廠房網架結構不均勻沉降影響及處治措施研究

張允龍 柳小光 汪東林

【摘? ? 要】：某網架結構廠房投入使用后，由于各料倉堆載及基礎持力層粉質黏土厚度不均勻、地層中存在高壓縮性、弱透水性的淤泥質粉質黏土，導致部分柱基產生了過大的豎向沉降。通過分析并及時采取相應處治措施，使沉降較大的支座得到墊高處理、翹起的支座得到糾偏處理、變形較大的桿件得到加固處理，及時消除了網架結構的薄弱點隱患，阻止了網架結構的受力惡化。

【關鍵詞】：廠房； 網架; 堆載; 不均勻沉降

【中圖分類號】：TU375【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）01-41-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.012

Study on Influence and Treatment Measures of Differential Settlement of Plant Spatial Grid Structure

ZHANG Yunlong1， LIU Xiaoguang1， WANG Donglin2

（1.Anhui Shui'an Construction Group Co. Ltd.， Hefei 230601， China；2. College of Civil Engineering， Anhui Jianzhu University，

Hefei 230601， China）

【Abstract】：After a grid structure workshop was put into use， due to the differential stacking of silos， the differential thickness of silty clay in the foundation bearing layer， and the existence of high compressibility and weak permeability of muddy silty clay in the stratum， excessive vertical settlement of some column foundations was caused. Through analysis and take timely corresponding treatment measures， the bearings with large settlement can be raised， the warped bearings can be corrected， and the bars with large deformation can be strengthened. The hidden danger of the differential part of the grid structure can be eliminated in time， and the stress deterioration of spatial grid structure can be prevented.

【Key words】：plant； grid； preloading； differential settlement

網架結構具有自重輕、剛度及跨度大、結構穩定、工期短等優點，在大跨度結構，如廠房、體育館、影院、工業車間等工程中得到廣泛應用[1～5]。

網架結構桿件分為上弦桿、下弦桿與腹桿，數量眾多，屬于高次超靜定結構，具有復雜的結構特性。由于網架結構的柱網間距較大，相鄰柱基之間發生不均勻沉降時，誘發上部網架結構不同部分桿件產生不同的附加內力與變形；當桿件附加內力與變形過大時，必然對整個網架結構的穩定性與安全性產生影響。張運田[6]探討了支座不均勻沉降對網架結構產生的影響并提出了一些減小和防止支座不均勻沉降的具體措施。王小盾等[7]研究了老齡化升降網架結構力學性能的檢測和評估方法，分析了吊頂在升降過程中重要構件的應力變化。楊明飛等[8]以某既有網架為例，對其損害情況進行客觀有效的結構檢測評定，對網架結構作出了安全性鑒定。張亞民[9]通過不同支座力學模型假定，考察不同支座剛度對網架變形、桿件內力及支座內力的影響。

雖然大量學者[10～14]對網架結構進行了深入研究，也發展出了適應不均勻沉降的施工技術；但關于不均勻沉降對網架結構的影響，尚存在受力機理不明確、影響幅度難以確定的問題。為此，本文以某廠房網架結構不均勻沉降為例，探討不均勻沉降的原因及處治措施，分析不均勻沉降對桿件內力的影響，為同類工程提供一定的參考。

1 工程概況

某廠房為輕鋼一層，頂部為網架結構，長約107.4 m、寬約67.1 m，主要作為砂石骨料堆場大棚。廠房采用柱下獨立基礎，共26根柱子，邊柱尺寸為600 mm×600 mm，中柱尺寸600 mm×800 mm；鋼筋混凝土獨立基礎，基礎埋深約2.0 m，邊柱基礎尺寸為4.0 m×4.0 m，其余為3.6 m×3.6 m。見圖1。

屋蓋為四角錐網架結構，網架高度1.9～3.2 m，柱點支承，節點為螺栓球，由下部框架柱支承。網架結構設計安全等級為二級，屋面為單層0.5 mm厚820型平波板。鋼管采用Q235B碳素結構鋼，鋼球采用45#優質碳素結構鋼，封板、錐頭、套筒均采用Q235B碳素結構鋼。見表1和圖2。

2 網架變形及原因分析

廠房投入使用后，多個柱子發生下沉，誘發網架桿件產生一定變形；其中最大豎向沉降發生⑤軸交 [D]軸處，柱基標高沉降為-0.484 m，該位置為料倉填料區，填料高度約為3～4 m。見圖3和表4。

