基于ANSYS軟件的塔式結(jié)構(gòu)上浮數(shù)值模擬方法研究與應(yīng)用

羅中定，徐漢勇

（1.深圳市磐石建筑咨詢有限公司，廣東 深圳518101；2.長(zhǎng)沙學(xué)院 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410022）

1 引言

塔式結(jié)構(gòu)集地下室、裙房和塔樓于一體，能較好地滿足停車、商業(yè)、辦公和住宅的要求，有效提高土地利用率，因此，廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程中[1，2]。我國(guó)多數(shù)地區(qū)雨水條件豐富，尤其是南方城市，地下水對(duì)塔式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的上浮與破壞[3-5]，引起工程結(jié)構(gòu)研究者的廣泛關(guān)注。至今，關(guān)于塔式結(jié)構(gòu)上浮的研究報(bào)道主要包括2個(gè)方面：一為實(shí)際工程上浮事故產(chǎn)生的原因分析與措施研究，如文獻(xiàn)[6]以某帶地下車庫(kù)的住宅塔式結(jié)構(gòu)為例，指出由于車庫(kù)頂板上的覆土厚度設(shè)計(jì)過(guò)小、底板混凝土未澆筑、提前停止排水工作等因素造成地下室底板上浮和其他構(gòu)件開(kāi)裂，并建議地下室頂板增加設(shè)計(jì)覆土、地下室底板變形大的位置增設(shè)剪力墻、已經(jīng)開(kāi)裂位置粘貼碳纖維。二為利用加載或錨桿或抗拔樁對(duì)實(shí)際工程抗浮設(shè)計(jì)研究，如文獻(xiàn)[7]以廣東鶴山名門(mén)項(xiàng)目為例，指出由于地下室埋深大，采用壓重措施會(huì)影響建筑功能，采用抗拔樁措施會(huì)影響施工難度和經(jīng)濟(jì)性，因此采用了錨桿措施，并對(duì)梅花形布置的錨桿抗拔承載力、剛度和錨固長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述。文獻(xiàn)[8]分析了增加覆土厚度、向上加厚地下室頂板厚度、向下加厚地下室底板厚度、抗拔樁和錨桿的原理與優(yōu)缺點(diǎn)，并指出對(duì)于某些實(shí)際工程，僅采用單類抗浮措施未必是最經(jīng)濟(jì)的，建議采用聯(lián)合抗浮措施。為能較好地掌握塔式結(jié)構(gòu)上浮特點(diǎn)，便于采取更合理的抗浮措施，勢(shì)必需要采用合理的數(shù)值模擬方法對(duì)整體結(jié)構(gòu)的上浮進(jìn)行分析，而目前關(guān)于該方面的研究報(bào)道較少。借此，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，基于ANSYS有限元軟件提出相應(yīng)的數(shù)值模擬方法，分析塔式結(jié)構(gòu)的上浮特點(diǎn)，并提出相應(yīng)的抗浮措施。

2 數(shù)值模擬方法

文獻(xiàn)[9]以青島市某包含4座高層住宅和地下車庫(kù)的塔式結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，與塔樓相連處地下車庫(kù)未發(fā)生豎向變形，在一定范圍內(nèi)車庫(kù)上浮量隨著塔樓距離增大而增加，同樣的實(shí)測(cè)結(jié)論在文獻(xiàn)[10]也再次得到了證實(shí)，其原因在于塔樓自重可以完全抵抗該區(qū)域的浮力，地下室底板與豎向構(gòu)件交界區(qū)域并未發(fā)生明顯的豎向位移，與之相反，在塔樓之間的車庫(kù)區(qū)域，由于自重小于浮力，該區(qū)域的地下室底板和豎向構(gòu)件將產(chǎn)生上浮。根據(jù)該實(shí)測(cè)結(jié)論，給出利用ANSYS有限元軟件塔式結(jié)構(gòu)上浮的數(shù)值模擬方法：

