门式刚架轻钢厂房不均匀沉降原因及影响分析①

王国渝，余绍锋

(同济大学土木工程学院，上海200092)

0 引 言

门式刚架轻钢结构是钢结构的一个重要分支，如果单层工业建筑采用轻型屋面和墙体材料，结构所受的重力荷载就会大大减轻，在厂房高度不大(＜20m)、仅配置小吨位吊车(＜15t)或无吊车的情况下［1］，采用门式刚架结构能够节约资源，响应国家可持续发展的号召.然而，高烈度区(＞7 度)应该注意其抗震性能.

软土主要指淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，在我国广泛分布于沿海地区和内陆江河湖泊的周围，其中沿海软土主要位于各河流的入海口处［2］.建造于软土地基上的门式刚架结构，由于软土的压缩性高、孔隙比大、流变蠕变性强等特点，常常容易产生较大的工后不均匀沉降，导致基础梁开裂，围护结构受损、桩基沉降影响吊车梁的运行安全、严重影响正常的生产作业.本文结合某工程案例，针对现场的沉降观测数据，分析沉降原因及地基的沉降对门式刚架结构安全的影响，可供同类工程参考.

图1 厂房基础平面布置图

1 工程概况

广东某单层工业组装厂房，采用双跨单坡门式刚架结构，厂房长300m，中间设一伸缩缝，跨度30m+30m，柱距为7.5m，每跨有1 台5t 吊车，檐口标高11.6m;另外，厂房西侧中部有辅助房2 层单跨混凝土框架结构，长184.5m，等分设两道伸缩缝，结构标高9.100m;厂房与辅助用房之间在地面以上设防震缝分开，厂房基础平面布置如图1 所示.

基础设计采用预应力管桩，以粗砂或砾砂层为持力层，桩径为400mm，单桩承载力特征值为900kN，实际施工管桩的桩长为24 ～26m，场地工程地质慨况如表1 所示，地下稳定平均水位埋深2.20m.

图2 墙体裂缝图

图3 基础梁裂缝图

图4 部分柱累计沉降变化曲线

表1 场地工程地质慨况

从表中的场地土质分布可以看到，厂区位于软土地基上，处于软～流塑状态的淤泥平均厚度达18.64m.地基⑤轴密封沟北侧区域均采用真空预压联合堆载(5m 高土堆载，80kPa 真空度)处理，⑤轴密封沟南侧(南端26.1m 范围)仅采取了排水板和堆载处理，厂房地基范围内设有3 条密封沟，分别设置于④～⑤轴、○17 ～○20轴、○43 ～○46轴间.真空预压和堆载时间均为6 个月.

图5 ③⑥⑦⑧轴各柱沉降差变化曲线

图6 ANSYS 厂房与辅助房整体模型

2 柱沉降观测及数据分析

2.1 柱沉降观测

该厂房安装工程完成后，从2013 年1 月开始观测柱沉降.组装厂房产生沉降的区域主要集中在组装厂房的南端，长约67.5m，宽60m，墙体多处产生裂缝(图2)，裂缝最长3 米，裂缝最宽3 ～4cm.①轴交Ⓐ，Ⓑ，Ⓒ轴处柱端头基础梁均发现有贯通的裂缝(图3).

组装厂房南端柱列沉降观测持续9 个月，其中观测前5 个月柱累计沉降量如表2 所示.⑨轴以北各柱略有沉降，故主要对9 轴以南的柱进行分析.其中Ⓐ轴柱列沉降最严重、沉降差异最大，柱A6，A7，A8 的沉降达到30mm 以上，抗风柱KFa、KFb沉降分别为32mm，62mm;Ⓑ轴柱列次之，且沉降差异大;Ⓒ轴柱列沉降最为稳定，均在9 mm 左右.对比最后时隔35 日的观测结果所有柱沉降不超过2mm，⑨轴以南各柱沉降趋于稳定状态.

表2 柱沉降量(单位:mm)

2.2 沉降数据分析

根据施工单位的观测，选取典型数据，用MATLAB 绘制出抗风柱KFa，KFb，③轴和⑦轴柱的累计沉降变化曲线图4，以及③⑥⑦⑧轴各柱沉降差变化曲线图5.