1） 廠房整體沉降呈中間大、四周小的特征。一般廠房建成后，受上部網架荷載的影響，中間柱子承受的荷載相對較大，故導致中部柱基產生的工后沉降相對較大。

2）廠房投入使用后，各料倉堆載不均勻，中間料倉堆載較大且物料使用進度也各不相同，是導致廠房產生不均勻沉降的主要原因。

3）廠房柱子中間沉降大、兩邊沉降小，間接改變了連續梁超靜定結構受力狀態，導致中間部分柱子出現反力，現場發現個別柱頂端網架已經與柱端脫離。

4） ③淤泥質粉質黏土屬于高壓縮性土、弱透水性，在堆載作用下易產生彈性狀態下的瞬時沉降且主固結沉降進展緩慢。廠房地面大部分堆載消除后，部分柱頂上升，正是土層在彈性狀態下卸載回彈引起的。

5）勘察發現②層粉質黏土厚度不均勻，在場地東西側較厚，中間較薄且硬狀態不均勻，在勘探孔2#、5#、9#孔沿線該層土軟塑較多，其余可塑較多，整體呈現軟塑～可塑的不均勻狀態。把②層粉質黏土作為柱下獨立基礎持力層，其厚度及軟硬程度的不均勻狀態也間接加劇了廠房的不均勻沉降。

3 網架桿件受力分析與處治措施

3.1 受力分析

根據廠房設計資料，建立三維有限元分析模型，考察各柱基不均勻沉降對上部網架結構桿件內力的影響。網架桿件采用梁單元進行模擬，混凝土柱采用線彈性材料進行模擬。見表5和圖4。

有限元計算主要探討不均勻沉降對網架桿件的影響，計算步驟：初始應力平衡；激活混凝土柱、獨立基礎與網架，位移清零；根據實際沉降情況，指定相應混凝土柱發生一定數值的豎向沉降，考察網架內力的變化。

通過有限元計算，可得到柱基發生沉降前后任意桿件的內力數值及變化情況。由于桿件數量眾多，以某沉降較大的柱基為例，給出其周邊桿件的軸力與彎矩分布情況。見圖5。

對比柱基不均勻沉降前后網架桿件的內力值，可得到桿件的內力變化幅度。見表6和表7。

計算表明：內力增幅較大的桿件往往位于沉降較大的柱基頂部附近。這與現場的觀察結果是一致的。

鋼材具有較大的抗壓（抗拉）屈服強度，能承擔較大的軸力，軸力承載力具有較大的安全儲備；故不均勻沉降雖然導致桿件軸力增加，但大多數桿件軸力荷載仍小于其抗拉（抗拉）承載力，現場也未見被拉壞（壓壞）的桿件。網架桿件屬于長細結構，抗彎承載力有限，故彎矩增加幅度對桿件影響較大，現場已發現部分桿件產生了明顯的彎曲變形。見圖6。

3.2 處治措施

1）對部分沉降較大的支座進行頂升處理，具體做法：清理柱頭松散混凝土并調整網架支座，支座底部由直徑150 mm的鋼管支撐，采用M22長絲螺桿穿過網架支座底板的螺栓孔，垂直焊接在原柱頭預埋件上，在支座板底預留一個螺帽，擰緊到支座板，在支座板上面留置2個螺帽，距離支座板面3～5 cm；柱頭支座范圍內澆筑C30細石混凝土，混凝土澆筑范圍留出調整網架支座千斤頂的位置及操作空間，混凝土澆筑至支座底板下螺帽下口。見圖7。

2）個別網架桿件翹曲較大，應進行修補及外包槽鋼加固，外包槽鋼與螺栓球頂緊焊接。見圖8。

3）網架邊支座部分位置有翹起，可臨時采用優質木材楔形墊板塞緊，后期采用鋼質楔形墊板塞緊，采用M22長絲螺桿穿過網架支座底板的螺栓孔，垂直焊接在原柱頭預埋件上，在支座板底預留一個螺帽，擰緊到支座板，在支座板上面留置2個螺帽，距離支座板面3～5 cm；柱頭支座范圍內澆筑C30細石混凝土。見圖9。

4）料倉內回填土壓實度不佳，而建筑地坪為200 mm后細石混凝土地面，為防止料倉堆料過高傳遞多余荷載至獨立基礎，可將建筑地坪在獨立基礎位置切割開來，降低料倉堆載難以直接傳遞給獨立基礎，從而減小獨立基礎的沉降。