1）以塔樓周邊為邊界，將包括地下室頂板和底板分成塔樓區(qū)域和停車區(qū)域，如圖1所示；

圖1 典型塔樓平面圖

2）采用beam4梁?jiǎn)卧M梁柱構(gòu)件，shell63單元模擬板墻構(gòu)件；

3）在塔樓與地下室底板交界區(qū)域，由于未發(fā)生上浮，該范圍所有豎向構(gòu)件的下節(jié)點(diǎn)約束可用固定支座進(jìn)行代替；

4）地下室底板停車區(qū)域的豎向構(gòu)件，如果采用淺基礎(chǔ)，且未設(shè)置錨桿抗浮措施，考慮到地基土不承受拉力，因此，豎向構(gòu)件的下節(jié)點(diǎn)不宜設(shè)約束，如果是樁基礎(chǔ)或設(shè)置了抗拔樁或錨桿抗浮措施，則宜采用combin14單元模擬樁（錨桿）土的相互作用；

5）地下室底板的所有水平構(gòu)件，均會(huì)發(fā)生上浮，在數(shù)值模擬時(shí)，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)不施加約束。

3 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

參考沈浦生教授的研究成果[11]，構(gòu)建了帶1層地下室的鋼筋混凝土雙塔對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖2所示。地下室水平x向?yàn)?1跨，水平y(tǒng)向?yàn)?跨，跨度均為8.1 m，層高為4.2 m，頂板厚度為0.25 m，塔樓x向?yàn)?跨，y向?yàn)?跨，跨度與地下室相同，層數(shù)為20層，層高為3.6 m。框架柱采用邊長(zhǎng)為1.2 m的方柱，框架梁采用0.4 m×0.8 m的矩形截面，樓板厚度為0.18 m。塔樓區(qū)域采用筏板基礎(chǔ)，地下室底板起防水和結(jié)構(gòu)作用，厚度為0.4 m，停車區(qū)域采用柱下獨(dú)基，地下室底板主要起防水作用，板厚為0.25 m。基于ANSYS軟件對(duì)該雙塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗浮數(shù)值模擬時(shí)，梁柱采用beam4單元，樓板采用shell63單元，并按照構(gòu)思的數(shù)值模擬方法，給出了結(jié)構(gòu)地下室底板不同區(qū)域節(jié)點(diǎn)的約束，如圖3所示。

圖2 雙塔結(jié)構(gòu)

圖3 地下室底板約束條件

假設(shè)該結(jié)構(gòu)的最高水位為地下室頂板以下0.5 m，地下室層高為4.2 m，則水頭差為3.7 m，在不考慮底板厚度影響下，底板單位面積承受的水浮力為37 kN/m2，并以面荷載形式從下向上作用在地下室底板上。應(yīng)注意的是，在施加浮力之前，應(yīng)先考慮結(jié)構(gòu)自重的影響。考慮到很多上浮工程案例，往往是由于在施工階段沒(méi)有在地下室頂板回填覆土，因此，在本有限元模型施加結(jié)構(gòu)自重時(shí)，暫不考慮覆土。經(jīng)分析與統(tǒng)計(jì)，得到如圖4所示的整體結(jié)構(gòu)豎向變形圖，并以地下室底板y坐標(biāo)為0的一排節(jié)點(diǎn)為例，得到圖5所示的豎向位移圖。經(jīng)把圖5與文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]得出的曲線進(jìn)行比較，得出的規(guī)律能較好吻合，驗(yàn)證本數(shù)值模擬方法是合理的。

圖4 雙塔結(jié)構(gòu)整體豎向變形圖

圖5 節(jié)點(diǎn)豎向位移圖

4 上浮特點(diǎn)與補(bǔ)救措施

4.1 上浮特點(diǎn)

按照塔樓區(qū)域與停車區(qū)域，將地下室底板和頂板分別進(jìn)行劃分。圖6和圖7分別是塔樓區(qū)域的地下室底板和頂板的豎向變形圖。圖6表明，對(duì)于地下底板，該區(qū)域與豎向構(gòu)件交界附近，即由固定約束附近的板變形為負(fù)（向下），其他位置的板變形為正（向上），說(shuō)明該區(qū)域是以局部上浮為主要。圖7表明，對(duì)于地下室頂板，該區(qū)域所有板的變形均為負(fù)，其原因是受到重力的作用，未受浮力的影響，進(jìn)一步說(shuō)明地下室底板塔樓區(qū)域主要發(fā)生局部上浮；與此相反，圖8和圖9為停車區(qū)域的地下室底板和頂板的豎向變形圖，底板除與塔樓區(qū)域交界區(qū)域有微小向下變形外，其余均為正，頂板除與塔樓交界區(qū)域?yàn)?外，其余均為正，說(shuō)明該區(qū)域是以整體上浮為主。

