基礎不均勻沉降對上層摩天輪影響的研究

黃遠飛，陳榮君

（1.中煤科工集團上海有限公司，上海市200030；2.中煤科工集團上海有限公司，上海市200030）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，商業(yè)建筑綜合體與摩天輪有機結(jié)合的案例日益增多，而建立在商業(yè)結(jié)構(gòu)上的摩天輪基礎的不均勻沉降，對摩天輪結(jié)構(gòu)及其運行狀態(tài)均有著重要影響。因此，這就對摩天輪混凝土基礎的沉降對摩天輪影響的研究提出了新的要求。

關于建筑結(jié)構(gòu)基礎沉降的論文比較豐富：吳勝發(fā)等[1]建筑結(jié)構(gòu)基礎不均勻沉降及控制研究；趙明等[2]基礎不均勻沉降對上部建筑結(jié)構(gòu)位移影響研究，對基礎的不均勻沉降進行了ANSYS有限元仿真計算；蔡鳳生等[3]某廣場建筑地基-基礎-上部結(jié)構(gòu)共同作用分析采用了midas gen的樁基土彈簧來模擬土層，對ANSYS等有限元分析的難度和復雜性進行了簡化分析計算；姜晨光等[4]高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)變形的影響中利用實際測量結(jié)果給出了數(shù)學模型。而關于摩天輪基礎沉降相關的只有沈光磊[5]發(fā)表的盾構(gòu)隧道下穿摩天輪時的地表沉降數(shù)值模擬，其采用了ABAQUS有限元軟件研究了盾構(gòu)隧道下穿摩天輪地表沉降問題。

綜上，當前國內(nèi)學者就建筑結(jié)構(gòu)基礎的沉降，對建筑本身的影響進行了大量研究。但對摩天輪與商業(yè)建筑相結(jié)合后，摩天輪基礎的不均勻沉降，對摩天輪影響的研究比較缺乏。對于固定索式屋頂摩天輪（采用拉索作為摩天輪輔助支撐的一種摩天輪）的研究目前還尚屬空白。

該文在基于前人研究的基礎上，采用MIDAS GEN的面彈性支撐中節(jié)點彈性連接的方式來模擬土層，并且采用數(shù)值分析與實際測量結(jié)果相對照的研究方法，對其基礎不均勻沉降與摩天輪的影響關系進行研究。

1 工程概況

該項目位于寧波市江北區(qū)，項目總擬建物為萬象城集中商業(yè)以及三姆會員店，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)尺寸為9.0 m×12.0 m和8.5 m×8.5 m，基礎形式為樁筏形式。項目整體效果見圖1。

圖1 項目整體效果圖

在萬象城商業(yè)西南區(qū)域三層平臺建有一座55 m摩天輪，其結(jié)構(gòu)形式為門式立架加四根固定索的立架結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 門式立架簡圖

其中四根固定索，三根根部固定于五層平臺（標高為23.9 m），一根根部固定于四層平臺（標高為17.7 m）。，兩根立柱基礎位于三層平臺（標高為11.2 m），立柱兩側(cè)拉索為單邊對稱布置，其一側(cè)拉索與主軸夾角分別為64°、63°，另外一側(cè)拉索與主軸夾角均為53°，為非對稱布置，見圖3。

圖3 基礎柱點標高及位置分布俯視簡圖

2 摩天輪及綜合體建筑模型的建立及分析

2.1 有限元模型建立

根據(jù)該項目的實際情況建立MIDAS GEN模型，該模型下層數(shù)據(jù)模型為混凝土構(gòu)件，上層數(shù)據(jù)模型為摩天輪鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及拉索構(gòu)件，見圖4。其中下層模型摩天輪鋼立柱及拉索基礎柱點均為型鋼與混凝土組合材料，立柱基礎柱點的截面規(guī)格為φ1600 mm×30 mm，Q345B的鋼材與C50的混凝土組成SRC混合截面，拉索基礎柱點為截面為500 mm×500 mm（十字形截面），Q345B的鋼材與C50混凝土組成的SRC混合截面，該基礎混凝土柱均延伸到基礎頂面。上層模型摩天輪立柱為φ1 600 mm×20 mm，Q235B的鋼管圓形截面。其下層混凝土柱與上層鋼結(jié)構(gòu)均為梁單元，其中摩天輪輪盤輪輻索及固定索為索單元，規(guī)格分別為φ5×19，φ7×91。

