基础沉降差对上部结构的影响分析

鲍永健　贾大焕

[摘要]结构设计中应采取符合计算假定的模型进行分析，本文结合工程实例，通过有限元软件建模分析，对不同基础沉降情况下上部结构内力变化进行了分析，经比较，基础沉降差对上部结构的影响不容忽视，设计中应采取必要措施确保上部结构设计安全。

[关键词]计算假定；基础；沉降差；上部结构

1、引言

在结构设计中，对于计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应符合结构的实际工作状况，否则可能会得到截然相反的结果。例如，上部结构进行分析时常假定嵌固于基础顶面，对于基础的变形往往不予以考虑，在基础沉降较为均匀、沉降差不大时这一假定是可以接受的，而对于结构刚度、荷载差异较大时，基础沉降差的影响就较为显著了。本文针对实际工程，利用有限元分析軟件SAP2000进行分析研究，得到了有益于工程实践的结论。

2、实例分析

根据前述分析，计算上部结构假定其竖向构件嵌固在基础顶面，计算基础考虑上部荷载及传递刚度，分开建模，独立计算，各自复核指标。此计算模型假定建立在结构相邻竖向构件基础沉降均匀、沉降差可控前提下；基础沉降差对于沉降较为敏感结构体系到底有多大影响，本文结合实际工程，通过模型1～模型4的对比加以研究，基础支座条件均为固定，采用上部逐层形成刚度、逐层加载的模拟施工过程，对应基础附加变形值按现行《建筑地基基础设计规范》中有关框架结构相邻柱基的沉降差允许值以内，分别取2‰、1‰、0.5‰，以考察在规范允许范围内不同基础变形条件下对上部结构框架及柱内力变化的影响。本工程共5层，层高4.5m，每跨8.5m。以下对比中按正常办公楼附加楼面恒载。分析软件采用通用有限元分析软件SAP2000，有限元分析模型见图2.1。其中A*为框架梁边支座，B*为框架梁中间支座，C*为跨中位置。

图2.2给出模型在考虑基础沉降与否的条件下中榀框架梁的典型弯矩分布图。表2-2～表2-10给出模型1～模型4中榀框架详细的内力数值对比。

a）不考虑基础沉降差时梁弯矩图b）考虑基础沉降差时梁弯矩图

图2.2框架典型弯矩图

（其中考虑基础沉降差为相邻柱基沉降差2‰）

表2-1模型1～模型4框架梁弯矩比较（单位：KN*M，下侧受拉为正）：

由表2-1及典型弯矩图可以明显发现，随着边柱和中柱沉降差逐渐加大，在相同位置弯矩差异逐渐加大，在中间支座处甚至出现弯矩方向相反的现象，以模型2为例，相对于模型1，在1层位置框架梁边支座弯矩增大了360.9%；中间支座梁弯矩反向，由负弯矩变成正弯矩（下部受拉），反向增大了244.8%；同一沉降差下，相同楼层梁支座弯矩差异要比跨中弯矩差异大，不同楼层的梁在下部楼层弯矩差异比上部楼层更为显著；不同沉降差下相同位置梁弯矩变化幅度呈倍数关系。

由表2-2可以明显发现，随着边柱和中柱沉降差逐渐加大，在相同位置轴力差异逐渐加大，边柱轴力逐渐增大，中柱轴力逐渐减小，以模型2为例，在底层，相对于模型1，中柱轴力下降了53.2%，边柱轴力增大了23.4%；相同沉降差下，中下部柱軸力变化大于上部柱；不同沉降差下相同位置柱轴力变化幅度呈倍数关系。

3结论：

1）基础沉降差对于上部结构构件的内力影响不容忽视，考虑基础沉降后，即使按照规范限值内施加基础位移，与常规设计的上部结构内力相比也差别极大，甚至于出现内力反号的情况，沉降差越大，上部结构内力差别越大。这在常规设计中是无法考虑到的，结构配筋也是错误的。

2）在设计中不仅要根据承载力的要求设计，同时要考虑差异沉降的不利影响，否则在现有软件计算假定下得到的结果是严重失真的，对于梁、柱的设计内力取值是不安全的，必须予以高度重视。上部结构设计时，应根据基础沉降差反算上部结构由于支座竖向位移差导致的内力变化，适当加强相关构件，提高变形协调能力。

3）在结构设计时，必须采取有效措施确保设计与分析模型边界条件吻合，如对跨度较大边柱与中柱基础设计时，边柱基础面积由弯矩控制，中柱由轴力控制，两者轴力相差很大，但基础底面积相差不大，这时要有意增大中柱基础底面积，控制两者间沉降差，从而使上部结构设计时其支座条件基本符合计算假定。