圖6 塔樓區(qū)域地下室底板變形圖

圖7 塔樓區(qū)域地下室頂板變形圖

圖8 停車區(qū)域地下室底板變形圖

圖9 停車區(qū)域地下室頂板變形圖

為進(jìn)一步分析下室底板裂縫可能出現(xiàn)的區(qū)域，圖10和圖11給別出給了底板塔樓區(qū)域和停車區(qū)域各單元沿x向的應(yīng)變分布圖。結(jié)合圖8和圖9得到的結(jié)論，由于停車區(qū)域是以整體上浮為主，因此，截面表現(xiàn)為上拉下壓，再結(jié)合圖10和圖11可知，底板上表面裂縫將發(fā)生在停車區(qū)域，且不在跨中。同時(shí)，塔樓區(qū)域是以局部上浮為主，與豎向構(gòu)件交界附近截面表現(xiàn)為下拉上壓，板跨中附近截面表現(xiàn)為上拉下壓，即底板下表面裂縫將發(fā)生該區(qū)域與豎向構(gòu)件交界附近。

圖10 塔樓區(qū)域地下室底板應(yīng)變分布圖

圖11 停車區(qū)域地下室底板應(yīng)變分布圖

4.2 補(bǔ)救措施

由文獻(xiàn)[8]可知，抗浮措施主要包括地下室頂板或頂板加重、錨桿和抗拔樁。對(duì)于已建地下室建筑，采用錨桿和抗拔樁抗浮措施，施工難度、后續(xù)維護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益都會(huì)收到顯著影響，因此，加重是比較直接的方法。為確定更合理的加重方法，假設(shè)沿y向均勻加載，但沿x向加載跨數(shù)發(fā)生改變，圖12和圖13分別給出了停車區(qū)域地下室頂板和地下室頂板加重的各3種方案，分別為各跨均勻加載、中間三跨均勻加載和跨中均勻加載。

圖12 地下室頂板加重方案

圖13 地下室底板加重方案

對(duì)于各跨均勻加載，假設(shè)加重為1 kN/m2，在數(shù)值模擬時(shí)，將該荷載折算為板厚，并按照加載荷載總值相等的原則，改變中間三跨均勻加載和跨中均勻加載的板厚。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在未加載之前，整體結(jié)構(gòu)沿豎向最大變形為0.212 m，采用地下室頂板各跨均勻加載、中間三跨均勻加載和跨中均勻加載的豎向最大變形分別為0.189 m、0.188 m和0.193 m，采用地下室底板各跨均勻加載、中間三跨均勻加載和跨中均勻加載的豎向最大變形分別為0.177 m、0.175 m和0.176 m，表明采用加重地下室底板的抗浮措施比加重頂板有效，3種加載方式誤差不大，中間三跨均勻加載略佳。

5 結(jié)論

考慮到塔式結(jié)構(gòu)上浮與破壞現(xiàn)象普遍存在，利用ANSYS軟件對(duì)塔式結(jié)構(gòu)上浮的數(shù)值模擬方法、特點(diǎn)與措施進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于地下室底板的塔樓區(qū)域，在抗浮數(shù)值模擬時(shí)，與豎向構(gòu)件交界區(qū)域可用固定支座模擬，主要表現(xiàn)為局部上浮；

2）對(duì)于地下室底板的停車區(qū)域，如果采用淺基礎(chǔ)，在抗浮數(shù)值模擬時(shí)，可不設(shè)置支座約束，主要表現(xiàn)為整體上浮；

3）地下室底板上表面裂縫主要分布在停車區(qū)域，且常不在跨中，底板下表面裂縫主要分布在塔樓區(qū)域的支座附近；

4）采用加重地下室底板的抗浮措施比加重頂板有效，各跨均勻加載、中間三跨均勻加載和跨中均勻加載方式效果相差不大，且中間三跨均勻加載方式稍佳。