地裂非均匀沉降对框架结构性能的影响

孙春蕾

(商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛　726000)



地裂非均匀沉降对框架结构性能的影响

孙春蕾

(商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛726000)

摘要：地裂不均匀沉降是西安市的一种特有的地质灾害。基于有限元软件SAP2000，以框架结构为研究对象，采用位移加载方法来模拟地裂缝引起的不均匀沉降，对结构顶部侧移以及对框架结构底层框梁和框柱进行内力分析。研究结果表明：在地裂场地下，结构底层梁和柱为最不利构件，对于规则多层框架在避让距离为11 m时即可满足位移条件。该分析可为地裂场地下框架结构的设计提供依据。

关键词：地裂不均匀沉降；框架结构；有限元分析；避让距离

地裂不均匀沉降是由于地裂缝活动而产生的一种特有的地质灾害。在地裂缝活动两侧地面将产生严重的不均匀沉降，对城市居民的安全、生活以及经济造成很大的影响，例如文物古迹的倾斜和破坏、地面建筑开裂、路面破坏，甚至切断市政供水或供气管道[1-2]。

陕西省出台了《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》，此规程规定了建筑物的避让带距离和设防带宽度[3]，但也只是规定不同材料的建筑结构的避让距离，没有对不同的建筑结构形式做出具体的规定;因此对于研究地裂不均匀沉降对于上部不同形式的建筑结构的影响就变得非常有意义[4]。

框架结构是应用最为广泛的建筑类型；因此本文选用6层框架结构作为研究对象，利用有限元软件SAP2000建立三维框架模型，并运用传统的位移加载方法来模拟地裂缝引起的不均匀沉降。未来50年内的地裂缝沉降曲线[5]如图1所示。

图1　沉降曲线

1模型概况

运用SAP2000建立6层规则柱网框架空间模型(如图2所示)，层高4.5 m，室内外高差0.6 m，基础顶面标高-1.6 m，抗震设防烈度8度(0.20g)。梁、柱混凝土强度均采用C30，梁截面尺寸为600 mm×300 mm，柱截面尺寸为600 mm×600 mm[6]。柱网布置如图3所示。

图2　柱网框架空间模型

图3　柱网布置图

模型建立完成后，分别在避让距离为5、8、11、14、17 m时考虑单独不均匀沉降对其作用，分析其变形和内力影响。

通过研究发现，对底层框架进行分析是非常有效的，因此本文拿出底层中框架作分析。底层中框架构件编号图如图4所示，底层柱编号为19、61、103、145、187，底层梁编号为283、289、295、301。

图4　构件编号图

2位移分析

利用SAP2000将模型建立[7]后，在地裂不均匀沉降荷载单独作用下，分析其位移及内力。根据分析结果，将数据调出，得出在不同避让距离下各个楼层的节点相对位移量，如表1所示。

表1　节点相对位移量　m

根据规范[8]规定SH≤0.003Hg=81mm，由表2得，建筑物倾斜均满足要求。

表2　结构最大层间位移角

由表2可以看出，结构基本在越靠近地裂缝时，顶部侧移越大，根据规范规定，此模型在11 m内超过限值要求，可见在11 m内结构侧移已经不满足规范要求。

3内力分析

3.1轴力分析

底层柱在不同影响区距离下轴力的对比分析如图5所示。

图5　底层柱轴力对比图

从图5可以看出，当避让距离为5 m时，即19、61、103号柱子支座发生沉降，145、187号柱的轴力均比较大，而支座发生沉降的柱子反而轴力较小，当避让距离为8、11 m时均显现这样的特征，当避让距离为14、17 m时，即只有19号柱子支座发生沉降，可以观察到，19号柱及相邻柱子的轴力都比较大。145号柱和187号柱，即未发生沉降的2个柱子，它们的轴力随着避让距离的增大而减小；19、61、103号柱分别随着各自的沉降量的增减而呈现先增大后减小的趋势；因此，在影响区5～12.5 m范围，103号柱易发生受压破坏，在影响区12.5～20 m范围，61号柱易发生受压破坏。

