大型公共建筑地基沉降分析研究

颜子奇 赵 准 杜旭冉 陈立永 李 建

(1.北京首都国际机场有限公司，北京 100621；2.中冶检测认证有限公司，北京 100088)

0 前 言

结构构件老化锈蚀、使用中超载、地基不均匀沉降等问题是影响大型公共建筑安全和使用的主要因素.其中地基不均匀沉降是常见隐患之一[1-2].某大型公共建筑建设于2008年，中心区域为地下三层，地上二～三层，基础为桩基，主体结构为钢筋混凝土框架结构，屋顶为钢管柱支撑的螺栓球网架结构.基础为独立基础，采用端承摩擦型钻孔灌注桩基础，自建成使用至今多处外围地面出现不均匀沉降，室内框架结构隔墙多处出现裂缝.为掌握沉降变形的分布和发展变化情况，对建筑主体结构与内外部回填土的沉降进行了两年的监测.

本文针对某大型公共建筑沉降问题，在对沉降监测数据分析、外观裂缝检测和结构验算分析的基础上，对目前沉降状况及对结构安全影响进行了深入的分析研究，并得出了相应的研究结论.

1 沉降监测结果

根据建筑结构情况，对主体结构主要部位，具有代表性部位进行布点进行沉降测量[3]，沉降监测为期两年，共计对主体结构监测23次，沉降监测使用DINI03级精度的精密水准仪和铟钢尺，得出数据如下.

主体结构共20处测点的最终总沉降量见图1(单位为mm)：

图1 沉降监测统计结果

沉降监测统计结果为：最大累计沉降量为-4.04 mm，最小累计沉降量为-1.49 mm，最大不均匀沉降差为2.55 mm，最小不均匀沉降差为0.24 mm，平均沉降量为-2.53 mm，百日平均沉降量为-0.696 mm/100 d，在本观测期间主体沉降变形量较小但监测数据变化有幅动.

2 外观裂缝检测结果

对现场结构的外观情况进行检测，地基连梁处未发现明显的裂缝和较大变形，工作正常；通过现场检查发现框架结构中的部分隔墙存在裂缝，且存在不稳定发展的迹象，裂缝在墙体上分布不规律，主体结构未出现裂缝.上部网架未发现因地基不均匀沉降产生变形和损伤.

3 极限状态计算分析

鉴于大跨结构，结构形式复杂、结构构件截面尺寸多样，需经过验算来说明该结构的安全状态.此次分析计算主要采用midas计算软件进行模拟计算.首先，根据现场沉降监测结果分析目前沉降对结构影响.其次针对具体结构计算分析极限沉降差作为后期监测判断标准.研究分析结构在地基不均匀沉降作用下的变形特征，该结构在地基不均匀沉降作用下的敏感构件是独立基础之间的混凝土连梁和上部钢结构，因此，本研究以混凝土连梁计算和上部结构网架计算为对象，以基础连梁混凝土裂缝宽度达到0.4 mm限值[4]和上部钢结构变形达到lo/400变形值[5]作为结构在不均匀沉降作用下的极限状态，其中，混凝土裂缝宽度达到0.4 mm限值，基本相当于结构的使用极限状态.

3.1 混凝土连梁计算分析

结构的分析计算采用midas计算软件软件进行模拟分析，模拟三跨混凝土连续梁，节点位置设有支座约束，模型如图2.

图2 三跨混凝土连续梁模型

结构建模后，根据设计荷载参数且考虑最不利荷载组合的前提下，进行结构建模计算分析.其中，结构在最不利荷载组合下的验算结果如下：

根据现场监测结果数据该工程主体结构最大沉降差为2.55 mm，以目前沉降状况对该结构基础连梁进行验算.分析现状是对结构造成的影响，根据现场实际构造情况与检测数据采用三跨的连梁进行分析.

该模型根据现场最不利的荷载组合和第二个支座下沉2.55 mm的附加应力进行结构建模计算分析.验算结果如下：

图3 混凝土连梁第二支座下沉2.55 mm内力图

由计算结果可见，在目前沉降差情况下，连梁的最大内力出现在第三支座的负弯矩处其值为-761.1 kN·m.考虑混凝土0.8的松弛系数并根据连梁实际尺寸与配筋进行验算，得出混凝土连梁最大裂缝宽度为0.136 mm其结果满足结构构件最大裂缝宽度限值，目前实测结构没有达到正常使用极限状态.

