門式剛架輕鋼廠房不均勻沉降原因及影響分析①

王國渝，余紹鋒

(同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092)

0 引 言

門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)的一個重要分支，如果單層工業(yè)建筑采用輕型屋面和墻體材料，結(jié)構(gòu)所受的重力荷載就會大大減輕，在廠房高度不大(＜20m)、僅配置小噸位吊車(＜15t)或無吊車的情況下［1］，采用門式剛架結(jié)構(gòu)能夠節(jié)約資源，響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展的號召.然而，高烈度區(qū)(＞7 度)應(yīng)該注意其抗震性能.

軟土主要指淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等，在我國廣泛分布于沿海地區(qū)和內(nèi)陸江河湖泊的周圍，其中沿海軟土主要位于各河流的入?？谔帲?］.建造于軟土地基上的門式剛架結(jié)構(gòu)，由于軟土的壓縮性高、孔隙比大、流變?nèi)渥冃詮姷忍攸c，常常容易產(chǎn)生較大的工后不均勻沉降，導(dǎo)致基礎(chǔ)梁開裂，圍護結(jié)構(gòu)受損、樁基沉降影響吊車梁的運行安全、嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)作業(yè).本文結(jié)合某工程案例，針對現(xiàn)場的沉降觀測數(shù)據(jù)，分析沉降原因及地基的沉降對門式剛架結(jié)構(gòu)安全的影響，可供同類工程參考.

圖1 廠房基礎(chǔ)平面布置圖

1 工程概況

廣東某單層工業(yè)組裝廠房，采用雙跨單坡門式剛架結(jié)構(gòu)，廠房長300m，中間設(shè)一伸縮縫，跨度30m+30m，柱距為7.5m，每跨有1 臺5t 吊車，檐口標(biāo)高11.6m;另外，廠房西側(cè)中部有輔助房2 層單跨混凝土框架結(jié)構(gòu)，長184.5m，等分設(shè)兩道伸縮縫，結(jié)構(gòu)標(biāo)高9.100m;廠房與輔助用房之間在地面以上設(shè)防震縫分開，廠房基礎(chǔ)平面布置如圖1 所示.

基礎(chǔ)設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力管樁，以粗砂或礫砂層為持力層，樁徑為400mm，單樁承載力特征值為900kN，實際施工管樁的樁長為24 ～26m，場地工程地質(zhì)慨況如表1 所示，地下穩(wěn)定平均水位埋深2.20m.

圖2 墻體裂縫圖

圖3 基礎(chǔ)梁裂縫圖

圖4 部分柱累計沉降變化曲線

表1 場地工程地質(zhì)慨況

從表中的場地土質(zhì)分布可以看到，廠區(qū)位于軟土地基上，處于軟～流塑狀態(tài)的淤泥平均厚度達18.64m.地基⑤軸密封溝北側(cè)區(qū)域均采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載(5m 高土堆載，80kPa 真空度)處理，⑤軸密封溝南側(cè)(南端26.1m 范圍)僅采取了排水板和堆載處理，廠房地基范圍內(nèi)設(shè)有3 條密封溝，分別設(shè)置于④～⑤軸、○17 ～○20軸、○43 ～○46軸間.真空預(yù)壓和堆載時間均為6 個月.

圖5 ③⑥⑦⑧軸各柱沉降差變化曲線

圖6 ANSYS 廠房與輔助房整體模型

2 柱沉降觀測及數(shù)據(jù)分析

2.1 柱沉降觀測

該廠房安裝工程完成后，從2013 年1 月開始觀測柱沉降.組裝廠房產(chǎn)生沉降的區(qū)域主要集中在組裝廠房的南端，長約67.5m，寬60m，墻體多處產(chǎn)生裂縫(圖2)，裂縫最長3 米，裂縫最寬3 ～4cm.①軸交?，?，?軸處柱端頭基礎(chǔ)梁均發(fā)現(xiàn)有貫通的裂縫(圖3).

組裝廠房南端柱列沉降觀測持續(xù)9 個月，其中觀測前5 個月柱累計沉降量如表2 所示.⑨軸以北各柱略有沉降，故主要對9 軸以南的柱進行分析.其中?軸柱列沉降最嚴(yán)重、沉降差異最大，柱A6，A7，A8 的沉降達到30mm 以上，抗風(fēng)柱KFa、KFb沉降分別為32mm，62mm;?軸柱列次之，且沉降差異大;?軸柱列沉降最為穩(wěn)定，均在9 mm 左右.對比最后時隔35 日的觀測結(jié)果所有柱沉降不超過2mm，⑨軸以南各柱沉降趨于穩(wěn)定狀態(tài).

