基礎(chǔ)不均勻沉降對上部輕鋼結(jié)構(gòu)的受力影響分析

1、基礎(chǔ)不均勻沉降對上部輕鋼結(jié)構(gòu)的受力影響分析摘要：通過柱間沉降差異對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的受力分析，并結(jié)合多個(gè)計(jì)算案例和某工程質(zhì)量事故，對輕鋼結(jié)構(gòu)廠房在結(jié)構(gòu)廠房在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如何考慮基礎(chǔ)不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)的受力影響提出了相關(guān)建議。關(guān)鍵詞：不均勻沉降 共同作用 輕鋼結(jié)構(gòu)常規(guī)設(shè)計(jì)方法往往把上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)作為兩個(gè)單獨(dú)單元分別考慮，一般把基礎(chǔ)作為上部結(jié)構(gòu)的支座，在荷載作用下求得上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和基礎(chǔ)固定處的反力，然后把該反力作用于彈性地基的基礎(chǔ)上計(jì)算基礎(chǔ)的內(nèi)力，這種方法沒有考慮上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用，可能導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果：其一是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)偏于保守；其二是沒有考慮基礎(chǔ)實(shí)際存在的差異沉降引起上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力，對某些結(jié)

2、構(gòu)低估了一部分結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，從而使這些部位計(jì)算結(jié)果偏于不安全。1. 上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)不均勻沉降的關(guān)系為簡化問題，下面以單層單跨和單層兩跨輕型鋼結(jié)構(gòu)為例，分別對上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)部均勻沉降的關(guān)系進(jìn)行分析，其他類型的結(jié)構(gòu)可采用相類似的方法分析。1.1 單層單跨輕型鋼結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)不均勻沉降的關(guān)系單層單跨輕鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)支座為鉸接時(shí)，柱基間沉降差異對上部結(jié)構(gòu)不會對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力，故在單層單跨輕鋼結(jié)構(gòu)中只需考慮固接基坑。計(jì)算分析采用有限元程序SAP2000，分析時(shí)取以下3種模型，第一種：跨度為15m，間距為6m，柱高為5m，屋面坡度為1/3，屋面恒載取0.3KN/，屋面活載取0.3KN/，柱截面取H200x400

3、x8x10，梁截面取H200x500x8x10，梁剛度折減系數(shù)為5/6；第二種：跨度為18m，梁剛度不折減，其余同第一種；第三種：跨度為24m，梁剛度增大系數(shù)為4/3，其余同第1種。分析結(jié)果見下表1.表1 單層單跨輕鋼結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)不均勻沉降的關(guān)系（%）模型編號分析項(xiàng)目彎矩項(xiàng)軸力項(xiàng)梁剪力項(xiàng)柱底柱端梁端梁柱模型1R120.515.615.61.33.11.7R230.823.423.41.94.72.6模型2R114.511.511.50.82.21.2R221.717.217.21.23.31.8模型3R17.626.66.60.41.20.6R211.59.99.90.51.81.0注：

4、R1=沉降差異值（0.2%l）引起的次內(nèi)力值/(1.2恒+1.4活)x100%；R2=沉降差異值（0.3%l）引起的次內(nèi)力值/(1.2恒+1.4活)x100%；l為相鄰柱基的中心距離。分析表1可以得到以下結(jié)論：1） 柱基間沉降差異對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次內(nèi)力中，彎矩項(xiàng)的影響較大，從表中可以看出，最大的可達(dá)30%，軸力和剪力影響較小，可以忽略；2） 柱間沉降差異對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次內(nèi)力與上部結(jié)構(gòu)的剛度密切相關(guān)。本文通過跨度大小來描述該問題，從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著鋼架跨度的增加，其影響程度相應(yīng)減小。1.2 單層兩跨輕鋼結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)不均勻沉降的關(guān)系計(jì)算模型是選取分兩大類:柱底鉸接合固接，選取原則為保

5、持梁柱線剛度比不變。每大類分別采用以下3種模型，第1種：雙坡型鋼架，跨度為12mX2m,間距為6m，柱高為6m，層面坡度為1/6，層面恒載取0.3KN/，層面活載取0.3KN/，柱截面取200mmX300mmX6mmX8mm，梁截面取200mmX400mmX6mmX8mm；第2種：梁柱剛度折減系數(shù)取0.8，其余同第1種；第3種：梁柱剛度折減系數(shù)取0.5，其余同第1種。分析結(jié)果見表2、3。表2 上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)不均勻沉降的關(guān)系分析結(jié)果（柱底固接）（%）模型 編號分析項(xiàng)目彎矩項(xiàng)軸力項(xiàng)剪力項(xiàng)柱底柱端梁端梁柱柱梁邊中邊中模型1R186.152.852.8-29.246.513.5-12.265.19.8

