基于ANSYS軟件的塔式結構上浮數值模擬方法研究與應用

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.長沙學院 土木工程學院，長沙410022）

1 引言

塔式結構集地下室、裙房和塔樓于一體，能較好地滿足停車、商業、辦公和住宅的要求，有效提高土地利用率，因此，廣泛應用在實際工程中[1，2]。我國多數地區雨水條件豐富，尤其是南方城市，地下水對塔式結構產生了顯著的上浮與破壞[3-5]，引起工程結構研究者的廣泛關注。至今，關于塔式結構上浮的研究報道主要包括2個方面：一為實際工程上浮事故產生的原因分析與措施研究，如文獻[6]以某帶地下車庫的住宅塔式結構為例，指出由于車庫頂板上的覆土厚度設計過小、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件開裂，并建議地下室頂板增加設計覆土、地下室底板變形大的位置增設剪力墻、已經開裂位置粘貼碳纖維。二為利用加載或錨桿或抗拔樁對實際工程抗浮設計研究，如文獻[7]以廣東鶴山名門項目為例，指出由于地下室埋深大，采用壓重措施會影響建筑功能，采用抗拔樁措施會影響施工難度和經濟性，因此采用了錨桿措施，并對梅花形布置的錨桿抗拔承載力、剛度和錨固長度等設計內容進行了詳細闡述。文獻[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缺點，并指出對于某些實際工程，僅采用單類抗浮措施未必是最經濟的，建議采用聯合抗浮措施。為能較好地掌握塔式結構上浮特點，便于采取更合理的抗浮措施，勢必需要采用合理的數值模擬方法對整體結構的上浮進行分析，而目前關于該方面的研究報道較少。借此，本文在前人研究成果的基礎上，基于ANSYS有限元軟件提出相應的數值模擬方法，分析塔式結構的上浮特點，并提出相應的抗浮措施。

2 數值模擬方法

文獻[9]以青島市某包含4座高層住宅和地下車庫的塔式結構為例進行了現場檢測，實測數據表明，與塔樓相連處地下車庫未發生豎向變形，在一定范圍內車庫上浮量隨著塔樓距離增大而增加，同樣的實測結論在文獻[10]也再次得到了證實，其原因在于塔樓自重可以完全抵抗該區域的浮力，地下室底板與豎向構件交界區域并未發生明顯的豎向位移，與之相反，在塔樓之間的車庫區域，由于自重小于浮力，該區域的地下室底板和豎向構件將產生上浮。根據該實測結論，給出利用ANSYS有限元軟件塔式結構上浮的數值模擬方法：

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域和停車區域，如圖1所示；

圖1 典型塔樓平面圖

2）采用beam4梁單元模擬梁柱構件，shell63單元模擬板墻構件；

3）在塔樓與地下室底板交界區域，由于未發生上浮，該范圍所有豎向構件的下節點約束可用固定支座進行代替；

4）地下室底板停車區域的豎向構件，如果采用淺基礎，且未設置錨桿抗浮措施，考慮到地基土不承受拉力，因此，豎向構件的下節點不宜設約束，如果是樁基礎或設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件，均會發生上浮，在數值模擬時，相應節點不施加約束。

3 數值模擬方法驗證

參考沈浦生教授的研究成果[11]，構建了帶1層地下室的鋼筋混凝土雙塔對稱結構，如圖2所示。地下室水平x向為11跨，水平y向為5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向為3跨，y向為5跨，跨度與地下室相同，層數為20層，層高為3.6 m?？蚣苤捎眠呴L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。塔樓區域采用筏板基礎，地下室底板起防水和結構作用，厚度為0.4 m，停車區域采用柱下獨基，地下室底板主要起防水作用，板厚為0.25 m?；贏NSYS軟件對該雙塔結構進行抗浮數值模擬時，梁柱采用beam4單元，樓板采用shell63單元，并按照構思的數值模擬方法，給出了結構地下室底板不同區域節點的約束，如圖3所示。

圖2 雙塔結構

圖3 地下室底板約束條件

假設該結構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。應注意的是，在施加浮力之前，應先考慮結構自重的影響。考慮到很多上浮工程案例，往往是由于在施工階段沒有在地下室頂板回填覆土，因此，在本有限元模型施加結構自重時，暫不考慮覆土。經分析與統計，得到如圖4所示的整體結構豎向變形圖，并以地下室底板y坐標為0的一排節點為例，得到圖5所示的豎向位移圖。經把圖5與文獻[9]、文獻[10]得出的曲線進行比較，得出的規律能較好吻合，驗證本數值模擬方法是合理的。

圖4 雙塔結構整體豎向變形圖

圖5 節點豎向位移圖

4 上浮特點與補救措施

4.1 上浮特點

按照塔樓區域與停車區域，將地下室底板和頂板分別進行劃分。圖6和圖7分別是塔樓區域的地下室底板和頂板的豎向變形圖。圖6表明，對于地下底板，該區域與豎向構件交界附近，即由固定約束附近的板變形為負（向下），其他位置的板變形為正（向上），說明該區域是以局部上浮為主要。圖7表明，對于地下室頂板，該區域所有板的變形均為負，其原因是受到重力的作用，未受浮力的影響，進一步說明地下室底板塔樓區域主要發生局部上??；與此相反，圖8和圖9為停車區域的地下室底板和頂板的豎向變形圖，底板除與塔樓區域交界區域有微小向下變形外，其余均為正，頂板除與塔樓交界區域為0外，其余均為正，說明該區域是以整體上浮為主。

圖6 塔樓區域地下室底板變形圖

圖7 塔樓區域地下室頂板變形圖

圖8 停車區域地下室底板變形圖

圖9 停車區域地下室頂板變形圖

為進一步分析下室底板裂縫可能出現的區域，圖10和圖11給別出給了底板塔樓區域和停車區域各單元沿x向的應變分布圖。結合圖8和圖9得到的結論，由于停車區域是以整體上浮為主，因此，截面表現為上拉下壓，再結合圖10和圖11可知，底板上表面裂縫將發生在停車區域，且不在跨中。同時，塔樓區域是以局部上浮為主，與豎向構件交界附近截面表現為下拉上壓，板跨中附近截面表現為上拉下壓，即底板下表面裂縫將發生該區域與豎向構件交界附近。

圖10 塔樓區域地下室底板應變分布圖

圖11 停車區域地下室底板應變分布圖

4.2 補救措施

由文獻[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、后續維護和經濟效益都會收到顯著影響，因此，加重是比較直接的方法。為確定更合理的加重方法，假設沿y向均勻加載，但沿x向加載跨數發生改變，圖12和圖13分別給出了停車區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

對于各跨均勻加載，假設加重為1 kN/m2，在數值模擬時，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。經統計，在未加載之前，整體結構沿豎向最大變形為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 結論

考慮到塔式結構上浮與破壞現象普遍存在，利用ANSYS軟件對塔式結構上浮的數值模擬方法、特點與措施進行了研究，得出以下結論：

1）對于地下室底板的塔樓區域，在抗浮數值模擬時，與豎向構件交界區域可用固定支座模擬，主要表現為局部上浮；

2）對于地下室底板的停車區域，如果采用淺基礎，在抗浮數值模擬時，可不設置支座約束，主要表現為整體上??；

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

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。