基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)上部建筑結(jié)構(gòu)的位移影響研究

趙 明 曹志飛 張 博

(中建七局第一建筑有限公司，北京 102600)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，多元化建筑物的大規(guī)模使用以及建筑場(chǎng)地地質(zhì)的復(fù)雜多樣性[1]，對(duì)地基的安全性和可靠性的要求更高，研究這些影響，可采用理論數(shù)值和計(jì)算機(jī)模擬軟件來(lái)進(jìn)行研究[2]，以系統(tǒng)地分析地基不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

1 框架結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

1.1 模型的建立

本文中的模型是一個(gè)4層4×4跨框架結(jié)構(gòu)的辦公樓，在有限元軟件ANSYS中，beam188單元稱為3D線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧?；因此，梁和柱采用ANSYS14.0軟件beam188單元進(jìn)行模擬，每層高度設(shè)為3000mm，橫跨和縱跨均為4000mm；框架梁的截面尺寸(b×h)為250mm×380mm，框架柱的截面尺寸為500mm×500mm。彈性模量為28GPa，密度為2700kg/m3,泊松比為0.2。模型的結(jié)構(gòu)平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 模型結(jié)構(gòu)平面圖

運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立三維實(shí)體模型，模型在建立時(shí)，采用三維實(shí)體建模在vmesh劃分時(shí)會(huì)用有十幾萬(wàn)個(gè)node點(diǎn)，眾多的節(jié)點(diǎn)需要龐大的計(jì)算系統(tǒng)，本文選用的是線性建模，這樣的好處面對(duì)結(jié)構(gòu)龐大或者復(fù)雜的模型可以減少成倍的節(jié)點(diǎn)，大大的減少了計(jì)算量而又不失模擬計(jì)算結(jié)果，選用“beam188”單元類型，設(shè)置該單元類型下的參數(shù)并定義材料屬性；其次，定義梁?jiǎn)卧慕缑鎸傩?。建立梁柱模型并線性賦予屬性，最后對(duì)框架進(jìn)行mesh劃分。劃分后對(duì)模型進(jìn)行重合。

1.2 邊界條件

在模擬計(jì)算過(guò)程中由于重力因素的影響，在定義荷載值時(shí)，設(shè)置重力加速度為9.8m/s2。在定義材料時(shí)，設(shè)置鋼筋混凝土的密度為2700kg/m3。基礎(chǔ)的不均勻沉降是導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移的主要原因，因此在設(shè)立邊界條件時(shí)，分別針對(duì)角柱、邊柱、中間柱設(shè)定一定量的沉降值，對(duì)其余柱腳進(jìn)行固定端約束。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 各工況下的位移變化規(guī)律

建立模型后，對(duì)欲使沉降的框架柱施加一定的沉降值，固定其余框架柱的自由約束及位移。然后運(yùn)用ansys有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，模擬分析基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)上部建筑結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力的影響。

設(shè)定工況1：KZ—1柱為沉降柱，分別在柱上方施加荷載使得KZ—1柱的沉降量為50mm。

工況2：KZ—3為沉降柱，分別在柱上方施加荷載使得KZ—3柱的沉降量為50mm。

工況3：KZ—13為沉降柱。分析其位移規(guī)律。

2.1.1 豎向位移

在上述三種工況下發(fā)生基礎(chǔ)沉降時(shí)，各相應(yīng)梁節(jié)點(diǎn)的豎向位移情況如下。

通過(guò)工況一的模擬結(jié)果可以看出，①軸的二層梁的豎向位移略大于一層梁的豎向位移，A軸上的二層梁的豎向位移同樣略大于一層梁。但二者的差別較小，一層與二層梁中段的豎向位移差值最大約為0.5mm，在KZ-1柱處的兩層梁的豎向位移差值約為0.1mm。且一層處沉降最大，往上依次減小。