圖4 計算模型簡圖

2.2 計算參數(shù)選取

該算例非線性類型采用幾何非線性，計算方法采用NEWTON-RAPHSON，子步驟迭代次數(shù)設置為30，收斂條件采用位移控制。設置重力加速度為9.8 m/m2，在定義材料時，設置鋼筋混凝土的密度為2 549 kg/m3，彈性模量為34.5 GPa，泊松比為0.2；鋼材的密度為5 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，索體的密度為7 698 kg/m3，索體的彈性模量為190 GPa。

該項目采用鉆孔灌注樁，其中樁端土層估算巖土參數(shù)見表1（此表根據(jù)各地基土層原位測試及室內(nèi)土工試驗綜合成果，針對相應土層埋藏條件及擬采用的基礎形式，提供各地基土層變形估算巖土參數(shù)）。根據(jù)估算巖土參數(shù)中的壓縮模量，計算出基床系數(shù)K[6]，壓縮層主要為⑦1、⑦2、⑧1-1。

表1 基礎沉降量估算巖土參數(shù)表

2.3 荷載工況

荷載工況考慮自重、恒荷載、活荷載以及筏板浮力荷載，按照標準荷載進行加載。

3 數(shù)值模擬計算

將非線性工況下計算的摩天輪柱點力提取，施加在6個承臺上，承臺的位置分布，見圖5；通過midas gen面彈性支撐轉(zhuǎn)節(jié)點彈性支撐，輸入基床系數(shù)，模擬土層，承臺的沉降分析云圖，見圖6；柱點承壓值及沉降分析數(shù)值見表2。

表2 數(shù)值仿真分析柱點承壓值及沉降表

圖6 承臺沉降分析云圖

4 數(shù)值模擬計算結(jié)果與實際測量結(jié)果對比

利用實測數(shù)值與midas仿真數(shù)值對比發(fā)現(xiàn)，其中柱點864、865、867、868仿真數(shù)值與實際沉降數(shù)值接近，而866沉降值與仿真數(shù)值有38%偏差，見圖7。

圖7 仿真與實測對比圖

因四根固定索均為不對稱布置，且長短不一，不同的沉降值帶來的不同的拉索形變量，其值的大小，見表3。其中，沉降量最小的866承臺，因其相對高差大，產(chǎn)生了因沉降帶來的最大的豎向力，其豎向力的大小僅為承臺壓力荷載的1.3%。

表3 實際測量柱點沉降表

雖然拉索豎向向上拉力對下部建筑結(jié)構(gòu)沉降影響甚微，但是因為拉索的不對稱性及立架高度較高，對立柱產(chǎn)生了較大彎矩，對摩天輪門式立架垂直度產(chǎn)生了較大影響，見圖8。

圖8 拉索對立架影響分析云圖

立柱的最大位移為5.79 mm，根據(jù)GB 18164—2020中立柱垂直度要求，立柱垂直度的標準要求不大于設計值的1/1 000[7],根據(jù)圖紙要求，可知，其垂直度偏差設計允許值為29 mm，因沉降帶來的垂直度偏差占20%，其因素不可忽略。實際測算立柱垂直度偏差為8 mm。

5 結(jié)語

該文提出了采用midas gen對摩天輪進行了非線性分析，將其柱點荷載輸入到沉降模型，利用面彈性連接模擬土層的仿真分析方法，分析了在標準荷載工況下，立柱的沉降的大小，立柱垂直度偏差的大小，并與實際測量結(jié)果進行了對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）該項目實測沉降數(shù)值與仿真分析沉降數(shù)值對比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本吻合，該分析方法是合理可行的，具有參考意義。

（2）該項目沉降值所引起的拉索拉力增加對沉降影響影響可忽略。

（3）該沉降值，給拉索帶來的拉力為11～35 t,因著不均勻沉降，該拉力對摩天輪垂直度有影響，應進行二次拉索調(diào)整，才可以保證立架垂直度，同時，拉索首次拉力張緊應在后澆帶封閉后進行。

（4）摩天輪的鋼立柱應位于同一個承臺，使其沉降為均勻同步沉降，以避免給摩天輪鋼結(jié)構(gòu)帶來次應力影響。