某桁架结构与地基基础共同作用分析

杜福根

某桁架结构与地基基础共同作用分析

杜福根

针对某些情况下,地基变形会对结构内力产生较大影响的情况,通过对某一桁架结构的分析表明,在地基变形较不均匀时,忽略结构与地基基础共同作用会导致结构不安全,以指导相关设计人员注意这一影响。

基床系数,地基沉降,共同作用

1 工程概况

某焊接钢管桁架体系结构跨度 56m,高 12m,宽 2m,构件采用矩形钢管,见图 1。由于上部结构体系不规则,柱下荷载非常不均匀,且有拉力存在,因此地基变形很不均匀,需要考虑地基变形对上部结构的影响[1]。

2 地基沉降分析

计算结构与地基基础的共同作用,首先需要确定在上部荷载作用下的沉降量。目前计算地基沉降的方法主要有两种[2]：文克尔地基模型,分层地基模型。文克尔地基模型假定地基上任一点所受的压力强度 P与该点的地基沉降S成正比,即P=kS,其中,k为基床系数。根据这个假定,地基上某点的沉降与其他点上作用的压力无关,也就是把地基当作无数分隔开的,互不相干的小土柱;也可以把地基看作是一群不相联的弹簧体;由于它忽略了地基土中剪应力的存在,认为地基的沉降只发生在基底范围以内,这与实际情况不符。因而,此模型仅适用于抗剪强度很低的半液态土等特殊地基。分层总和法假定土在完全侧限条件下,其压缩变形与附加应力成正比。根据这个假定,地基被当作线性变形体,因而,地基沉降可以用叠加原理,将压缩层范围内各计算分层在完全侧限条件下的压缩量累积起来。这种地基模型较好地反映了地基土扩散应力和变形能力,考虑了土层沿深度和平面上的变化及非均质性。但是,由于它只能计及地基土的压缩变形,未考虑到基底反力的塑性重分布。一般来说,分层地基模型适合所有地基。现行规范[3]在计算地基变形时,采用的就是分层地基模型,地基内的应力分布采用各向同性均质的直线变形体理论,最终沉降按分层总和法计算并通过沉降计算经验系数进行修正。

文克尔地基模型计算简单,适宜于在有限元分析中使用,然而,基床系数实际上取决于许多复杂的因素,而非单纯表征土的力学性质的计算指标,另外,其数值变动的幅度之大,也说明了其难以准确确定。本文首先采用分层地基模型计算上部荷载作用下的地基沉降量。为便于有限元分析,再根据地基沉降量计算地基的基床系数。依据勘察结果表明,场地表层被广泛的人工填土层所覆盖,然后是由粉土、砾砂层所组成;在其下部为第四纪上更新世河湖相沉积的黄绿色的粉土、粉质粘土层所组成。在钻探深度内可见地下水出现且埋藏相对较浅。根据岩土工程勘察报告,选用砾砂层作为持力层。根据分层总和法计算的地基沉降,选取地基基床系数为 5 000 kN/m3。

由图 2可见,结构基础分左右两部分。为减少地基变形,在设计中通过计算确定了基础的高度,以使基础具有较大刚度。图2给出了地基在上部荷载作用下的变形。从图 2中可见,地基的变形均为直线变化,反映了基础的良好刚度。但是由于左部分柱的支座反力差异较大,导致地基变形向一侧倾斜,而右部地基的变形较为均匀。

3 结构与地基基础共同作用对结构内力的影响

图 3给出了结构与地基基础共同作用对结构内力的影响。从图 3中可见,结构与地基基础共同作用对结构内力有较大影响。例如,若不考虑结构与地基基础共同作用,最大轴压力将被低估 15%,最大轴拉力将被低估 30%。因此设计中,若不考虑结构与地基基础共同作用,将低估部分杆件内力,导致设计结果偏于不安全。

4 结语

当地基沉降不均匀时,对上部结构内力分布有较大影响。对一桁架结构的分析表明,若不考虑结构与地基基础共同作用,部分杆件内力将被低估,导致设计结果偏于不安全,工程设计中应充分注意这一影响。

[1]杨炳麟.框架结构和基础联合分析的近似算法[M].北京：中国水利水电出版社,2007.

[2]朱炳寅.高层建筑筏基设计方法的分析与探索[J].建筑结构,1999(4)：54-57.

[3]GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].

[4]刘立东.型钢混凝土桁架转换结构的应用[J].山西建筑,2010,36(8)：76-77.

Analysis on mutual action between truss structure and foundation base

DU Fu-gen

In light of great impacts of foundation deformation on structural internal force,through analyzing some truss structure,it proves that neglectingmutual action between structure and foundation base can lead to unsafe structure under the condition of uneven foundation deformation,with a view to cause designer's attention.

foundation soil coefficient,foundation settlement,mutualaction

TU470

B

1009-6825(2011)09-0091-02

2010-11-25

杜福根(1975-),男,工程师,上海月星控股集团有限公司,上海 200070