基礎(chǔ)不均勻沉降對上層摩天輪影響的研究

黃遠(yuǎn)飛，陳榮君

（1.中煤科工集團上海有限公司，上海市200030；2.中煤科工集團上海有限公司，上海市200030）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，商業(yè)建筑綜合體與摩天輪有機結(jié)合的案例日益增多，而建立在商業(yè)結(jié)構(gòu)上的摩天輪基礎(chǔ)的不均勻沉降，對摩天輪結(jié)構(gòu)及其運行狀態(tài)均有著重要影響。因此，這就對摩天輪混凝土基礎(chǔ)的沉降對摩天輪影響的研究提出了新的要求。

關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降的論文比較豐富：吳勝發(fā)等[1]建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降及控制研究；趙明等[2]基礎(chǔ)不均勻沉降對上部建筑結(jié)構(gòu)位移影響研究，對基礎(chǔ)的不均勻沉降進行了ANSYS有限元仿真計算；蔡鳳生等[3]某廣場建筑地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)共同作用分析采用了midas gen的樁基土彈簧來模擬土層，對ANSYS等有限元分析的難度和復(fù)雜性進行了簡化分析計算；姜晨光等[4]高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)變形的影響中利用實際測量結(jié)果給出了數(shù)學(xué)模型。而關(guān)于摩天輪基礎(chǔ)沉降相關(guān)的只有沈光磊[5]發(fā)表的盾構(gòu)隧道下穿摩天輪時的地表沉降數(shù)值模擬，其采用了ABAQUS有限元軟件研究了盾構(gòu)隧道下穿摩天輪地表沉降問題。

綜上，當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者就建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降，對建筑本身的影響進行了大量研究。但對摩天輪與商業(yè)建筑相結(jié)合后，摩天輪基礎(chǔ)的不均勻沉降，對摩天輪影響的研究比較缺乏。對于固定索式屋頂摩天輪（采用拉索作為摩天輪輔助支撐的一種摩天輪）的研究目前還尚屬空白。

該文在基于前人研究的基礎(chǔ)上，采用MIDAS GEN的面彈性支撐中節(jié)點彈性連接的方式來模擬土層，并且采用數(shù)值分析與實際測量結(jié)果相對照的研究方法，對其基礎(chǔ)不均勻沉降與摩天輪的影響關(guān)系進行研究。

1 工程概況

該項目位于寧波市江北區(qū)，項目總擬建物為萬象城集中商業(yè)以及三姆會員店，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)尺寸為9.0 m×12.0 m和8.5 m×8.5 m，基礎(chǔ)形式為樁筏形式。項目整體效果見圖1。

圖1 項目整體效果圖

在萬象城商業(yè)西南區(qū)域三層平臺建有一座55 m摩天輪，其結(jié)構(gòu)形式為門式立架加四根固定索的立架結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 門式立架簡圖

其中四根固定索，三根根部固定于五層平臺（標(biāo)高為23.9 m），一根根部固定于四層平臺（標(biāo)高為17.7 m）。，兩根立柱基礎(chǔ)位于三層平臺（標(biāo)高為11.2 m），立柱兩側(cè)拉索為單邊對稱布置，其一側(cè)拉索與主軸夾角分別為64°、63°，另外一側(cè)拉索與主軸夾角均為53°，為非對稱布置，見圖3。

圖3 基礎(chǔ)柱點標(biāo)高及位置分布俯視簡圖

2 摩天輪及綜合體建筑模型的建立及分析

2.1 有限元模型建立

根據(jù)該項目的實際情況建立MIDAS GEN模型，該模型下層數(shù)據(jù)模型為混凝土構(gòu)件，上層數(shù)據(jù)模型為摩天輪鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及拉索構(gòu)件，見圖4。其中下層模型摩天輪鋼立柱及拉索基礎(chǔ)柱點均為型鋼與混凝土組合材料，立柱基礎(chǔ)柱點的截面規(guī)格為φ1600 mm×30 mm，Q345B的鋼材與C50的混凝土組成SRC混合截面，拉索基礎(chǔ)柱點為截面為500 mm×500 mm（十字形截面），Q345B的鋼材與C50混凝土組成的SRC混合截面，該基礎(chǔ)混凝土柱均延伸到基礎(chǔ)頂面。上層模型摩天輪立柱為φ1 600 mm×20 mm，Q235B的鋼管圓形截面。其下層混凝土柱與上層鋼結(jié)構(gòu)均為梁單元，其中摩天輪輪盤輪輻索及固定索為索單元，規(guī)格分別為φ5×19，φ7×91。

