基础不均匀沉降对上部建筑结构的位移影响研究

2021-07-15曹志飞

居业 2021年6期

关键词：楼层轴线方向

赵明曹志飞张博

(中建七局第一建筑有限公司，北京 102600)

随着经济建设的发展，多元化建筑物的大规模使用以及建筑场地地质的复杂多样性[1]，对地基的安全性和可靠性的要求更高，研究这些影响，可采用理论数值和计算机模拟软件来进行研究[2]，以系统地分析地基不均匀沉降对上部结构的影响。

1 框架结构有限元模型的建立

1.1 模型的建立

本文中的模型是一个4层4×4跨框架结构的办公楼，在有限元软件ANSYS中，beam188单元称为3D线性有限应变梁单元；因此，梁和柱采用ANSYS14.0软件beam188单元进行模拟，每层高度设为3000mm，横跨和纵跨均为4000mm；框架梁的截面尺寸(b×h)为250mm×380mm，框架柱的截面尺寸为500mm×500mm。弹性模量为28GPa，密度为2700kg/m3,泊松比为0.2。模型的结构平面图见图1。

图1 模型结构平面图

运用ANSYS有限元软件建立三维实体模型，模型在建立时，采用三维实体建模在vmesh划分时会用有十几万个node点，众多的节点需要庞大的计算系统，本文选用的是线性建模，这样的好处面对结构庞大或者复杂的模型可以减少成倍的节点，大大的减少了计算量而又不失模拟计算结果，选用“beam188”单元类型，设置该单元类型下的参数并定义材料属性；其次，定义梁单元的界面属性。建立梁柱模型并线性赋予属性，最后对框架进行mesh划分。划分后对模型进行重合。

1.2 边界条件

在模拟计算过程中由于重力因素的影响，在定义荷载值时，设置重力加速度为9.8m/s2。在定义材料时，设置钢筋混凝土的密度为2700kg/m3。基础的不均匀沉降是导致上部结构产生位移的主要原因，因此在设立边界条件时，分别针对角柱、边柱、中间柱设定一定量的沉降值，对其余柱脚进行固定端约束。

2 数值模拟结果分析

2.1 各工况下的位移变化规律

建立模型后，对欲使沉降的框架柱施加一定的沉降值，固定其余框架柱的自由约束及位移。然后运用ansys有限元软件进行计算，模拟分析基础不均匀沉降对上部建筑结构的位移及内力的影响。

设定工况1：KZ—1柱为沉降柱，分别在柱上方施加荷载使得KZ—1柱的沉降量为50mm。

工况2：KZ—3为沉降柱，分别在柱上方施加荷载使得KZ—3柱的沉降量为50mm。

工况3：KZ—13为沉降柱。分析其位移规律。

2.1.1 竖向位移

在上述三种工况下发生基础沉降时，各相应梁节点的竖向位移情况如下。

通过工况一的模拟结果可以看出，①轴的二层梁的竖向位移略大于一层梁的竖向位移，A轴上的二层梁的竖向位移同样略大于一层梁。但二者的差别较小，一层与二层梁中段的竖向位移差值最大约为0.5mm，在KZ-1柱处的两层梁的竖向位移差值约为0.1mm。且一层处沉降最大，往上依次减小。

工况二的KL-2梁与KL-3梁竖向位移整体位移趋势相同，但两层梁的竖向位移随着靠近沉降柱，竖向位移差略有加大，差值约为1.5mm。B轴上的一、二层梁的竖向位移几乎不受A轴上KL-3柱沉降的影响。KZ-3柱附近的KL-2梁与KL-3梁的沉降趋势有所改变。

工况三是KZ-13柱沉降25mm与沉降50mm时③轴上KL-28梁与KL-33梁上节点的沉降对比；结构中的最大沉降值也接近两倍。由于结构对称，所以模拟结果图形也是两侧对称。但一层梁的沉降略大于二层梁的沉降。

从楼层的水平位移数据可得，当角柱发生沉降时，X和Y方向各个轴线的水平位移都呈现出增大的趋势，距离沉降点越近，发生的位移量越大；X方向距离沉降点最近的A轴线的四层的水平位移为9.1mm，与Y方向距离沉降点最近的①轴线四层的水平位移相同，为各方向上最大的变化值。距X方向沉降点最远的E轴线的二层的水平位移和距Y方向沉降点最远的⑤轴线的二层的水平位移相同都为0.29mm，为各水平方向上增加的最小值。

边柱沉降时，X轴方向上各轴线间的水平位移，A轴线位移为正，呈现出向里移动的趋势，第四层梁节点位移为负，约为-0.17mm；Y轴方向的水平位移呈现出以③轴为对称线，最大位移出现在③轴线上约为7mm，其次为②轴与④轴，最小位移为①轴与⑤轴。