不均勻沉降對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響

葉 坤 周 磊

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

不均勻沉降對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響

葉 坤 周 磊

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

針對(duì)不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致墻體開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起房屋傾斜甚至于倒塌的情況，以揚(yáng)州市某多跨六層框架結(jié)構(gòu)建筑為例，運(yùn)用有限元分析軟件SAP2000，模擬分析了基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)上部框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，得出了一些有參考價(jià)值的結(jié)論。

不均勻沉降，有限元分析，上部結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)的建筑行業(yè)的管理制度也日益完善，但是我們也必須承認(rèn)目前仍存在一些質(zhì)量問(wèn)題，其中開(kāi)裂就是一個(gè)相對(duì)普遍的現(xiàn)象。在引起開(kāi)裂的諸多原因中由地基基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫占有很大的比例，因此研究地基不均勻沉降對(duì)框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害是有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值的[1]。

本文運(yùn)用有限元分析軟件SAP2000對(duì)揚(yáng)州市某框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施加支座位移的方法來(lái)得到不均勻沉降對(duì)上部框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形影響的數(shù)字分析[2]。深入認(rèn)識(shí)地基基礎(chǔ)不均勻沉降所引起的危害。

1 有限元模擬框架結(jié)構(gòu)不均勻沉降

1.1 工程概況

本文采用的模型為揚(yáng)州市某多跨六層框架結(jié)構(gòu)辦公樓，純框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立柱基礎(chǔ)，縱向8跨，每跨6 m，橫向3跨，中跨2 m，其他兩跨6 m。一層層高為4.5 m，2層～6層層高3.6 m。主梁采用統(tǒng)一截面250 mm×600 mm，次梁采用統(tǒng)一截面200 mm×500 mm，柱采用統(tǒng)一截面600 mm×600 mm，板厚為120 mm。梁、板、柱采用C30混凝土，彈性模量為3.0×104N/mm2，混凝土容重25 kN/m3(見(jiàn)圖1)。三維結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

1.2 荷載選取

1)豎向荷載。 豎向荷載包括結(jié)構(gòu)自重、使用時(shí)產(chǎn)生的活荷載。其中結(jié)構(gòu)自重采用程序自動(dòng)計(jì)算，混凝土容重25 kN/m3，活載按規(guī)范辦公樓面取2.5 kN/m2，上人屋面活荷載取2.0 kN/m2。2)水平荷載。水平荷載主要考慮風(fēng)荷載，本文取基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為C類(lèi)。3)不均勻沉降荷載。 通過(guò)約束框架結(jié)構(gòu)支座的水平方向位移，施加與重力方向一致的豎向位移，模擬分析不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的影響，四種工況各支座模擬沉降值見(jiàn)表1。

2 沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響分析

2.1 對(duì)結(jié)構(gòu)支座豎向變形的影響

不均勻沉降作用時(shí)建筑物三維模型見(jiàn)圖3。

表1 各支座模擬沉降值 mm

通過(guò)與模擬施加的各支座沉降量比較(見(jiàn)表2)，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果表明：每個(gè)支座的沉降量是由自身的沉降量與周?chē)ё两涤绊懰鶎?dǎo)致的附加沉降量相加[3]。如工況4作用下，①軸，⑨軸線的支座由于約束了該支座的6個(gè)自由度，所以支座不會(huì)由于周?chē)ё两刀a(chǎn)生沉降。②軸，⑧軸線支座受周?chē)ё两涤绊懚a(chǎn)生了4.2的附加沉降量，同理③軸，⑦軸線，④軸，⑥軸線，⑤軸線的支座附加沉降量分別為8.4，12.6，16.8。可以發(fā)現(xiàn)支座附加沉降量從①軸～⑤軸是逐漸增加的，相對(duì)應(yīng)的從⑤軸線～⑨軸線支座的附加沉降量在逐漸減少，由此說(shuō)明當(dāng)支座沉降量越大時(shí)對(duì)周?chē)ё两盗康挠绊懸苍酱蟆?/p>

表2 各支座實(shí)際沉降量 mm

表3 工況4作用下軸線部分支座各樓層支座沉降量 mm

表3 工況4作用下軸線部分支座各樓層支座沉降量 mm

軸線樓層123456①0.661.11.441.701.861.93②16.8517.2817.6317.8818.0518.13③33.0633.5033.8534.1134.2734.35④49.3249.8050.1850.4650.6550.74⑤64.8564.8964.9264.9464.9664.97

施加的不均勻沉降，對(duì)底層支座的沉降值影響最大，隨著樓層的增高影響相對(duì)來(lái)說(shuō)越來(lái)越小[4]。如表2在工況4作用下，在⑤軸線位置處施加的沉降值為48，在一層樓高處總沉降值為64.85，差值為16.85，而再往上一層差值只有0.04，越往上差值也越小(見(jiàn)表3)。

2.2 對(duì)梁、柱彎矩的影響分析

本文所選用的模型和各種工況施加的沉降量均關(guān)于⑤軸線對(duì)稱，因此在分析沉降自中心向兩側(cè)擴(kuò)散對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響時(shí)，僅給出①軸～⑤軸的數(shù)據(jù)。