6、R212979.279.2-43.869.820.2-18.497.714.7模型2R174.748.848.8-25.244.211.6-10.457.28.4R211273.273.2-37.766.217.5-15.585.912.5模型3R14730.830.8-15.825.67.31-6.536.25.2R270.546.246.2-23.738.411-9.954.27.92注：R1、R2相關(guān)說明同表1。表3 上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)不均勻沉降的關(guān)系分析結(jié)果（柱底鉸接）（%）模型 編號分析項(xiàng)目彎矩項(xiàng)軸力項(xiàng)剪力項(xiàng)柱端梁端梁柱柱梁邊中邊中模型1R150.550.5-26.231.910.9-9

7、.350.510.9R275.875.8-39.347.916.4-13.975.816.4模型2R144.844.9-22.527.79.4-7.944.97.2R267.367.3-33.841.614.2-11.867.310.7模型3R128.228.2-14.119.85.9-4.928.24.5R242.3-39.0-39.347.916.4-13.975.86.8注：R1、R2相關(guān)說明同表1.通過分析表2、3可以得到以下結(jié)論：1） 無論柱底鉸接和固接，柱基間沉降差異對上不結(jié)構(gòu)均會產(chǎn)生次內(nèi)力，與單層單跨結(jié)構(gòu)體系柱底鉸接不產(chǎn)生次內(nèi)力不同；2） 柱基間沉降差異對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次內(nèi)力中，彎

8、矩項(xiàng)的影響較大，尤其是邊節(jié)點(diǎn)部位，可能超過50，柱基間沉降差異產(chǎn)生的彎矩對于中節(jié)點(diǎn)是有利的；3） 柱基間沉降差異對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的詞內(nèi)力中，軸力和剪力項(xiàng)影響也比較大，其影響程度一般不能忽略，其中中柱軸力減小，邊柱軸力增加；4） 柱基間沉降差異對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次內(nèi)力，與上部結(jié)構(gòu)的剛度密切相關(guān)。本文通過不同柱底連接和梁柱剛度變化來描述該問題，從表中數(shù)據(jù)可以看出，柱底固接與鉸接相比，其影響程度較大，隨著梁柱剛度的減小，其影響程度相應(yīng)的減小。5） 2 工程事故案例分析 2.1 浙江臺州某廠房，為兩層青鋼框架結(jié)構(gòu)，竣工投入使用后，出現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻沉降，梁柱節(jié)點(diǎn)變形明顯 ?，F(xiàn)場抽取其中一榀框架，節(jié)點(diǎn)變形及不

9、均勻沉降情況如圖1，已嚴(yán)重影響到房屋的正常使用和安全性要求。2.2 事故分析 為分析柱基間沉降差異對上部鋼架受力的影響，現(xiàn)采取以下分析參數(shù)。層面活載：0.30KN/，層面恒載（不含鋼梁）：0.20KN/；樓面恒載：4.0KN/，樓面活載：2.0KN/；受力分析時(shí)按彈性計(jì)算梁底沉降量的平均值。 分析結(jié)果如下:1） 大部分梁柱構(gòu)件在基礎(chǔ)不均勻沉降及荷載共同作用下進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的應(yīng)力超過鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，載此情況下，大部分節(jié)點(diǎn)連接螺栓承載力不滿足要求。2） 部分鋼構(gòu)件不均勻沉降產(chǎn)生的次內(nèi)力已超過原來荷載引起的內(nèi)力，且次彎矩的作用方向與節(jié)點(diǎn)變形趨勢一致。3） 不均勻沉降產(chǎn)生的次內(nèi)力對不同位置的鋼構(gòu)件所起的

10、影響不同，實(shí)際上是對原有結(jié)構(gòu)受力的重新調(diào)整，有利和不利因素同時(shí)存在，但整體而言是不利的。4） 通過對該事故分析可以發(fā)現(xiàn)，有時(shí)不均勻沉降產(chǎn)生的次內(nèi)力將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。3 結(jié)論及建議通過對計(jì)算例和某實(shí)際工程事故的仔細(xì)分析，可以得到以下結(jié)論：1） 柱底為鉸接時(shí)，柱基間沉降差異對單跨結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生次內(nèi)力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，滿足建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50072002）的變形控制要求即可。2） 除單跨結(jié)構(gòu)體系柱底鉸接外，其他結(jié)構(gòu)體系中柱基間沉降差異產(chǎn)生的次內(nèi)力會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不利的疊加作用，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)的破壞，尤其是建在軟弱地基上的結(jié)構(gòu)，沉降差異產(chǎn)生的次內(nèi)力影響尤為重要，故載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對“規(guī)范”（GB 50007-2002）的變形控制要求和沉降差異產(chǎn)生的次內(nèi)力均應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算，以免存在結(jié)構(gòu)安全隱患。3） 柱基間的沉降差異對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響中，彎矩項(xiàng)的影響最大，一般來說，剪力項(xiàng)載考慮彎矩的影響后可以忽略不計(jì)。4）