图4 混凝土结构右柱下沉24 mm内力图

经过试验验算，以混凝土连梁裂缝宽度达到0.4 mm限值为计算的极限状态下，在考虑沉降差情况下当第二支座沉降24 mm时，梁最大内力出现在第三支座的负弯矩处其值为-1267.9 kN·m.考虑混凝土0.8的松弛系数[6]并根据连梁实际尺寸与配筋进行验算，得出混凝土连梁最大裂缝宽度为0.395 mm其结果基本达到三级裂缝控制限值0.4 mm.

根据《建筑地基基础设计规范》中规定该结构的不均匀沉降限值为18.9 mm，由计算可知该结构不均匀沉降达到24 mm后产生的附加弯矩方可达到混凝土极限拉应变的极限值，由此可见规范限值较本结构的实际限值较严格，本文研究结构的不均匀沉降控制值较《建筑地基基础设计规范》限值大27%.

对同一高跨比的连梁进行验算，比较不同跨度受同一沉降工况对连梁内力的影响.梁高选用跨度的1/10，梁宽选用梁高的1/2.分别验算9 m、12 m、15 m、18 m跨梁的裂缝极限值所需沉降差，得出结构如下：

9 m跨度不均匀沉降差21 mm时达到裂缝控制限值，其比值为1/429；12 m跨度不均匀沉降差27 mm时达到裂缝控制限值，其比值为1/444；15 m跨度不均匀沉降差33 mm时达到裂缝控制限值，其比值为1/455；18 m跨度不均匀沉降差40 mm达到裂缝控制限值，其比值为1/450.

由以上可知，不同跨度沉降差比值为1/429～1/455之间，略大于《建筑地基基础设计规范》规定框架结果沉降差比值1/476.根据实际检测结果，基础连梁未见沉降裂缝的状况表明，对于大跨空间结构，地基不均匀沉降差值可按正常使用极限状态下容许裂缝宽度的限值作为控制状态，且在验算时考虑混凝土松弛的有利影响.

3.2 上部钢结构计算分析

对上部钢结构网架进行模拟分析，模型如图5.

图5 钢结构网架模型

结构建模后，根据设计荷载参数且考虑最不利荷载组合的前提下和随机抽出10个支撑点下沉24 mm的附加应力，进行结构建模计算分析.考虑了正常使用荷载组合和沉降偏差附加力共同对主体结构的影响，验算结果如下：

图6 钢网架杆件轴力图

图7 钢网架整体变形位移图

经过计算，支撑点沉降虽然引起了周围杆件应力增加，但未超过受力最大杆件的应力，并且结构中所有的杆件内力都未超过设计强度.

经过计算，支撑点沉降虽然引起了周围杆件变形较大，对应基础不均匀沉降为24 mm时，上部结构最大挠度变形为1/517，但仍未超过该结构变形的最大值，该结构的变形满足规范正常使用极限状态要求.

由混凝土结构与钢网架结构结构计算分析可知，混凝土结构这种刚性连接的结构的内力受不均匀沉降影响较大，且易产生裂缝.不均匀沉降对大跨度的钢网架结构这种柔性较大的结构影响较小.结构在地基不均匀沉降变形作用下的控制因素为独立基础之间连梁混凝土抗拉极限应变和裂缝宽度.

4 结 论

通过上述的监测数据与计算分析得出结论如下：

1)大跨重要建筑进行长期的沉降监测，并依据监测数据对结构的安全性和使用性进行分析评估，是进行结构使用维护的重要措施.

2)大跨结构在不均匀沉降作用下，应按正常使用极限状态下基础连梁裂缝宽度与上部钢结构变形作为控制限值，可分别按基础连梁混凝土裂缝宽度0.4 mm或上部钢结构变形达到lo/400变形限值进行验算，本文研究的结构地基不均匀沉降极限状态对应连梁混凝土开裂状态.

3)与规范限值相比，本文研究的大跨结构的沉降差限值偏大27%，表明大跨结构基础沉降差限值应根据具体结构计算分析确定.