地基不均勻沉降對上部框架結構內力的影響分析

陳虹麗

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350028)

地基不均勻沉降對上部框架結構內力的影響分析

陳虹麗

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350028)

在實際工程項目中，地基不均勻沉降常常伴隨著結構的傾斜，故本文結合工程實例，提出了考慮傾斜的固定支座模型，并與傳統固定支座模型進行對比，得出地基不均勻沉降下，上部結構內力的變化規律，為將來類似的鑒定工程，提供借鑒。

考慮傾斜影響；沉降；內力分析

E-mail:chenhl3141221@sina.com

引 言

地基不均勻沉降對既有房屋的危害較大，如房屋墻體大面積開裂，結構傾斜，柱體斷裂或壓碎，梁柱節點變形過大等，影響其承載力和使用性。對于已經存在，甚至還在發展不均勻沉降的房屋，如何分析其上部結構的承載能力，是鑒定其安全性的關鍵所在。

目前，在研究地基不均勻沉降對上部結構的影響時，主要有四類分析模型，最常見的屬于傳統固定支座模型，即將地基當成一個固定剛體，上部結構與之固接，人為地在某些柱腳施加豎向支座位移，以此模擬不均勻沉降[1]；第二種為固定鉸支座模型，即釋放柱腳的轉動約束，通常用于軟弱地基情況[2]；第三種為豎向彈性支承模型，即將每個柱腳的豎向約束設置為彈性約束，通過反復調整彈簧剛度，模擬并接近實際的不均勻沉降[3][4]；另外還有三維彈性支承模型[5]。

在實際的工程中，地基沉降常常伴隨著結構的整體傾斜，在這種情況下，應考慮結構整體傾斜的作用，故本文結合工程實例提出了考慮傾斜的固定支座模型。

1 工程概況

本文以福州市某七層住宅為案例，該住宅總高度約22.2m，長40.8m,寬13m，為現澆鋼筋混凝土框架結構，采用樁基礎。該建筑已投入使用多年，且出現明顯的不均勻沉降和傾斜，房屋墻體多處嚴重開裂，部分梁、柱粉刷層開裂。

結構的標準層平面圖及現場監測的柱沉降量示意圖如(圖1)所示。內部柱子沉降無法監測，按縱向線性插值得到相應沉降值。

圖1 標準層梁柱分布及現場柱沉降量示意圖(單位：mm)

圖2 A、D軸沉降變形圖

2 計算模型

依據監測的沉降數據，繪制A、D軸柱子沉降圖如(圖2)，可以發現，除兩端部柱((1)軸及(17)軸柱)外，其余的柱子沿X軸坐標方向的沉降變化率(沉降差/橫向柱距)比較接近，通過線性回歸，得到回歸線的斜率為3‰。此時(1)軸和(17)軸的柱子相對于回歸線呈上升狀態。同時，現場的結構傾斜觀測顯示，結構整體向(圖1)的(1)軸方向傾斜，傾斜率在3.8‰～5.8‰之間，與回歸線的斜率比較接近。

由于傾斜與沉降對結構的影響差別較大，故本文提出考慮傾斜的固定支座模型，即在結構柱腳固結的基礎上，施加整體3‰的傾斜量，以實測沉降量與回歸線的沉降值二者之差，作為結構的沉降差，施加在各柱腳位置。

采用Midas Building的結構大師模塊，按現行規范要求施加恒、活、風、地震荷載，進行承載力計算分析。為揭示地基不均勻沉降對上部主體結構的影響程度，及傳統固定支座模型和本文結果差異，建立了三種計算模型：

模型I：常規設計模型，即不考慮結構的沉降作用；

模型Ⅱ：傳統固定支座模型，即將實測沉降差直接施加在各柱腳；

模型Ⅲ：考慮傾斜的固定支座模型，在各柱腳施加換算后的沉降差。

3 分析結果

因不均勻沉降對結構的影響，主要表現在底部的樓層，且相鄰柱子間的沉降差越大，則與之相關的梁柱內力變化越大。為此，本文主要給出(圖1)中橫軸方向兩邊跨的底層內力變化情況。

3.1 柱內力變化分析

對于三種模型，在恒載工況下的柱軸壓比如(圖3～圖6)所示(圖中橫向坐標為柱的軸線位置)，由圖可見，模型Ⅱ與模型Ⅲ邊跨柱軸力變化的趨勢一致，端部((1)軸及(17)軸)柱壓力均增加，模型Ⅱ最大軸壓比達1.48，是原軸壓比的2.9倍，模型Ⅲ最大軸壓比可達到1.59，是原軸壓比的3.12倍。次盡端((3)軸及(15)軸)柱軸壓比幾乎均減小。可見模型Ⅲ與模型Ⅱ對結構柱軸力的影響趨勢相同，但前者影響更大。

