某鋼框架結(jié)構(gòu)不均勻沉降條件下設(shè)計復(fù)核研究

黃 翔，高海軍，盧淑雯，楊森浩

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京100013）

0 引 言

不均勻沉降是反映土木工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)變性特征的重要指標(biāo)。建筑物的地基若產(chǎn)生不均勻沉降，會嚴(yán)重危及其安全性。為保證結(jié)構(gòu)安全性，并充分考慮經(jīng)濟性，需對在不均勻沉降條件下的結(jié)構(gòu)進行模擬計算，預(yù)測出建筑物在各種工況下的安全性，并為其后續(xù)處理提供參考數(shù)據(jù)和建議。

1 工程概況

1.1 建筑物概況

某建筑物位于云南省，于2013年5月開工建設(shè)。該結(jié)構(gòu)為3×4跨（東西方向3跨，南北方向4跨）、4層鋼框架結(jié)構(gòu)（重約1000t），每層均安裝有設(shè)備（空載重約300t），總重約1300t。南北、東西每跨間距均為6m，構(gòu)筑物總高度29m。鋼結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

截至2016年9月，設(shè)施基礎(chǔ)工后累積沉降量最大超過200mm（見圖2，其中1/A軸沉降量54mm，將該軸作為計算基數(shù)取值設(shè)為0；如1/E軸實際沉降量為201mm＞200mm），傾斜約5‰～6‰，方向北略偏西。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降趨勢與結(jié)構(gòu)傾斜方向相符，北邊沉降較大，西邊次之。H型鋼柱在4層扭轉(zhuǎn)角度達3°～4°。結(jié)構(gòu)位移現(xiàn)狀不滿足規(guī)范要求。

圖2 基礎(chǔ)相對沉降圖（單位：mm）

目前已對該建筑物基礎(chǔ)和地基進行了加固處理，加固方式為旋噴樁和錨桿靜壓樁。其中，錨桿靜壓樁直徑194mm，加固深度17m。旋噴樁預(yù)鉆孔孔徑80mm，樁徑為600mm，加固深度17m。

1.3 結(jié)構(gòu)計算分析目的

目前結(jié)構(gòu)各層設(shè)備和管線已經(jīng)安裝到位，基礎(chǔ)累積沉降和不均勻沉降明顯，結(jié)構(gòu)已發(fā)生較大傾斜。本次工作旨在對該建筑物結(jié)構(gòu)在當(dāng)前不均勻沉降條件下進行設(shè)計復(fù)核。

設(shè)計復(fù)核工況包括停產(chǎn)檢修、充水試壓、正常操作及地震影響工況。設(shè)計復(fù)核工作將通過模型計算預(yù)測結(jié)構(gòu)在未來可能工況下的安全性。

2 結(jié)構(gòu)計算

2.1 計算條件

2.1.1 主要結(jié)構(gòu)材料

表1 材料設(shè)計參數(shù)

型鋼采用Q235B。根據(jù)GB50017－2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［1］，其材料設(shè)計參數(shù)如表1所示。

2.1.2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB50011－2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［2］、設(shè)計院提供資料等，本工程抗震設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 抗震設(shè)計參數(shù)

在計算正常操作工況下的地震影響時，考慮雙向地震作用。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)分析軟件

本次鋼結(jié)構(gòu)建模計算工作基于PKPM-PMSAP軟件進行。

PKPM-PMSAP是中國建筑科學(xué)研究院研發(fā)的復(fù)雜三維空間分析及設(shè)計軟件，其分析功能可模擬基礎(chǔ)沉降、恒活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、溫度荷載等作用下的鋼結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力響應(yīng)，可模擬常見加固手段對結(jié)構(gòu)的影響。此外，PKPM軟件的模型構(gòu)建過程靈活簡便，且具有強大的計算結(jié)果可視化功能，可承擔(dān)本次鋼結(jié)構(gòu)安全性分析任務(wù)。

2.3 計算分析模型的構(gòu)建

本次鋼結(jié)構(gòu)建模計算工作結(jié)構(gòu)計算模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)計算模型

在構(gòu)件分析模型的過程中，采用的方法和基本假定如下：

1）建筑物高度較?。ǜ叨葹?9m）。故在分析計算中忽略P-Δ效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。

2）設(shè)備層除框架梁和次梁外，僅覆蓋有6mm厚花紋鋼板。因此不采用剛性樓板假設(shè)。

3）材料強度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系根據(jù)我國規(guī)范采用。

4）在實際結(jié)構(gòu)施工過程中，假設(shè)各層鋼構(gòu)件及設(shè)備自下而上逐層安裝完畢。因此下層結(jié)構(gòu)及設(shè)備荷載導(dǎo)致的變形幾乎不對上層構(gòu)成影響。故在計算停產(chǎn)檢修工況時，按照自下而上的施工順序逐層加載、分層找平的施工模擬方法。

5）當(dāng)結(jié)構(gòu)荷載導(dǎo)致柱腳存在彎矩時，隨著基礎(chǔ)沉降的發(fā)展，基礎(chǔ)將在彎矩作用下發(fā)生轉(zhuǎn)角位移，同時彎矩得到釋放。計算基礎(chǔ)位移時，將土體約束假設(shè)為線彈性彈簧，從而根據(jù)實測不均勻沉降推求基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角位移。