圖4 計算模型簡圖

2.2 計算參數(shù)選取

該算例非線性類型采用幾何非線性，計算方法采用NEWTON-RAPHSON，子步驟迭代次數(shù)設(shè)置為30，收斂條件采用位移控制。設(shè)置重力加速度為9.8 m/m2，在定義材料時，設(shè)置鋼筋混凝土的密度為2 549 kg/m3，彈性模量為34.5 GPa，泊松比為0.2；鋼材的密度為5 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，索體的密度為7 698 kg/m3，索體的彈性模量為190 GPa。

該項目采用鉆孔灌注樁，其中樁端土層估算巖土參數(shù)見表1（此表根據(jù)各地基土層原位測試及室內(nèi)土工試驗綜合成果，針對相應(yīng)土層埋藏條件及擬采用的基礎(chǔ)形式，提供各地基土層變形估算巖土參數(shù)）。根據(jù)估算巖土參數(shù)中的壓縮模量，計算出基床系數(shù)K[6]，壓縮層主要為⑦1、⑦2、⑧1-1。

表1 基礎(chǔ)沉降量估算巖土參數(shù)表

2.3 荷載工況

荷載工況考慮自重、恒荷載、活荷載以及筏板浮力荷載，按照標(biāo)準(zhǔn)荷載進行加載。

3 數(shù)值模擬計算

將非線性工況下計算的摩天輪柱點力提取，施加在6個承臺上，承臺的位置分布，見圖5；通過midas gen面彈性支撐轉(zhuǎn)節(jié)點彈性支撐，輸入基床系數(shù)，模擬土層，承臺的沉降分析云圖，見圖6；柱點承壓值及沉降分析數(shù)值見表2。

表2 數(shù)值仿真分析柱點承壓值及沉降表

圖6 承臺沉降分析云圖

4 數(shù)值模擬計算結(jié)果與實際測量結(jié)果對比

利用實測數(shù)值與midas仿真數(shù)值對比發(fā)現(xiàn)，其中柱點864、865、867、868仿真數(shù)值與實際沉降數(shù)值接近，而866沉降值與仿真數(shù)值有38%偏差，見圖7。

圖7 仿真與實測對比圖

因四根固定索均為不對稱布置，且長短不一，不同的沉降值帶來的不同的拉索形變量，其值的大小，見表3。其中，沉降量最小的866承臺，因其相對高差大，產(chǎn)生了因沉降帶來的最大的豎向力，其豎向力的大小僅為承臺壓力荷載的1.3%。

表3 實際測量柱點沉降表

雖然拉索豎向向上拉力對下部建筑結(jié)構(gòu)沉降影響甚微，但是因為拉索的不對稱性及立架高度較高，對立柱產(chǎn)生了較大彎矩，對摩天輪門式立架垂直度產(chǎn)生了較大影響，見圖8。

圖8 拉索對立架影響分析云圖

立柱的最大位移為5.79 mm，根據(jù)GB 18164—2020中立柱垂直度要求，立柱垂直度的標(biāo)準(zhǔn)要求不大于設(shè)計值的1/1 000[7],根據(jù)圖紙要求，可知，其垂直度偏差設(shè)計允許值為29 mm，因沉降帶來的垂直度偏差占20%，其因素不可忽略。實際測算立柱垂直度偏差為8 mm。

5 結(jié)語

該文提出了采用midas gen對摩天輪進行了非線性分析，將其柱點荷載輸入到沉降模型，利用面彈性連接模擬土層的仿真分析方法，分析了在標(biāo)準(zhǔn)荷載工況下，立柱的沉降的大小，立柱垂直度偏差的大小，并與實際測量結(jié)果進行了對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）該項目實測沉降數(shù)值與仿真分析沉降數(shù)值對比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本吻合，該分析方法是合理可行的，具有參考意義。

（2）該項目沉降值所引起的拉索拉力增加對沉降影響影響可忽略。

（3）該沉降值，給拉索帶來的拉力為11～35 t,因著不均勻沉降，該拉力對摩天輪垂直度有影響，應(yīng)進行二次拉索調(diào)整，才可以保證立架垂直度，同時，拉索首次拉力張緊應(yīng)在后澆帶封閉后進行。

（4）摩天輪的鋼立柱應(yīng)位于同一個承臺，使其沉降為均勻同步沉降，以避免給摩天輪鋼結(jié)構(gòu)帶來次應(yīng)力影響。