表2 柱沉降量(單位:mm)

2.2 沉降數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施工單位的觀測，選取典型數(shù)據(jù)，用MATLAB 繪制出抗風(fēng)柱KFa，KFb，③軸和⑦軸柱的累計沉降變化曲線圖4，以及③⑥⑦⑧軸各柱沉降差變化曲線圖5.

從累計沉降觀測曲線來看，各柱在第36 ～80天之內(nèi)產(chǎn)生了很大的沉降，平均速率維持在1.75～3.18mm/周，第180 天之后，沉降曲線出現(xiàn)了小幅上升再下降的振蕩，這是所選控制基準(zhǔn)點產(chǎn)生輕微沉降所致;從各柱列沉降差變化曲線看，在歷經(jīng)8 個月的觀測后，沉降差均基本趨于穩(wěn)定;⑤⑨軸之間設(shè)有托梁，⑥⑦⑧軸各柱之間的沉降差較大，其中托梁跨中部位柱A7 與C7 沉降差達52mm;無托梁剛架跨3 軸各柱沉降差相對較小，亦為22mm.

文獻［3］規(guī)定，剛架橫向各柱沉降差不大于0.003L，即90mm;縱向各柱沉降差不大于0.004L'，即30mm，上述觀測數(shù)據(jù)表明樁基沉降均滿足沉降要求.

3 地基沉降原因分析

根據(jù)沉降的觀測結(jié)果，歸納不均勻沉降的主要原因有以下五個方面:

(1)①層為人工填土層，厚度5.00 ～8.10m 不等，根據(jù)重型動力觸探試驗成果分析，0 ～2.20m 素填土層密實度較好，呈較密實狀;2.20m 以下呈松散狀.因此，素填土土體在土體自重和上部荷載的作用下，會產(chǎn)生壓密固結(jié)，從而產(chǎn)生不均勻沉降.

(2)②層為淤泥層，厚度16.90 ～20.90m，根據(jù)分析，場地內(nèi)淤泥層呈流塑狀，天然孔隙比大部份大于1.50.因此，場地內(nèi)淤泥雖經(jīng)處理，但未達到穩(wěn)定狀態(tài)，在自重固結(jié)中，淤泥不斷產(chǎn)生壓縮沉降，從而使廠房地面產(chǎn)生不均勻沉降.

(3)廠房主體采用樁基礎(chǔ)，由于樁身所通過的地層為人工填土層、海陸交互相淤泥層、粉質(zhì)黏土層、粗礫砂層、殘積粉質(zhì)黏土層，而人工填土層、淤泥層在本場地分布廣泛、厚度大，兩層厚度約25.30m，樁身進入穩(wěn)定層約2.0 ～3.6m，部分樁不足2.0m，而預(yù)制管樁為摩擦樁，由于上部土層固結(jié)，受到負(fù)摩阻力的作用，因此26m 的管樁起作用的只有2.0 ～3.6m 的穩(wěn)定層，實際已為懸臂端承樁.由于淤泥層在處理后仍呈流塑狀，在周邊外力的作用下，會產(chǎn)生位移，產(chǎn)生位移的淤泥對管樁也會發(fā)生作用，導(dǎo)致柱產(chǎn)生不均勻沉降.

(4)地下水的作用，本場地地下水穩(wěn)定水位埋深2.10 ～2.30m，人工填土層有一半以上處在地下水中，由于人工填土層為新近填土，在地下水的作用下，填土孔隙比變大，填土中的微細顆粒隨地下水流失，從而使填土層松散、軟化，進而產(chǎn)生不均勻沉降.

(5)觀測表明，?軸與⑥～⑧軸交各柱的沉降均較大，詳細的地質(zhì)勘測資料表明⑦軸局部區(qū)域存在一厚度1.3 ～8.9m 的淤泥質(zhì)黏土層，淤泥質(zhì)黏土層底部深度為24.5m ～ 25.6m，施工樁長為24m，實際樁基并未進入礫砂層，故而導(dǎo)致較大的沉降.

4 沉降影響分析

根據(jù)沉降的觀測數(shù)據(jù)可知，各榀剛架柱底出現(xiàn)了不同程度的沉降，然而各柱間的沉降差對剛架的內(nèi)力有著直接的影響.現(xiàn)依設(shè)計單位提供的資料用ANSYS 建立廠房與輔助房的整體模型［5］(圖6).

所有梁柱均采用BEAM188 單元，其中每跨橫梁分為三段，兩端段為變腹板高焊接H 型截面，中間段為等截面;支撐、吊車梁和縱向系桿為方便端部自由度釋放，均采用BEAM44 單元，單榀的剛架截面顯示如圖7.

圖7 單榀門式剛架截面顯示

剛架正常使用條件下所受的恒活荷載之和為0.7kN/m2(不含自重)，經(jīng)計算［6］，此時剛架的桿件應(yīng)力水平為0.40 ～0.55.

