大型公共建筑地基沉降分析研究

顏子奇 趙 準(zhǔn) 杜旭冉 陳立永 李 建

(1.北京首都國際機場有限公司，北京 100621；2.中冶檢測認(rèn)證有限公司，北京 100088)

0 前 言

結(jié)構(gòu)構(gòu)件老化銹蝕、使用中超載、地基不均勻沉降等問題是影響大型公共建筑安全和使用的主要因素.其中地基不均勻沉降是常見隱患之一[1-2].某大型公共建筑建設(shè)于2008年，中心區(qū)域為地下三層，地上二～三層，基礎(chǔ)為樁基，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋頂為鋼管柱支撐的螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu).基礎(chǔ)為獨立基礎(chǔ)，采用端承摩擦型鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，自建成使用至今多處外圍地面出現(xiàn)不均勻沉降，室內(nèi)框架結(jié)構(gòu)隔墻多處出現(xiàn)裂縫.為掌握沉降變形的分布和發(fā)展變化情況，對建筑主體結(jié)構(gòu)與內(nèi)外部回填土的沉降進行了兩年的監(jiān)測.

本文針對某大型公共建筑沉降問題，在對沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、外觀裂縫檢測和結(jié)構(gòu)驗算分析的基礎(chǔ)上，對目前沉降狀況及對結(jié)構(gòu)安全影響進行了深入的分析研究，并得出了相應(yīng)的研究結(jié)論.

1 沉降監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)情況，對主體結(jié)構(gòu)主要部位，具有代表性部位進行布點進行沉降測量[3]，沉降監(jiān)測為期兩年，共計對主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測23次，沉降監(jiān)測使用DINI03級精度的精密水準(zhǔn)儀和銦鋼尺，得出數(shù)據(jù)如下.

主體結(jié)構(gòu)共20處測點的最終總沉降量見圖1(單位為mm)：

圖1 沉降監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果

沉降監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果為：最大累計沉降量為-4.04 mm，最小累計沉降量為-1.49 mm，最大不均勻沉降差為2.55 mm，最小不均勻沉降差為0.24 mm，平均沉降量為-2.53 mm，百日平均沉降量為-0.696 mm/100 d，在本觀測期間主體沉降變形量較小但監(jiān)測數(shù)據(jù)變化有幅動.

2 外觀裂縫檢測結(jié)果

對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的外觀情況進行檢測，地基連梁處未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫和較大變形，工作正常；通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)中的部分隔墻存在裂縫，且存在不穩(wěn)定發(fā)展的跡象，裂縫在墻體上分布不規(guī)律，主體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫.上部網(wǎng)架未發(fā)現(xiàn)因地基不均勻沉降產(chǎn)生變形和損傷.

3 極限狀態(tài)計算分析

鑒于大跨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸多樣，需經(jīng)過驗算來說明該結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài).此次分析計算主要采用midas計算軟件進行模擬計算.首先，根據(jù)現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果分析目前沉降對結(jié)構(gòu)影響.其次針對具體結(jié)構(gòu)計算分析極限沉降差作為后期監(jiān)測判斷標(biāo)準(zhǔn).研究分析結(jié)構(gòu)在地基不均勻沉降作用下的變形特征，該結(jié)構(gòu)在地基不均勻沉降作用下的敏感構(gòu)件是獨立基礎(chǔ)之間的混凝土連梁和上部鋼結(jié)構(gòu)，因此，本研究以混凝土連梁計算和上部結(jié)構(gòu)網(wǎng)架計算為對象，以基礎(chǔ)連梁混凝土裂縫寬度達到0.4 mm限值[4]和上部鋼結(jié)構(gòu)變形達到lo/400變形值[5]作為結(jié)構(gòu)在不均勻沉降作用下的極限狀態(tài)，其中，混凝土裂縫寬度達到0.4 mm限值，基本相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的使用極限狀態(tài).

3.1 混凝土連梁計算分析

結(jié)構(gòu)的分析計算采用midas計算軟件軟件進行模擬分析，模擬三跨混凝土連續(xù)梁，節(jié)點位置設(shè)有支座約束，模型如圖2.

圖2 三跨混凝土連續(xù)梁模型

結(jié)構(gòu)建模后，根據(jù)設(shè)計荷載參數(shù)且考慮最不利荷載組合的前提下，進行結(jié)構(gòu)建模計算分析.其中，結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下的驗算結(jié)果如下：

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)該工程主體結(jié)構(gòu)最大沉降差為2.55 mm，以目前沉降狀況對該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)連梁進行驗算.分析現(xiàn)狀是對結(jié)構(gòu)造成的影響，根據(jù)現(xiàn)場實際構(gòu)造情況與檢測數(shù)據(jù)采用三跨的連梁進行分析.

該模型根據(jù)現(xiàn)場最不利的荷載組合和第二個支座下沉2.55 mm的附加應(yīng)力進行結(jié)構(gòu)建模計算分析.驗算結(jié)果如下：

圖3 混凝土連梁第二支座下沉2.55 mm內(nèi)力圖

由計算結(jié)果可見，在目前沉降差情況下，連梁的最大內(nèi)力出現(xiàn)在第三支座的負(fù)彎矩處其值為-761.1 kN·m.考慮混凝土0.8的松弛系數(shù)并根據(jù)連梁實際尺寸與配筋進行驗算，得出混凝土連梁最大裂縫寬度為0.136 mm其結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大裂縫寬度限值，目前實測結(jié)構(gòu)沒有達到正常使用極限狀態(tài).