由圖4～圖7可以看出，支座沉降只對(duì)當(dāng)前以及相鄰框架的梁、柱彎矩影響較大，而對(duì)相距較遠(yuǎn)的框架的梁、柱彎矩影響較小。如果在S2工況作用下，在④，⑤，⑥三根軸線處的支座模擬施加沉降，從彎矩圖可以看出產(chǎn)生較大彎矩的截面主要在③軸線～⑦軸線，對(duì)于①軸，②軸，⑧軸，⑨軸線梁、柱截面產(chǎn)生的彎矩相對(duì)較小。

表4 ④軸線處沿層高柱端彎矩

kN·m

由表4可以看出，在不同工況作用下，不均勻沉降對(duì)框架柱底層和頂層彎矩的影響最大[5]。如工況4，底層柱的柱頂、柱底彎矩相差有一倍，頂層柱的彎矩變化也相當(dāng)大，由柱底的346.63 kN·m變成柱頂?shù)?69.37 kN·m，而中間樓層柱頂、柱底彎矩的變化幅度都比較小，基本穩(wěn)定在10%以內(nèi)。

2.3 對(duì)梁、柱剪力的影響分析

表5 ④軸線處沿層高柱截面剪力

kN

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不同工況作用下梁柱各截面剪力均有所增大，從圖8～圖11可以看出，柱截面在底層剪力最小，在第二層和頂層的時(shí)候剪力都比較大，在中間樓層各層剪力值變化幅度不大且比底層大但比第二層和頂層剪力值小。如表5所示：在工況4作用下底層柱剪力最小為80.72 kN，第二層和頂層剪力值分別為193.52 kN和226.66 kN，但是中間三層剪力值卻只有170 kN左右且變化幅度在10%以內(nèi)。梁端剪力隨著沉降范圍的擴(kuò)散逐漸擴(kuò)大，但是不同工況下剪力變化最終趨于相同的最大值140 kN[6]。

2.4 對(duì)柱軸力的影響分析

圖12～圖15數(shù)據(jù)表明，不均勻沉降對(duì)柱軸力的影響主要局限于沉降范圍內(nèi)的柱以及臨近沉降范圍的柱，如表6所示①軸線處的柱，在S1，S2工況作用下軸力基本沒(méi)有變化，但在S3工況下，由于在③軸線支座處施加了沉降，而①軸線位置處柱屬于臨近沉降范圍的柱，此時(shí)該位置處軸力有了74 kN的變化，在S4工況作用下時(shí)，該位置柱軸力變化達(dá)到了615 kN。同理，在軸網(wǎng)中心位置⑤軸線處由于施加了沉降，該位置處地基反力減小，因此對(duì)柱軸力影響較大，使得柱軸力變得很小[7]。

表6 底層柱各工況下軸力值 kN

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)軟件模擬分析可以得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)框架結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，在沉降位置處的柱以及柱間梁會(huì)產(chǎn)生較大的豎向變形，不在沉降范圍內(nèi)的柱豎向位移并不明顯，同時(shí)沉降范圍柱間的框架梁會(huì)產(chǎn)生明顯的豎向位移，即產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)角。2)當(dāng)框架結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，沉降范圍內(nèi)的梁、柱截面會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，遠(yuǎn)離沉降范圍的構(gòu)件產(chǎn)生的彎矩相對(duì)較小，而對(duì)柱截面的影響主要集中在底層和頂層。3)當(dāng)框架結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，在底層、二層和頂層柱端產(chǎn)生的剪力最大。且在不同工況下梁、柱端剪力各自趨于相同的最大值。4)當(dāng)框架結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，對(duì)沉降位置處柱的軸力影響最大，而對(duì)不在沉降范圍內(nèi)柱的軸力幾乎沒(méi)有影響。5)本文主要是模擬分析“盆式”沉降時(shí)框架結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形和附加內(nèi)力。但也可以用該方法對(duì)實(shí)際工程中出現(xiàn)的局部沉降等各種不均勻沉降的情況進(jìn)行數(shù)值分析。

[1] 徐劍波.地基不均勻沉降對(duì)房屋的危害及治理對(duì)策研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2005.

[2] 任慶偉.軟土地區(qū)地基不均勻沉降對(duì)框架結(jié)構(gòu)影響[D].天津:天津大學(xué),2009.

[3] 王向陽(yáng).地基不均勻沉降對(duì)框架結(jié)構(gòu)影響的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

[4] 楊富春.地基不均勻沉降對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響分析[J].經(jīng)營(yíng)管理者,2009(15):384.

[5] 高自理.地基不均勻沉降對(duì)上部框架結(jié)構(gòu)影響分析[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[6] 周長(zhǎng)海.不均勻沉降對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的影響的研究[D].青島:青島理工大學(xué),2010.

[7] 吳勝發(fā),孫作玉.地基不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,4(3):261-266.

Influence of uneven settlement on frame structure

YE Kun ZHOU Lei

(CollegeofCivilScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225127,China)

In this paper, taking six-story multi-span frame structure building in Yangzhou as an example. That simulation and analysis the influence of internal force and deformation of the superstructure caused by foundation uneven settlement with the structural analysis software SAP2000, draw some valuable conclusions.

uneven settlement, finite element analysis, superstructure

1009-6825(2014)11-0048-03

2014-01-24

葉 坤(1991- )，男，在讀碩士； 周 磊(1989- )，男，在讀碩士

TU375.4

A