工況二的KL-2梁與KL-3梁豎向位移整體位移趨勢(shì)相同，但兩層梁的豎向位移隨著靠近沉降柱，豎向位移差略有加大，差值約為1.5mm。B軸上的一、二層梁的豎向位移幾乎不受A軸上KL-3柱沉降的影響。KZ-3柱附近的KL-2梁與KL-3梁的沉降趨勢(shì)有所改變。

工況三是KZ-13柱沉降25mm與沉降50mm時(shí)③軸上KL-28梁與KL-33梁上節(jié)點(diǎn)的沉降對(duì)比；結(jié)構(gòu)中的最大沉降值也接近兩倍。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以模擬結(jié)果圖形也是兩側(cè)對(duì)稱。但一層梁的沉降略大于二層梁的沉降。

從樓層的水平位移數(shù)據(jù)可得，當(dāng)角柱發(fā)生沉降時(shí)，X和Y方向各個(gè)軸線的水平位移都呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，距離沉降點(diǎn)越近，發(fā)生的位移量越大；X方向距離沉降點(diǎn)最近的A軸線的四層的水平位移為9.1mm，與Y方向距離沉降點(diǎn)最近的①軸線四層的水平位移相同，為各方向上最大的變化值。距X方向沉降點(diǎn)最遠(yuǎn)的E軸線的二層的水平位移和距Y方向沉降點(diǎn)最遠(yuǎn)的⑤軸線的二層的水平位移相同都為0.29mm，為各水平方向上增加的最小值。

邊柱沉降時(shí)，X軸方向上各軸線間的水平位移，A軸線位移為正，呈現(xiàn)出向里移動(dòng)的趨勢(shì)，第四層梁節(jié)點(diǎn)位移為負(fù)，約為-0.17mm；Y軸方向的水平位移呈現(xiàn)出以③軸為對(duì)稱線，最大位移出現(xiàn)在③軸線上約為7mm，其次為②軸與④軸，最小位移為①軸與⑤軸。

2.2 結(jié)果討論

工況1下的沉降，底層的影響最大，隨著樓層的增加，影響值逐漸減小。對(duì)于梁，以梁的中間節(jié)點(diǎn)為分界，遠(yuǎn)離沉降柱一側(cè)的沉降值隨著樓層的增加，梁得豎向位移在減小；靠近沉降柱的一側(cè)隨著樓層的增加，梁的豎向位移在增大。

工況2下的邊柱沉降同樣是隨著樓層的增加影響值逐漸減小，值得注意的是KL-23梁相對(duì)于KL-2和KL-3的沉降值相對(duì)較小。

工況3條件下的中間柱沉降，沉降柱周圍梁以靠近沉降柱1/2節(jié)點(diǎn)為分界，靠近沉降柱的1/2段，隨著樓層的增加，其沉降值在減??；遠(yuǎn)離沉降柱的1/2段，隨著樓層的增加，其沉降值在增大。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)當(dāng)角柱與邊柱沉降相比較時(shí)，相同的沉降條件下，角柱沉降更加明顯，且對(duì)相鄰梁的影響大于邊柱沉降對(duì)相鄰梁的影響。邊柱沉降與中間柱沉降相比較，邊柱沉降以及邊柱對(duì)相鄰梁和柱的影響更加明顯。

(2)當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，直接與沉降柱相連接的梁，存在上述的規(guī)律外，其他梁柱隨著距離的增加，其影響效果逐漸減??；隨著樓層高度的增加，其影響效果也在逐漸減小。

(3)通過(guò)節(jié)點(diǎn)位移的規(guī)律可以得出：當(dāng)發(fā)生以上三種不同工況的沉降時(shí)，應(yīng)先考慮首層靠近沉降柱的梁的交界處和末層遠(yuǎn)端沉降柱與梁的交界處。三種不同工況的沉降相對(duì)而言，中間柱發(fā)生沉降時(shí)的影響效果相對(duì)較小，角柱沉降的影響最大。