(a)當(dāng)1(或6)支座相對4 支座下降，最大彎矩3 節(jié)點處彎矩增大.設(shè)橫梁跨度為L，當(dāng)1，4 節(jié)點相對沉降Δ14 分別為0.5 L/1000、L/1000 ～6 L/1000，分析軸線③和⑦上剛架GJ3 內(nèi)力的變化特點，繪制桿件控制內(nèi)力變化幅值圖8.

圖8 ?軸沉降與內(nèi)力變化關(guān)系

(b)當(dāng)1 和6 支座均相對4 支座下降時，采用相同的方法計算剛架桿件控制內(nèi)力變化圖9.

(c)當(dāng)1 支座相對4 支座下降，6 支座相對4支座上升時，繪制內(nèi)力變化圖10.

根據(jù)上述計算結(jié)果，不均勻沉降對剛架的內(nèi)力影響有以下特點:

(1)隨沉降差的不斷增大，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化呈線性增長.

(2)當(dāng)只有?軸柱沉降時，3 節(jié)點橫梁的彎矩增大，中柱軸力有不大于10%的增幅，其他各構(gòu)件控制內(nèi)力均減小.由對稱性原理，在僅??軸同時沉降相同位移時，2 和5 節(jié)點橫梁、邊柱彎矩大幅增大同樣均對剛架有不利的影響.

圖9 ?，?軸沉降與內(nèi)力變化關(guān)系

圖10 ?，?軸沉降與內(nèi)力變化關(guān)系

(3)當(dāng)??軸柱有相同沉降時，3 節(jié)點橫梁處的負(fù)彎矩大幅增大，并伴隨中柱的軸壓力增大，此效應(yīng)與只有?軸柱沉降相似，但效應(yīng)幅度疊加.由于對稱性，實際僅有?軸柱發(fā)生沉降，使節(jié)點2 處橫梁負(fù)彎矩和??軸柱軸力大幅增大.

(4)當(dāng)沉降使A 軸柱相對?軸柱下沉，?軸柱相對?軸柱上升時，邊柱的彎矩增大，但其軸力幾乎不變，故邊柱安全性降低，剛架其他桿件控制內(nèi)力影響不大，但桿件連接處剪力和彎矩增大會降低節(jié)點安全，故應(yīng)注意分別復(fù)核.

上述計算分析表明，柱不均勻沉降對剛架部分構(gòu)件和節(jié)點有不利的影響，合理的不均勻沉降限值至關(guān)重要.文獻［3］和［4］規(guī)定，橋式吊車軌面沿廠房橫向的允許傾斜為0.003，縱向為0.004;工業(yè)與民用建筑中高壓縮性地基上的框架結(jié)構(gòu)相鄰柱基的沉降差不超過0.003 L，L 為跨度.圖8 ～10 中標(biāo)出沉降差0.003L 和0.004L 的內(nèi)力變化幅值，當(dāng)按照0.003L 的沉降限制控制柱基沉降差時，剛架桿件控制內(nèi)力的變化幅度在25%之內(nèi)，該部分附加效應(yīng)使桿件的承載力降低約10% ～15%.

本工程例將GJ3 的最終沉降量作為荷載施加于結(jié)構(gòu)整體模型上，計算出的桿件控制內(nèi)力變化幅值在－3.82%～9.83%范圍，而GJ7 的桿件控制內(nèi)力變化幅值為－18.41 ～21.36%，附加效應(yīng)對受力不利桿件的承載力降低不足10%.

5 結(jié) 論

從這一工程實例的不均勻沉降原因和影響分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)軟土地基上的工業(yè)廠房設(shè)計應(yīng)認(rèn)真做好地質(zhì)勘測，特別注意軟土類型與分布及工程水文地質(zhì)狀況，對地基承載力不足的情況，選擇恰當(dāng)?shù)牡鼗幚矸椒?，相同的地基條件不宜運用不同的地基處理方法.

(2)為減小柱的沉降，使用摩擦型樁基時，在深厚的軟土地基中應(yīng)在持力層有一定的送樁深度.本案例經(jīng)驗表明，送樁深度大于3m，樁基沉降量均小于10mm.

(3)柱的不均勻沉降對門式剛架結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定的影響，柱的不均勻沉降應(yīng)該滿足規(guī)范要求.柱沉降為規(guī)范沉降差限值時，剛架桿件的控制內(nèi)力的最不利波動為承載力的10 ～15%，構(gòu)件和節(jié)點的設(shè)計時宜考慮其影響.

［1］ 沈祖炎，等.房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］，北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］ 張永鈞，葉書麟.既有建筑地基基礎(chǔ)加固工程實例應(yīng)用手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1981:21－23.

［3］ GB 50007－2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ JGJ 94－2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］ 王新敏，ANSYS 工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］，北京:人民交通出版社，2007.

［6］ CECS102:2002.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012版)［S］.