS有限元軟件建立了某高層框架-筒體結(jié)構(gòu)模型，通過對不同工況下基礎(chǔ)沉降對上部結(jié)構(gòu)影響的研究分析，得到相關(guān)結(jié)論.

1 用有限元軟件ANSYS建立模型

該模型[8](p206-p207)為某一框架—筒體結(jié)構(gòu)，總高度54m，18層，層高3m，結(jié)構(gòu)平面圖和模型參數(shù)表分別如下：

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖(單位:m)

表1 -1 模型參數(shù)表

取梁的單元類型為beam188，筒體、樓板及外墻單元類型為shell63，結(jié)合模型參數(shù)表和結(jié)構(gòu)平面圖用ANSYS有限元軟件建立模型如圖2.其中坐標(biāo)原點(diǎn)為KZ1柱最底層截面形心，結(jié)合圖1圖2所示X軸方向從左到右為正，Y軸方向從下到上為正，Z軸方向豎直向上為正.

圖2 整個(gè)有限元模型

2 各工況ANSYS模擬分析

趙欣[10]從基礎(chǔ)整體性方面考慮了整個(gè)結(jié)構(gòu)在兩端沉降、中間沉降以及一端階梯狀條件下結(jié)構(gòu)的整體位移情況，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)論，所以本文僅從地基基礎(chǔ)均勻沉降與不均勻沉降兩方面去模擬分析，沒有考慮基礎(chǔ)整體性作用.在所建模型上，對每個(gè)工況下選擇的沉降柱給定一個(gè)向下的位移，其他柱的自由度為0，于是模擬了基礎(chǔ)的不均勻的沉降.接著用ANSYS軟件進(jìn)行運(yùn)算，來模擬分析基礎(chǔ)不均勻沉降對上部框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變的影響.S1工況的沉降柱為KZ16，S2工況的沉降柱為KZ3，S3工況的沉降柱為 KZ4，S4工況的沉降柱分別為KZ14、KZ15、KZ16，其中KZ15沉降量是其他所有沉降柱的兩倍.計(jì)算時(shí)取Z軸方向向下沉降0.01m，KZ15沉降量為0.02m.

2.1 各工況下節(jié)點(diǎn)豎向位移曲線圖及各工況的總位移云圖

圖3 各工況節(jié)點(diǎn)的豎向位移曲線

2.2 分析結(jié)論

（1)從圖3各工況節(jié)點(diǎn)的豎向位移曲線可以看出：當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，與沉降柱相近的梁、板、柱和墻受到的影響較大，當(dāng)與沉降柱距離的增加時(shí)，其受到的影響降低；在相同沉降量的情況下，邊跨角柱的沉降造成的影響比邊跨中柱的沉降造成的影響大，長跨中的沉降柱沉降的影響比短跨大；

圖4 S2工況總位移云圖

圖5 S4工況總位移云圖

（2）由于S4工況下的沉降量與其他工況不同(其中KZ15沉降量是其他沉降柱沉降量的兩倍),從圖3中S4工況豎向位移曲線可以看出：基礎(chǔ)沉降量越大，其造成的影響越大；

（3）從圖4和圖5兩種工況的總位移云圖可以看出：沉降柱在Z軸方向的沉降逐漸擴(kuò)散到了頂部樓層，1至9層位移增長較慢，10至18層增長較快，并且位移量趨于疊加趨勢增長，而與沉降柱相鄰較遠(yuǎn)的其他柱的整個(gè)上部樓層結(jié)構(gòu)所受到的影響比較小，且距離沉降柱越遠(yuǎn)上部結(jié)構(gòu)所受的影響越小；

（4）結(jié)合圖3、圖4以及圖5可以看出：沉降量越大對頂層和底層的影響就越大，沉降影響較嚴(yán)重部位主要集中在沉降柱所在位置的底層和頂層.

圖6 S1工況總位移云圖

圖7 S3工況總位移云圖

3 結(jié)語

一旦框架結(jié)構(gòu)特別是高層框架結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，會引起沉降周圍結(jié)構(gòu)以及上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布進(jìn)而產(chǎn)生新的位移，使框架結(jié)構(gòu)底層產(chǎn)生下?lián)虾蛢A覆，上部結(jié)構(gòu)的位移會逐層疊加，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)傾斜，對居住人員和建筑物周邊行人的安全造成很大的影響.若地基剛度均勻，則在高層框架結(jié)構(gòu)長期的重力作用下，會呈現(xiàn)趨于中間沉降大，兩邊沉降小的盆式曲線[9]（p33-p34).為此，高層框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮使用不均勻剛度地基且提高基礎(chǔ)的整體剛度，避免或延緩盆式沉降的發(fā)生.其次，可在地基基礎(chǔ)部位設(shè)置沉降縫，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，減少上部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降.本文僅僅是考慮了基礎(chǔ)的豎向沉降情況下的分析研究而沒有考慮水平的風(fēng)荷載以及地震作用荷載的情況，故對于復(fù)雜的耦合條件下的地基沉降對高層框架結(jié)構(gòu)的影響還需進(jìn)一步分析和研究.