基礎不均勻沉降對上部框架結構影響的有限元分析

王荷菲，劉 珺

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601）

隨著我國社會的高速發展，建筑行業也是欣欣向榮.但是仍存在許多不可忽視的隱患，其中地基的沉降對結構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，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30分左右，在沒有任何先兆的情況下，位于上海閔行區蓮花南路、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中的7層房屋嚴重傾斜并臨近倒塌，造成此房屋產生傾斜的原因是地基不穩[2].學者們開始根據不同情況，不同條件，運用不同的方法進行研究和分析，得到了許多基礎不均勻沉降方面的成果[3-5].任慶偉[6]分析了軟土地區的地基不均勻沉降對框架結構的影響；葉坤、周磊[7]以實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構的裂縫、應力影響的規律.地基基礎的不均勻沉降會改變基地反力的大小和方向，從而導致其上部結構的內力重分布，強度、剛度、穩定性受到破壞.故而，分析基礎沉降對上部框架結構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-筒體結構模型，通過對不同工況下基礎沉降對上部結構影響的研究分析，得到相關結論.

1 用有限元軟件ANSYS建立模型

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

圖1 結構平面圖(單位:m)

表1 -1 模型參數表

取梁的單元類型為beam188，筒體、樓板及外墻單元類型為shell63，結合模型參數表和結構平面圖用ANSYS有限元軟件建立模型如圖2.其中坐標原點為KZ1柱最底層截面形心，結合圖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 整個有限元模型

2 各工況ANSYS模擬分析

趙欣[10]從基礎整體性方面考慮了整個結構在兩端沉降、中間沉降以及一端階梯狀條件下結構的整體位移情況，得到了相關數據和結論，所以本文僅從地基基礎均勻沉降與不均勻沉降兩方面去模擬分析，沒有考慮基礎整體性作用.在所建模型上，對每個工況下選擇的沉降柱給定一個向下的位移，其他柱的自由度為0，于是模擬了基礎的不均勻的沉降.接著用ANSYS軟件進行運算，來模擬分析基礎不均勻沉降對上部框架結構應變的影響.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.計算時取Z軸方向向下沉降0.01m，KZ15沉降量為0.02m.

2.1 各工況下節點豎向位移曲線圖及各工況的總位移云圖

圖3 各工況節點的豎向位移曲線

2.2 分析結論

（1)從圖3各工況節點的豎向位移曲線可以看出：當地基基礎發生不均勻沉降時，與沉降柱相近的梁、板、柱和墻受到的影響較大，當與沉降柱距離的增加時，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的其他柱的整個上部樓層結構所受到的影響比較小，且距離沉降柱越遠上部結構所受的影響越小；

（4）結合圖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 結語

一旦框架結構特別是高層框架結構的地基基礎發生不均勻沉降時，會引起沉降周圍結構以及上部結構內力重分布進而產生新的位移，使框架結構底層產生下撓和傾覆，上部結構的位移會逐層疊加，甚至會導致結構傾斜，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，則在高層框架結構長期的重力作用下，會呈現趨于中間沉降大，兩邊沉降小的盆式曲線[9]（p33-p34).為此，高層框架結構在設計時，應考慮使用不均勻剛度地基且提高基礎的整體剛度，避免或延緩盆式沉降的發生.其次，可在地基基礎部位設置沉降縫，加強薄弱環節，減少上部結構的不均勻沉降.本文僅僅是考慮了基礎的豎向沉降情況下的分析研究而沒有考慮水平的風荷載以及地震作用荷載的情況，故對于復雜的耦合條件下的地基沉降對高層框架結構的影響還需進一步分析和研究.