基础不均匀沉降对上部框架结构影响的有限元分析

王荷菲，刘 珺

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

随着我国社会的高速发展，建筑行业也是欣欣向荣.但是仍存在许多不可忽视的隐患，其中地基的沉降对结构安全和使用所造成的隐患就比较常见.由于地基的不均匀沉降引起的事故频发，位于意大利托斯卡纳省比萨城北面的奇迹广场上的比萨斜塔的倾斜角度达到了3.99度，偏离地基外沿2.5米，顶层突出4.5米[1]；2009年6月27日早晨5时30分左右，在没有任何先兆的情况下，位于上海闵行区莲花南路、罗阳路路口的“莲花河畔景苑”一栋13层在建住宅楼突然倒塌；2014年5月12日，韩国忠清南道牙山市一栋正在建设中的7层房屋严重倾斜并临近倒塌，造成此房屋产生倾斜的原因是地基不稳[2].学者们开始根据不同情况，不同条件，运用不同的方法进行研究和分析，得到了许多基础不均匀沉降方面的成果[3-5].任庆伟[6]分析了软土地区的地基不均匀沉降对框架结构的影响；叶坤、周磊[7]以实际的工程模型为研究对象，利用SAP2000软件模拟研究了地基不均匀沉降对上部结构的裂缝、应力影响的规律.地基基础的不均匀沉降会改变基地反力的大小和方向，从而导致其上部结构的内力重分布，强度、刚度、稳定性受到破坏.故而，分析基础沉降对上部框架结构的影响具有最重要的意义.本文基于ANSYS有限元软件建立了某高层框架-筒体结构模型，通过对不同工况下基础沉降对上部结构影响的研究分析，得到相关结论.

1 用有限元软件ANSYS建立模型

该模型[8](p206-p207)为某一框架—筒体结构，总高度54m，18层，层高3m，结构平面图和模型参数表分别如下：

图1 结构平面图(单位:m)

表1 -1 模型参数表

取梁的单元类型为beam188，筒体、楼板及外墙单元类型为shell63，结合模型参数表和结构平面图用ANSYS有限元软件建立模型如图2.其中坐标原点为KZ1柱最底层截面形心，结合图1图2所示X轴方向从左到右为正，Y轴方向从下到上为正，Z轴方向竖直向上为正.

图2 整个有限元模型

2 各工况ANSYS模拟分析

赵欣[10]从基础整体性方面考虑了整个结构在两端沉降、中间沉降以及一端阶梯状条件下结构的整体位移情况，得到了相关数据和结论，所以本文仅从地基基础均匀沉降与不均匀沉降两方面去模拟分析，没有考虑基础整体性作用.在所建模型上，对每个工况下选择的沉降柱给定一个向下的位移，其他柱的自由度为0，于是模拟了基础的不均匀的沉降.接着用ANSYS软件进行运算，来模拟分析基础不均匀沉降对上部框架结构应变的影响.S1工况的沉降柱为KZ16，S2工况的沉降柱为KZ3，S3工况的沉降柱为 KZ4，S4工况的沉降柱分别为KZ14、KZ15、KZ16，其中KZ15沉降量是其他所有沉降柱的两倍.计算时取Z轴方向向下沉降0.01m，KZ15沉降量为0.02m.

2.1 各工况下节点竖向位移曲线图及各工况的总位移云图

图3 各工况节点的竖向位移曲线

2.2 分析结论

（1)从图3各工况节点的竖向位移曲线可以看出：当地基基础发生不均匀沉降时，与沉降柱相近的梁、板、柱和墙受到的影响较大，当与沉降柱距离的增加时，其受到的影响降低；在相同沉降量的情况下，边跨角柱的沉降造成的影响比边跨中柱的沉降造成的影响大，长跨中的沉降柱沉降的影响比短跨大；

图4 S2工况总位移云图

图5 S4工况总位移云图

（2）由于S4工况下的沉降量与其他工况不同(其中KZ15沉降量是其他沉降柱沉降量的两倍),从图3中S4工况竖向位移曲线可以看出：基础沉降量越大，其造成的影响越大；

（3）从图4和图5两种工况的总位移云图可以看出：沉降柱在Z轴方向的沉降逐渐扩散到了顶部楼层，1至9层位移增长较慢，10至18层增长较快，并且位移量趋于叠加趋势增长，而与沉降柱相邻较远的其他柱的整个上部楼层结构所受到的影响比较小，且距离沉降柱越远上部结构所受的影响越小；

（4）结合图3、图4以及图5可以看出：沉降量越大对顶层和底层的影响就越大，沉降影响较严重部位主要集中在沉降柱所在位置的底层和顶层.

图6 S1工况总位移云图

图7 S3工况总位移云图

3 结语

一旦框架结构特别是高层框架结构的地基基础发生不均匀沉降时，会引起沉降周围结构以及上部结构内力重分布进而产生新的位移，使框架结构底层产生下挠和倾覆，上部结构的位移会逐层叠加，甚至会导致结构倾斜，对居住人员和建筑物周边行人的安全造成很大的影响.若地基刚度均匀，则在高层框架结构长期的重力作用下，会呈现趋于中间沉降大，两边沉降小的盆式曲线[9]（p33-p34).为此，高层框架结构在设计时，应考虑使用不均匀刚度地基且提高基础的整体刚度，避免或延缓盆式沉降的发生.其次，可在地基基础部位设置沉降缝，加强薄弱环节，减少上部结构的不均匀沉降.本文仅仅是考虑了基础的竖向沉降情况下的分析研究而没有考虑水平的风荷载以及地震作用荷载的情况，故对于复杂的耦合条件下的地基沉降对高层框架结构的影响还需进一步分析和研究.