5）料倉堆料高度控制在2.5～3.0 m之間，不應超過3 m。料倉應隔倉儲料、隔倉清料，間隔交替使用，倉庫的地面堆載應相對均勻，避免集中堆載對各別柱基產生過大附加應力。

4 結論

根據地基基礎設計規范有關規定，相鄰柱基的允許傾斜偏差為2/1 000柱距，反算得到本工程相鄰基礎允許沉降差為3.0 cm；而實際沉降差遠大于該限值。由于相關措施處理得當，使過大的沉降差并未對網架結構造成嚴重影響。

1）柱基的不均勻沉降發現及時，早期就介入病害處治，減小了影響。部分支座在柱基沉降達到最大值之前就已局部頂升處理，使網架支座的實際不均勻沉降差最終小于表4中的柱基沉降最大值。

2）采用了圖7-圖9的處治措施，將沉降較大的支座墊高處理、翹起的支座糾偏處理、變形較大的桿件加固處理，及時消除了網架結構的薄弱點隱患，阻止了網架結構的受力惡化。

3）本廠房是為周邊工程提供攪拌混凝土的攪拌站砂石骨料堆場大棚，在周邊工程竣工后將喪失使用功能，屬于臨時構筑物。采用圖7-圖9的處治措施，綜合費用較低，能確保廠房在壽命期內安全使用，是一種務實的做法；如果廠房為永久性結構，則需進一步對地基進行加固處理。加固處治后的廠房結構能正常使用，所提處治方法為同類工程提供了參考。

參考文獻：

[1]王? ? 悅，周? ? 清. 高溫下鋼網架重要構件評估方法[J]. 建筑結構， 2021，51（S1）：539-542.

[2]李會軍，何雙華. 考慮桿件失穩的半剛接網架穩定性研究[J]. 空間結構，2019，25（4）：18-26+34.

[3]楊? ? 璐，尚? ? 帆，張文學. 大跨度鋼結構網架溫度應力及其影響分析[J]. 空間結構，2014，20（1）：53-57+69.

[4]聶? ? 祺，羅開海，郭? ? 浩，等. 某劇場平板網架屋蓋鑒定與修復[J]. 工程抗震與加固改造，2017，39（S1）：125-130.

[5]鄭君華，黃呈偉. 溫度作用下空間網架的有限元計算[J]. 昆明理工大學學報（理工版），2002，27（6）：112-116.

[6]張運田. 支座沉陷對網架結構的影響[J]. 建筑結構學報，1984，（2）： 22-31.

[7]王小盾，黃丙寧，周? ? 婷. 在役升降網架結構的力學性能檢測與評估[J]. 天津大學學報（自然科學與工程技術版），2017，50（S1）： 53-58.

[8]楊明飛，邵? ? 浩，王天坤，等. 大跨網架結構安全性診斷與分析[J]. 長江大學學報（自科版），2018，15（13）：50-56+6-7.

[9]孫亞民. 支座力學模型對網架結構受力的影響分析[J]. 低溫建筑技術， 2018， 40（4）：70-73.

[10]董? ? 琦，劉宏揚，呂宏亮，等. 鋼網架適應性抗不均勻沉降超前安裝技術[J]. 施工技術（中英文），2021，50（20）：38-41.

[11]羅文輝，陳治茂，周? ? 浩，等. 含局部網架的混凝土框架抗連續倒塌性能研究[J]. 工程建設，2021，53（6）：1-5.

[12]賈建坡，閆發林.多層網架的結構特性及在高鐵站房鋼屋蓋中的應用[J]. 建筑結構，2021， 51（S1）：531-534.

[13]張子強，李海旺，宋夏蕓，等. 往復荷載下網架平板支座錨栓超低周疲勞破壞試驗研究[J]. 建筑結構，2021，51（4）： 119-123.

[14]寧業輝. 濰坊火車站南站房蝴蝶造型屋面網架設計關鍵問題研究[J]. 中國建筑金屬結構，2021，（3）：76-78+101.

收稿日期：2022-08-22

基金項目：2021年度安徽省住房城鄉建設科學技術計劃項目資助（2021-YF39）

作者簡介：張允龍（1963 - ）， 男， 學士， 安徽亳州人， 高級工程師， 從事巖土工程勘察與設計工作。