从累计沉降观测曲线来看，各柱在第36 ～80天之内产生了很大的沉降，平均速率维持在1.75～3.18mm/周，第180 天之后，沉降曲线出现了小幅上升再下降的振荡，这是所选控制基准点产生轻微沉降所致;从各柱列沉降差变化曲线看，在历经8 个月的观测后，沉降差均基本趋于稳定;⑤⑨轴之间设有托梁，⑥⑦⑧轴各柱之间的沉降差较大，其中托梁跨中部位柱A7 与C7 沉降差达52mm;无托梁刚架跨3 轴各柱沉降差相对较小，亦为22mm.

文献［3］规定，刚架横向各柱沉降差不大于0.003L，即90mm;纵向各柱沉降差不大于0.004L'，即30mm，上述观测数据表明桩基沉降均满足沉降要求.

3 地基沉降原因分析

根据沉降的观测结果，归纳不均匀沉降的主要原因有以下五个方面:

(1)①层为人工填土层，厚度5.00 ～8.10m 不等，根据重型动力触探试验成果分析，0 ～2.20m 素填土层密实度较好，呈较密实状;2.20m 以下呈松散状.因此，素填土土体在土体自重和上部荷载的作用下，会产生压密固结，从而产生不均匀沉降.

(2)②层为淤泥层，厚度16.90 ～20.90m，根据分析，场地内淤泥层呈流塑状，天然孔隙比大部份大于1.50.因此，场地内淤泥虽经处理，但未达到稳定状态，在自重固结中，淤泥不断产生压缩沉降，从而使厂房地面产生不均匀沉降.

(3)厂房主体采用桩基础，由于桩身所通过的地层为人工填土层、海陆交互相淤泥层、粉质黏土层、粗砾砂层、残积粉质黏土层，而人工填土层、淤泥层在本场地分布广泛、厚度大，两层厚度约25.30m，桩身进入稳定层约2.0 ～3.6m，部分桩不足2.0m，而预制管桩为摩擦桩，由于上部土层固结，受到负摩阻力的作用，因此26m 的管桩起作用的只有2.0 ～3.6m 的稳定层，实际已为悬臂端承桩.由于淤泥层在处理后仍呈流塑状，在周边外力的作用下，会产生位移，产生位移的淤泥对管桩也会发生作用，导致柱产生不均匀沉降.

(4)地下水的作用，本场地地下水稳定水位埋深2.10 ～2.30m，人工填土层有一半以上处在地下水中，由于人工填土层为新近填土，在地下水的作用下，填土孔隙比变大，填土中的微细颗粒随地下水流失，从而使填土层松散、软化，进而产生不均匀沉降.

(5)观测表明，Ⓐ轴与⑥～⑧轴交各柱的沉降均较大，详细的地质勘测资料表明⑦轴局部区域存在一厚度1.3 ～8.9m 的淤泥质黏土层，淤泥质黏土层底部深度为24.5m ～ 25.6m，施工桩长为24m，实际桩基并未进入砾砂层，故而导致较大的沉降.

4 沉降影响分析

根据沉降的观测数据可知，各榀刚架柱底出现了不同程度的沉降，然而各柱间的沉降差对刚架的内力有着直接的影响.现依设计单位提供的资料用ANSYS 建立厂房与辅助房的整体模型［5］(图6).

所有梁柱均采用BEAM188 单元，其中每跨横梁分为三段，两端段为变腹板高焊接H 型截面，中间段为等截面;支撑、吊车梁和纵向系杆为方便端部自由度释放，均采用BEAM44 单元，单榀的刚架截面显示如图7.

图7 单榀门式刚架截面显示

刚架正常使用条件下所受的恒活荷载之和为0.7kN/m2(不含自重)，经计算［6］，此时刚架的杆件应力水平为0.40 ～0.55.

(a)当1(或6)支座相对4 支座下降，最大弯矩3 节点处弯矩增大.设横梁跨度为L，当1，4 节点相对沉降Δ14 分别为0.5 L/1000、L/1000 ～6 L/1000，分析轴线③和⑦上刚架GJ3 内力的变化特点，绘制杆件控制内力变化幅值图8.