3.2剪力分析

分析底层梁、柱的剪力随影响区距离不同而引起的变化，从图6和图7中可以看出，不均匀沉降单独作用下，柱子的剪力值小于梁的剪力值，从数值上来看，梁的剪力值是柱子的3倍左右。图6显示：当避让距离为14 m时，285号梁的剪力最大，为156 kN，最易破坏；但其他几根梁的剪力值均较小，在避让距离为9.5 m时，4根梁的剪力值均较大，基本在100 kN左右。

图6　底层柱剪力对比图

图7　底层梁剪力对比图

3.3弯矩分析

结构在不同避让距离下结构的底层梁、柱弯矩图分别如图8和图9所示。

(a)283号梁弯矩图

(b)289号梁弯矩图

(c)295号梁弯矩图

(d)301号梁弯矩图

从图8可以明显看出，梁单元的弯矩呈现一个共同的特征：在影响区距离发生变化时，梁跨中的弯矩基本没有大的变化，梁的左右截面弯矩变化比较大，并且左右截面的弯矩呈对称变化的形式；因此梁的梁的左右截面为危险截面，易发生破坏。图8(d)显示，301号梁两端柱未发生沉降，弯矩值随着影响区距离的增大而减小。图8(c)显示，295号梁在避让距离5～8 m范围时，弯矩值逐渐减小，并在8 m时减到最小，此后呈现先增大后减小的趋势，在11 m时达到最大值，11～20 m范围，295号梁两端柱没有再发生沉降。289号梁和295号梁的变化趋势大致上是一样的。283号梁两端的柱始终都发生沉降，在15.5 m后仅有一端发生沉降，因此我们从图8(a)中显示，5～15.5 m范围内，梁的弯矩逐渐增大，在15.5 m之后逐渐减小。

图9柱单元的弯矩图显示，在不均匀沉降单独作用下，随着避让距离的增大，柱子中截面的弯矩基本上呈现逐渐减小的趋势。图9(a)和图9(b)中，柱子下截面的弯矩基本上随着避让距离的增大而减小，上截面的弯矩值先增大后减小，并且上截面的弯矩绝对值大于下截面，因此19号柱和61号柱的危险截面为上截面，易发生破坏。图9(c)显示，103号柱的下截面弯矩变化幅度比较小，上截面弯矩值逐渐减小，在5 m时为最大值。图9(d)显示，145号柱上下截面的弯矩值都呈现先增大后减小的趋势，且下截面的的弯矩值大于上截面，下截面为危险截面。图9(e)中，187号柱上截面的弯矩变化幅度不大，下截面的的弯矩绝对值大于上截面，故危险截面为下截面，易发生破坏。

(a)19号柱弯矩图

(b)61号柱弯矩图

(c)103号柱弯矩图

(d)145号柱弯矩图

(e)187号柱弯矩图

3.4内力增幅分析

在不均匀沉降单独作用下，结构在不同影响区距离时产生的内力及其增幅是不一样的(见表3—表7)，本文对其进行分析。对影响区距离从17～5 m，依次逼近3 m这样的变化幅度，观察对内力的影响。

从表3中可以看出，轴力的增量值较剪力值和弯矩值大，不均匀沉降对柱子轴力的影响大于剪力和弯矩。影响区距离从17 m逼近到14 m时，轴力、剪力及弯矩的增幅均比较大，也就是说结构在只有边柱发生沉降时，沉降量的变化对内力影响比较大。接下来看到从8 m逼近到5 m时，柱子的轴力和剪力增量及增幅都比较大。从14 m到8 m时，轴力、剪力及弯矩增幅都比较小，处于平稳区。因此，对19号柱来说，不均匀沉降对轴力的影响是最大的，且轴力在8～5 m及17～14 m增幅较大，为易受影响区。

表3　19号柱内力增幅对比

表4　61号柱内力增幅对比

表5　103号柱内力增幅对比

61号柱和103号柱同属于内柱，并且均发生沉降，因此，将这两根柱子一起作分析。表4和表5显示，柱子轴力的增量值较剪力值和弯矩值大，不均匀沉降对柱子轴力的影响大于剪力和弯矩。61号柱轴力的增幅基本随着影响区距离的增大而逐渐减小，在17～14 m时出现突变。103号柱轴力的增幅出现了先减小后增大后又减小的变化趋势，这是因为103号柱支座先是有沉降后又无沉降并且相邻柱子支座沉降先小后大的原因。

