地基不均匀沉降对上部框架结构内力的影响分析

陈虹丽

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350028)

地基不均匀沉降对上部框架结构内力的影响分析

陈虹丽

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350028)

在实际工程项目中，地基不均匀沉降常常伴随着结构的倾斜，故本文结合工程实例，提出了考虑倾斜的固定支座模型，并与传统固定支座模型进行对比，得出地基不均匀沉降下，上部结构内力的变化规律，为将来类似的鉴定工程，提供借鉴。

考虑倾斜影响；沉降；内力分析

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引 言

地基不均匀沉降对既有房屋的危害较大，如房屋墙体大面积开裂，结构倾斜，柱体断裂或压碎，梁柱节点变形过大等，影响其承载力和使用性。对于已经存在，甚至还在发展不均匀沉降的房屋，如何分析其上部结构的承载能力，是鉴定其安全性的关键所在。

目前，在研究地基不均匀沉降对上部结构的影响时，主要有四类分析模型，最常见的属于传统固定支座模型，即将地基当成一个固定刚体，上部结构与之固接，人为地在某些柱脚施加竖向支座位移，以此模拟不均匀沉降[1]；第二种为固定铰支座模型，即释放柱脚的转动约束，通常用于软弱地基情况[2]；第三种为竖向弹性支承模型，即将每个柱脚的竖向约束设置为弹性约束，通过反复调整弹簧刚度，模拟并接近实际的不均匀沉降[3][4]；另外还有三维弹性支承模型[5]。

在实际的工程中，地基沉降常常伴随着结构的整体倾斜，在这种情况下，应考虑结构整体倾斜的作用，故本文结合工程实例提出了考虑倾斜的固定支座模型。

1 工程概况

本文以福州市某七层住宅为案例，该住宅总高度约22.2m，长40.8m,宽13m，为现浇钢筋混凝土框架结构，采用桩基础。该建筑已投入使用多年，且出现明显的不均匀沉降和倾斜，房屋墙体多处严重开裂，部分梁、柱粉刷层开裂。

结构的标准层平面图及现场监测的柱沉降量示意图如(图1)所示。内部柱子沉降无法监测，按纵向线性插值得到相应沉降值。

图1 标准层梁柱分布及现场柱沉降量示意图(单位：mm)

图2 A、D轴沉降变形图

2 计算模型

依据监测的沉降数据，绘制A、D轴柱子沉降图如(图2)，可以发现，除两端部柱((1)轴及(17)轴柱)外，其余的柱子沿X轴坐标方向的沉降变化率(沉降差/横向柱距)比较接近，通过线性回归，得到回归线的斜率为3‰。此时(1)轴和(17)轴的柱子相对于回归线呈上升状态。同时，现场的结构倾斜观测显示，结构整体向(图1)的(1)轴方向倾斜，倾斜率在3.8‰～5.8‰之间，与回归线的斜率比较接近。

由于倾斜与沉降对结构的影响差别较大，故本文提出考虑倾斜的固定支座模型，即在结构柱脚固结的基础上，施加整体3‰的倾斜量，以实测沉降量与回归线的沉降值二者之差，作为结构的沉降差，施加在各柱脚位置。

采用Midas Building的结构大师模块，按现行规范要求施加恒、活、风、地震荷载，进行承载力计算分析。为揭示地基不均匀沉降对上部主体结构的影响程度，及传统固定支座模型和本文结果差异，建立了三种计算模型：

模型I：常规设计模型，即不考虑结构的沉降作用；

模型Ⅱ：传统固定支座模型，即将实测沉降差直接施加在各柱脚；

模型Ⅲ：考虑倾斜的固定支座模型，在各柱脚施加换算后的沉降差。

3 分析结果

因不均匀沉降对结构的影响，主要表现在底部的楼层，且相邻柱子间的沉降差越大，则与之相关的梁柱内力变化越大。为此，本文主要给出(图1)中横轴方向两边跨的底层内力变化情况。

3.1 柱内力变化分析

对于三种模型，在恒载工况下的柱轴压比如(图3～图6)所示(图中横向坐标为柱的轴线位置)，由图可见，模型Ⅱ与模型Ⅲ边跨柱轴力变化的趋势一致，端部((1)轴及(17)轴)柱压力均增加，模型Ⅱ最大轴压比达1.48，是原轴压比的2.9倍，模型Ⅲ最大轴压比可达到1.59，是原轴压比的3.12倍。次尽端((3)轴及(15)轴)柱轴压比几乎均减小。可见模型Ⅲ与模型Ⅱ对结构柱轴力的影响趋势相同，但前者影响更大。

