基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)上部框架結(jié)構(gòu)影響的有限元分析

王荷菲，劉 珺

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

隨著我國(guó)社會(huì)的高速發(fā)展，建筑行業(yè)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(duì)結(jié)構(gòu)安全和使用所造成的隱患就比較常見(jiàn).由于地基的不均勻沉降引起的事故頻發(fā)，位于意大利托斯卡納省比薩城北面的奇跡廣場(chǎng)上的比薩斜塔的傾斜角度達(dá)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(shí)30分左右，在沒(méi)有任何先兆的情況下，位于上海閔行區(qū)蓮花南路、羅陽(yáng)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(guó)忠清南道牙山市一棟正在建設(shè)中的7層房屋嚴(yán)重傾斜并臨近倒塌，造成此房屋產(chǎn)生傾斜的原因是地基不穩(wěn)[2].學(xué)者們開(kāi)始根據(jù)不同情況，不同條件，運(yùn)用不同的方法進(jìn)行研究和分析，得到了許多基礎(chǔ)不均勻沉降方面的成果[3-5].任慶偉[6]分析了軟土地區(qū)的地基不均勻沉降對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響；葉坤、周磊[7]以實(shí)際的工程模型為研究對(duì)象，利用SAP2000軟件模擬研究了地基不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)的裂縫、應(yīng)力影響的規(guī)律.地基基礎(chǔ)的不均勻沉降會(huì)改變基地反力的大小和方向，從而導(dǎo)致其上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性受到破壞.故而，分析基礎(chǔ)沉降對(duì)上部框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)不同工況下基礎(chǔ)沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)影響的研究分析，得到相關(guān)結(jié)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(jié)構(gòu)，總高度54m，18層，層高3m，結(jié)構(gòu)平面圖和模型參數(shù)表分別如下：

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖(單位:m)

表1 -1 模型參數(shù)表

取梁的單元類(lèi)型為beam188，筒體、樓板及外墻單元類(lèi)型為shell63，結(jié)合模型參數(shù)表和結(jié)構(gòu)平面圖用ANSYS有限元軟件建立模型如圖2.其中坐標(biāo)原點(diǎn)為KZ1柱最底層截面形心，結(jié)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(gè)有限元模型

2 各工況ANSYS模擬分析

趙欣[10]從基礎(chǔ)整體性方面考慮了整個(gè)結(jié)構(gòu)在兩端沉降、中間沉降以及一端階梯狀條件下結(jié)構(gòu)的整體位移情況，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)論，所以本文僅從地基基礎(chǔ)均勻沉降與不均勻沉降兩方面去模擬分析，沒(méi)有考慮基礎(chǔ)整體性作用.在所建模型上，對(duì)每個(gè)工況下選擇的沉降柱給定一個(gè)向下的位移，其他柱的自由度為0，于是模擬了基礎(chǔ)的不均勻的沉降.接著用ANSYS軟件進(jìn)行運(yùn)算，來(lái)模擬分析基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)上部框架結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jì)算時(shí)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(jié)點(diǎn)豎向位移曲線圖及各工況的總位移云圖

圖3 各工況節(jié)點(diǎn)的豎向位移曲線

2.2 分析結(jié)論

（1)從圖3各工況節(jié)點(diǎn)的豎向位移曲線可以看出：當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，與沉降柱相近的梁、板、柱和墻受到的影響較大，當(dāng)與沉降柱距離的增加時(shí)，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(zhǎng)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(chǔ)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(kuò)散到了頂部樓層，1至9層位移增長(zhǎng)較慢，10至18層增長(zhǎng)較快，并且位移量趨于疊加趨勢(shì)增長(zhǎng)，而與沉降柱相鄰較遠(yuǎn)的其他柱的整個(gè)上部樓層結(jié)構(gòu)所受到的影響比較小，且距離沉降柱越遠(yuǎn)上部結(jié)構(gòu)所受的影響越?。?/p>

（4）結(jié)合圖3、圖4以及圖5可以看出：沉降量越大對(duì)頂層和底層的影響就越大，沉降影響較嚴(yán)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(jié)語(yǔ)

一旦框架結(jié)構(gòu)特別是高層框架結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，會(huì)引起沉降周?chē)Y(jié)構(gòu)以及上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布進(jìn)而產(chǎn)生新的位移，使框架結(jié)構(gòu)底層產(chǎn)生下?lián)虾蛢A覆，上部結(jié)構(gòu)的位移會(huì)逐層疊加，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)傾斜，對(duì)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(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的重力作用下，會(huì)呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮使用不均勻剛度地基且提高基礎(chǔ)的整體剛度，避免或延緩盆式沉降的發(fā)生.其次，可在地基基礎(chǔ)部位設(shè)置沉降縫，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，減少上部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降.本文僅僅是考慮了基礎(chǔ)的豎向沉降情況下的分析研究而沒(méi)有考慮水平的風(fēng)荷載以及地震作用荷載的情況，故對(duì)于復(fù)雜的耦合條件下的地基沉降對(duì)高層框架結(jié)構(gòu)的影響還需進(jìn)一步分析和研究.