圖4 混凝土結(jié)構(gòu)右柱下沉24 mm內(nèi)力圖

經(jīng)過試驗驗算，以混凝土連梁裂縫寬度達到0.4 mm限值為計算的極限狀態(tài)下，在考慮沉降差情況下當(dāng)?shù)诙ё两?4 mm時，梁最大內(nèi)力出現(xiàn)在第三支座的負(fù)彎矩處其值為-1267.9 kN·m.考慮混凝土0.8的松弛系數(shù)[6]并根據(jù)連梁實際尺寸與配筋進行驗算，得出混凝土連梁最大裂縫寬度為0.395 mm其結(jié)果基本達到三級裂縫控制限值0.4 mm.

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定該結(jié)構(gòu)的不均勻沉降限值為18.9 mm，由計算可知該結(jié)構(gòu)不均勻沉降達到24 mm后產(chǎn)生的附加彎矩方可達到混凝土極限拉應(yīng)變的極限值，由此可見規(guī)范限值較本結(jié)構(gòu)的實際限值較嚴(yán)格，本文研究結(jié)構(gòu)的不均勻沉降控制值較《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》限值大27%.

對同一高跨比的連梁進行驗算，比較不同跨度受同一沉降工況對連梁內(nèi)力的影響.梁高選用跨度的1/10，梁寬選用梁高的1/2.分別驗算9 m、12 m、15 m、18 m跨梁的裂縫極限值所需沉降差，得出結(jié)構(gòu)如下：

9 m跨度不均勻沉降差21 mm時達到裂縫控制限值，其比值為1/429；12 m跨度不均勻沉降差27 mm時達到裂縫控制限值，其比值為1/444；15 m跨度不均勻沉降差33 mm時達到裂縫控制限值，其比值為1/455；18 m跨度不均勻沉降差40 mm達到裂縫控制限值，其比值為1/450.

由以上可知，不同跨度沉降差比值為1/429～1/455之間，略大于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定框架結(jié)果沉降差比值1/476.根據(jù)實際檢測結(jié)果，基礎(chǔ)連梁未見沉降裂縫的狀況表明，對于大跨空間結(jié)構(gòu)，地基不均勻沉降差值可按正常使用極限狀態(tài)下容許裂縫寬度的限值作為控制狀態(tài)，且在驗算時考慮混凝土松弛的有利影響.

3.2 上部鋼結(jié)構(gòu)計算分析

對上部鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架進行模擬分析，模型如圖5.

圖5 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架模型

結(jié)構(gòu)建模后，根據(jù)設(shè)計荷載參數(shù)且考慮最不利荷載組合的前提下和隨機抽出10個支撐點下沉24 mm的附加應(yīng)力，進行結(jié)構(gòu)建模計算分析.考慮了正常使用荷載組合和沉降偏差附加力共同對主體結(jié)構(gòu)的影響，驗算結(jié)果如下：

圖6 鋼網(wǎng)架桿件軸力圖

圖7 鋼網(wǎng)架整體變形位移圖

經(jīng)過計算，支撐點沉降雖然引起了周圍桿件應(yīng)力增加，但未超過受力最大桿件的應(yīng)力，并且結(jié)構(gòu)中所有的桿件內(nèi)力都未超過設(shè)計強度.

經(jīng)過計算，支撐點沉降雖然引起了周圍桿件變形較大，對應(yīng)基礎(chǔ)不均勻沉降為24 mm時，上部結(jié)構(gòu)最大撓度變形為1/517，但仍未超過該結(jié)構(gòu)變形的最大值，該結(jié)構(gòu)的變形滿足規(guī)范正常使用極限狀態(tài)要求.

由混凝土結(jié)構(gòu)與鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)計算分析可知，混凝土結(jié)構(gòu)這種剛性連接的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力受不均勻沉降影響較大，且易產(chǎn)生裂縫.不均勻沉降對大跨度的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)這種柔性較大的結(jié)構(gòu)影響較小.結(jié)構(gòu)在地基不均勻沉降變形作用下的控制因素為獨立基礎(chǔ)之間連梁混凝土抗拉極限應(yīng)變和裂縫寬度.

4 結(jié) 論

通過上述的監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算分析得出結(jié)論如下：

1)大跨重要建筑進行長期的沉降監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)的安全性和使用性進行分析評估，是進行結(jié)構(gòu)使用維護的重要措施.

2)大跨結(jié)構(gòu)在不均勻沉降作用下，應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下基礎(chǔ)連梁裂縫寬度與上部鋼結(jié)構(gòu)變形作為控制限值，可分別按基礎(chǔ)連梁混凝土裂縫寬度0.4 mm或上部鋼結(jié)構(gòu)變形達到lo/400變形限值進行驗算，本文研究的結(jié)構(gòu)地基不均勻沉降極限狀態(tài)對應(yīng)連梁混凝土開裂狀態(tài).

3)與規(guī)范限值相比，本文研究的大跨結(jié)構(gòu)的沉降差限值偏大27%，表明大跨結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降差限值應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)計算分析確定.