(9)轴柱子在模型Ⅲ中与相邻柱几乎无沉降差，其轴力仅有较小幅度的增减，而在模型Ⅱ与相邻柱中沉降差较大，轴力也仅略微减小(图7)。

图3 (1)轴柱轴压比图

图4 (17)轴柱轴压比变化图

图5 (3)轴柱轴压比图

图6 (15)轴柱轴压比图

图7 (9)轴柱轴压比

图8 (9)轴柱配筋图

底层柱子配筋包络值在模型Ⅱ及模型Ⅲ中均比无沉降的模型I大，但前者(除(1)轴柱外)大于后者(图8、图9)。 (1)轴柱弯矩在模型Ⅱ中之所以小于模型Ⅲ,是因为在模型Ⅱ中(1)轴柱与相邻柱的沉降差最小，而在模型Ⅲ中的沉降差却较大。

图9 (1)轴柱配筋图

综上，模型Ⅱ和模型Ⅲ对柱轴力和弯矩有着相似的变化规律，即端部柱子轴力增大，内部柱子轴力减小，弯矩均增大。

3.2 梁弯矩变化分析

不同模型的梁弯矩差异较大，尤其是在结构端部，为显示在沉降作用下的弯矩变化情况，将模型Ⅱ和模型Ⅲ中的梁配筋分别除以模型I的梁配筋，得到如下柱状图(图10、图11)。图中左、中、右分别表示梁左端支座、跨中、右端支座，图上四组柱状图从左至右分别为A轴、B轴、C轴、D轴四个轴的边跨梁。

由图可知模型Ⅲ的梁弯矩均比模型Ⅱ大，且二者与模型I相比有相似的变化规律， (1-3)-A～(1-3)-D轴框架梁的左端支座及跨中弯矩均比无沉降作用时有所增大，而右端支座弯矩有所减小；(15-17)-A轴和(15-17)-B轴框架梁则相反，其左端弯矩均减小，而跨中和右端支座增大；(15-17)-C轴与(15-17)-D轴框架梁不论在支座或是跨中，弯矩均大幅度增加。

图10 (1-3)-A～(1-3)-D轴框架梁配筋比

图11 (15-17)-A～(15-17)-D轴框架梁配筋比

4 结论

(1)在实测沉降情况下，考虑倾斜的固定支座模型与传统固定支座模型的梁、柱内力有相似的变化规律。

(2)在实测沉降情况下，考虑倾斜的固定支座模型与传统固定支座模型相比，沉降对上部结构内力的影响普遍更大。

(3)对于在不均匀沉降作用下，出现整体倾斜的结构，利用考虑倾斜的固定支座模型，由实测沉降量与回归线的沉降值之差，可以预测梁柱的内力变化趋势。

[1]吴胜发,孙作玉.地基不均匀沉降对上部结构内力和变形的影响[J].广州大学学报.2005,4(3):261-266.

[2]董诚,刘兴远,张琦彬. 地基不均匀沉降后的某框架结构安全性分析[J].后勤工程学院学报.2004,2:41-44.

[3]刘畅，郑刚.地基不均匀沉降对上部结构影响的弹性支承分析法[J].建筑结构学报.2004,25(4):124-128.

[4]张卫东.差异沉降对板柱结构的影响分析[J].四川建筑科学研究.2007,3 (4):40-42.

[5]王晖, 吴胜发,孙作玉.地基不均匀沉降对上部结构影响的三维弹性支承分析法[J].岩土工程技术.2005,19(3):137-140.

The Influence of Uneven Settlement of Foundation on Internal Force of Frame Structure

CHENHongli

(Fujian Academy of Building Research, Fuzhou, 350028)

In practical engineering project, the uneven settlement of foundation are always companied by structural slope. Therefore, this paper suggested a new restrained support model in which the influence of slope is considered, based on a certain engineering case. And then, the change law of internal force on the superstructure was provided and compared to the traditional fixed support model. This paper would offer reference for similar identification project.

The influence of slope; Settlement; Internal force analysis

陈虹丽(1987- )，女，助理工程师。

2015-03-13

TU312

A

1004-6135(2015)05-0030-03