6）建模過程中，柱、柱間橫撐、柱間斜撐、柱間框架梁、次梁均建立為結(jié)構(gòu)單元參與變形計算。忽略設(shè)備層花紋鋼板的結(jié)構(gòu)作用，其重量影響作為樓層載荷施加給結(jié)構(gòu)。

2.4 構(gòu)件模型與材料本構(gòu)關(guān)系［4］

結(jié)構(gòu)計算模型由兩類單元組成，即等截面桿單元和等截面梁（柱）單元。前者包含柱間橫撐和斜撐、柱頂與設(shè)備層主梁間斜桿；后者包括柱、設(shè)備層或夾層的框架梁和次梁。兩種結(jié)構(gòu)單元的本構(gòu)模型簡述如下：

1）等截面桿單元（見圖4）。

圖4 等截面桿單元示意圖

等截面桿單元質(zhì)量由兩端節(jié)點均分，其不允許跨內(nèi)荷載，只受端點集中力作用。端點載荷下，其內(nèi)力表示為：

2）等截面梁（柱）單元。

等截面梁（柱）單元允許的載荷類型有：單元上集中力、集中力矩、線性分布力、非軸向的梯形分布力、均勻升溫、非軸向的梯形升溫等。

2.5 計算結(jié)果及分析

2.5.1 計算結(jié)果

計算將考慮構(gòu)筑物基礎(chǔ)沉降現(xiàn)狀，并對當(dāng)前不均勻沉降下的結(jié)構(gòu)在停產(chǎn)檢修、充水試壓、正常操作和地震影響下的安全性進行計算分析。

詳細(xì)計算結(jié)果數(shù)據(jù)量較大，選取第一層柱和框架梁構(gòu)件的應(yīng)力比/穩(wěn)定性系數(shù)較大的部分構(gòu)件計算結(jié)果以表格方式輸出，停產(chǎn)檢修工況構(gòu)件強度及穩(wěn)定驗算計算結(jié)果如表3所示，充水試壓工況構(gòu)件強度及穩(wěn)定驗算計算結(jié)果如表4所示，正常操作（含地震作用效應(yīng)工況）構(gòu)件強度及穩(wěn)定驗算結(jié)果如表5所示。

表3 停產(chǎn)檢修工況構(gòu)件強度及穩(wěn)定驗算

表4 充水試壓工況構(gòu)件強度及穩(wěn)定驗算

表5 正常操作工況構(gòu)件強度及穩(wěn)定驗算

2.5.2 計算結(jié)果分析

分析計算結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）在忽略結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降影響時，原設(shè)計方案在各工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力比和穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求；受到基礎(chǔ)不均勻沉降影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度應(yīng)力比和穩(wěn)定性系數(shù)有明顯增大，以柱構(gòu)件最為顯著；

2）受到基礎(chǔ)不均勻沉降影響，在停產(chǎn)檢修工況下，柱構(gòu)件應(yīng)力比和穩(wěn)定性系數(shù)雖均不超過1，但多個構(gòu)件已超過0.9；

3）受到基礎(chǔ)不均勻沉降影響，在充水試壓工況下，A/4，B/1，B/3，B/4等10個柱發(fā)現(xiàn)應(yīng)力比或平面內(nèi)外穩(wěn)定性系數(shù)超過1，構(gòu)件安全性存在危險；

4）在正常操作工況下，受到地震載荷影響，預(yù)測存在安全隱患的柱構(gòu)件數(shù)量增加至11個；

5）梁類構(gòu)件強度應(yīng)力比和穩(wěn)定性受不均勻沉降影響相對較小，所有框架梁均通過設(shè)計復(fù)核。

2.6 結(jié) 論

模型計算結(jié)果表明，在忽略結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降影響時，原設(shè)計方案在各工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力比和穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。

受到基礎(chǔ)不均勻沉降影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度應(yīng)力比和穩(wěn)定性系數(shù)有明顯增大，以柱構(gòu)件最為顯著。根據(jù)計算結(jié)果，目前地面層存在安全隱患的柱構(gòu)件數(shù)量達到11個，這些柱構(gòu)件在未來投產(chǎn)后存在屈服或失穩(wěn)的可能。

考慮到當(dāng)前存在安全隱患的構(gòu)件數(shù)量過多，建議對鋼結(jié)構(gòu)進行糾偏處理。糾偏工作旨在消除當(dāng)前結(jié)構(gòu)的整體傾斜，同時緩解相鄰基礎(chǔ)間的差異沉降及由此引起的內(nèi)力。結(jié)構(gòu)經(jīng)糾偏處理后再根據(jù)施工結(jié)果確定需要加固的構(gòu)件。

截至2017年5月，基礎(chǔ)沉降已趨于穩(wěn)定。但考慮到未來地面層泵機有注漿加固的可能性，建議在地基注漿加固后保持對基礎(chǔ)沉降變化的觀測。