图8 Ⓐ轴沉降与内力变化关系

(b)当1 和6 支座均相对4 支座下降时，采用相同的方法计算刚架杆件控制内力变化图9.

(c)当1 支座相对4 支座下降，6 支座相对4支座上升时，绘制内力变化图10.

根据上述计算结果，不均匀沉降对刚架的内力影响有以下特点:

(1)随沉降差的不断增大，结构的内力变化呈线性增长.

(2)当只有Ⓐ轴柱沉降时，3 节点横梁的弯矩增大，中柱轴力有不大于10%的增幅，其他各构件控制内力均减小.由对称性原理，在仅ⒷⒸ轴同时沉降相同位移时，2 和5 节点横梁、边柱弯矩大幅增大同样均对刚架有不利的影响.

图9 Ⓐ，Ⓒ轴沉降与内力变化关系

图10 Ⓐ，Ⓑ轴沉降与内力变化关系

(3)当ⒶⒸ轴柱有相同沉降时，3 节点横梁处的负弯矩大幅增大，并伴随中柱的轴压力增大，此效应与只有Ⓐ轴柱沉降相似，但效应幅度叠加.由于对称性，实际仅有Ⓑ轴柱发生沉降，使节点2 处横梁负弯矩和ⒶⒸ轴柱轴力大幅增大.

(4)当沉降使A 轴柱相对Ⓑ轴柱下沉，Ⓒ轴柱相对Ⓑ轴柱上升时，边柱的弯矩增大，但其轴力几乎不变，故边柱安全性降低，刚架其他杆件控制内力影响不大，但杆件连接处剪力和弯矩增大会降低节点安全，故应注意分别复核.

上述计算分析表明，柱不均匀沉降对刚架部分构件和节点有不利的影响，合理的不均匀沉降限值至关重要.文献［3］和［4］规定，桥式吊车轨面沿厂房横向的允许倾斜为0.003，纵向为0.004;工业与民用建筑中高压缩性地基上的框架结构相邻柱基的沉降差不超过0.003 L，L 为跨度.图8 ～10 中标出沉降差0.003L 和0.004L 的内力变化幅值，当按照0.003L 的沉降限制控制柱基沉降差时，刚架杆件控制内力的变化幅度在25%之内，该部分附加效应使杆件的承载力降低约10% ～15%.

本工程例将GJ3 的最终沉降量作为荷载施加于结构整体模型上，计算出的杆件控制内力变化幅值在－3.82%～9.83%范围，而GJ7 的杆件控制内力变化幅值为－18.41 ～21.36%，附加效应对受力不利杆件的承载力降低不足10%.

5 结 论

从这一工程实例的不均匀沉降原因和影响分析，可以得出如下结论:

(1)软土地基上的工业厂房设计应认真做好地质勘测，特别注意软土类型与分布及工程水文地质状况，对地基承载力不足的情况，选择恰当的地基处理方法，相同的地基条件不宜运用不同的地基处理方法.

(2)为减小柱的沉降，使用摩擦型桩基时，在深厚的软土地基中应在持力层有一定的送桩深度.本案例经验表明，送桩深度大于3m，桩基沉降量均小于10mm.

(3)柱的不均匀沉降对门式刚架结构内力有一定的影响，柱的不均匀沉降应该满足规范要求.柱沉降为规范沉降差限值时，刚架杆件的控制内力的最不利波动为承载力的10 ～15%，构件和节点的设计时宜考虑其影响.

［1］ 沈祖炎，等.房屋钢结构设计［M］，北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］ 张永钧，叶书麟.既有建筑地基基础加固工程实例应用手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1981:21－23.

［3］ GB 50007－2011，建筑地基基础设计规范［S］.

［4］ JGJ 94－2008，建筑桩基技术规范［S］.

［5］ 王新敏，ANSYS 工程结构数值分析［M］，北京:人民交通出版社，2007.

［6］ CECS102:2002.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012版)［S］.