(9)軸柱子在模型Ⅲ中與相鄰柱幾乎無沉降差，其軸力僅有較小幅度的增減，而在模型Ⅱ與相鄰柱中沉降差較大，軸力也僅略微減小(圖7)。

圖3 (1)軸柱軸壓比圖

圖4 (17)軸柱軸壓比變化圖

圖5 (3)軸柱軸壓比圖

圖6 (15)軸柱軸壓比圖

圖7 (9)軸柱軸壓比

圖8 (9)軸柱配筋圖

底層柱子配筋包絡值在模型Ⅱ及模型Ⅲ中均比無沉降的模型I大，但前者(除(1)軸柱外)大于后者(圖8、圖9)。 (1)軸柱彎矩在模型Ⅱ中之所以小于模型Ⅲ,是因為在模型Ⅱ中(1)軸柱與相鄰柱的沉降差最小，而在模型Ⅲ中的沉降差卻較大。

圖9 (1)軸柱配筋圖

綜上，模型Ⅱ和模型Ⅲ對柱軸力和彎矩有著相似的變化規律，即端部柱子軸力增大，內部柱子軸力減小，彎矩均增大。

3.2 梁彎矩變化分析

不同模型的梁彎矩差異較大，尤其是在結構端部，為顯示在沉降作用下的彎矩變化情況，將模型Ⅱ和模型Ⅲ中的梁配筋分別除以模型I的梁配筋，得到如下柱狀圖(圖10、圖11)。圖中左、中、右分別表示梁左端支座、跨中、右端支座，圖上四組柱狀圖從左至右分別為A軸、B軸、C軸、D軸四個軸的邊跨梁。

由圖可知模型Ⅲ的梁彎矩均比模型Ⅱ大，且二者與模型I相比有相似的變化規律， (1-3)-A～(1-3)-D軸框架梁的左端支座及跨中彎矩均比無沉降作用時有所增大，而右端支座彎矩有所減小；(15-17)-A軸和(15-17)-B軸框架梁則相反，其左端彎矩均減小，而跨中和右端支座增大；(15-17)-C軸與(15-17)-D軸框架梁不論在支座或是跨中，彎矩均大幅度增加。

圖10 (1-3)-A～(1-3)-D軸框架梁配筋比

圖11 (15-17)-A～(15-17)-D軸框架梁配筋比

4 結論

(1)在實測沉降情況下，考慮傾斜的固定支座模型與傳統固定支座模型的梁、柱內力有相似的變化規律。

(2)在實測沉降情況下，考慮傾斜的固定支座模型與傳統固定支座模型相比，沉降對上部結構內力的影響普遍更大。

(3)對于在不均勻沉降作用下，出現整體傾斜的結構，利用考慮傾斜的固定支座模型，由實測沉降量與回歸線的沉降值之差，可以預測梁柱的內力變化趨勢。

[1]吳勝發,孫作玉.地基不均勻沉降對上部結構內力和變形的影響[J].廣州大學學報.2005,4(3):261-266.

[2]董誠,劉興遠,張琦彬. 地基不均勻沉降后的某框架結構安全性分析[J].后勤工程學院學報.2004,2:41-44.

[3]劉暢，鄭剛.地基不均勻沉降對上部結構影響的彈性支承分析法[J].建筑結構學報.2004,25(4):124-128.

[4]張衛東.差異沉降對板柱結構的影響分析[J].四川建筑科學研究.2007,3 (4):40-42.

[5]王暉, 吳勝發,孫作玉.地基不均勻沉降對上部結構影響的三維彈性支承分析法[J].巖土工程技術.2005,19(3):137-140.

The Influence of Uneven Settlement of Foundation on Internal Force of Frame Structure

CHENHongli

(Fujian Academy of Building Research, Fuzhou, 350028)

In practical engineering project, the uneven settlement of foundation are always companied by structural slope. Therefore, this paper suggested a new restrained support model in which the influence of slope is considered, based on a certain engineering case. And then, the change law of internal force on the superstructure was provided and compared to the traditional fixed support model. This paper would offer reference for similar identification project.

The influence of slope; Settlement; Internal force analysis

陳虹麗(1987- )，女，助理工程師。

2015-03-13

TU312

A

1004-6135(2015)05-0030-03