不均匀沉降对梁的轴力值影响非常小，因此在这里不再列出。梁跨中弯矩基本没有什么变化，在此也不再作增幅比较，故只列出梁的剪力增幅比较及左右截面弯矩增幅比较。

表6　283号梁内力增幅对比

由表6可以看出，剪力值基本随着影响区距离的推进而减小，从8 m推进到5 m时减幅是最大的，其他的变化幅度基本相同。左右截面的弯矩基本都是呈现减小的趋势，而且减幅基本一致，在8～5 m的范围内减幅较大；因此，283号梁在不均匀沉降单独作用下，内力的易受影响区为8～5 m。

表7　289号梁内力增幅对比

表7显示，289号梁在14～11 m，剪力及左右截面的弯矩变幅都最大，可见这个区域是此梁的主要影响区域。从11～5 m之间，内力的增量及增幅反倒比较小，其原因是14～11 m之间，与289号梁固结的相邻柱子只有一端发生沉降，而11～5 m之间，相邻的两端柱子均发生沉降；因此，289号梁在14～11 m为易受影响区。

4结束语

本文对6层规则框架在地裂场地下不同避让距离时对其位移和内力进行分析，分析结果表明：在不均匀沉降单独作用下，结构底层梁和柱为最不利构件；分析可知框架梁的弯矩随避让距离变化呈对称式变化；梁两端截面为框架梁的最不利截面，框架柱的最不利截面为下截面。对位移进行分析发现，11 m以外结构侧移满足要求，11 m以内不满足规范规定的侧移要求。

从分析发现，在地裂场地下对框架结构进行设计时，可对梁两端及柱下截面进行加强，从中还可发现对于规则多层框架在避让距离为11 m时即可满足位移条件；因此，应当再做一些相关分析，看能否得出相同结论，看对《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》中规定的避让距离20 m在设计多层框架结构时能否进行一定的调整。本文仅采用6层规则框架，计算结果偏于保守，希望可以对地裂场地下结构的设计提供一定参考。

参考文献

[1]张家明.西安地裂缝研究[M]. 西安:西北大学出版社, 1992.

[2]燕建龙,文君.浅谈西安地裂缝对建筑物的危害及防治措施[J].岩土工程界, 2006(8):77.

[3]西安地裂缝场地勘察与工程设计规程：DBJ 61-6-2006[S].西安:陕西省建设厅出版社,2006

[4]Rucker M L, Holmquist O C. SurfaceSeismic Methods for Locating and Tracing Earth Fissures and other Significant Discontinuities in Cemented Unsaturated Soils and Earthen Structures[J]. ASCE, 2006:126.

[5]刘博华.中廊式混凝土框架受地裂沉降影响分析[D].西安:长安大学, 2010.

[6]万通.地裂缝活动对建筑结构影响的模拟分析[D].西安:长安大学, 2011.

[7]贾强,张鑫.地基不均匀沉降对框架结构影响的有限元分析[J].计算力学学报, 2011(2):265.

[8]混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

(编校：叶超)

Impact Analysis of Non- uniform Settlement Crack on Structural Performance Framework

SUN Chunlei

(SchoolofUrbanandRuralPlanningandArchitecturalEngineering,ShangluoCollege,Shangluo726000China)

Abstract:Crack uneven settlement is an unique geological disasters in Xi'an. As for the frame structure, displacement method was utilized to simulate the unevenness caused by ground subsidence cracks and the internal force of the frame beams and columns was analyzed based on the finite element analysis software SAP2000. . Research results show that the underlying structural beams and columns are the most disadvantaged members and the avoidance distance is 11 m to meet the conditions of the displacement in multi-frame distance in the crack site. This study would be useful for the design of ground hypospadias site framework.

Keywords:the uneven settlement of ground fissure;the concrete frame structure;the stress redistribution；required secure distance

收稿日期：2015-11-14

中图分类号：TU375.4

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)03-0107-6

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.03.022

作者简价：孙春蕾(1988—)，女，硕士研究生，主要研究方向为钢筋混凝土结构及抗震方向。

·建筑与土木工程·