某钢框架结构不均匀沉降条件下设计复核研究

黄 翔，高海军，卢淑雯，杨森浩

（中国建筑科学研究院有限公司，北京100013）

0 引 言

不均匀沉降是反映土木工程结构基础变性特征的重要指标。建筑物的地基若产生不均匀沉降，会严重危及其安全性。为保证结构安全性，并充分考虑经济性，需对在不均匀沉降条件下的结构进行模拟计算，预测出建筑物在各种工况下的安全性，并为其后续处理提供参考数据和建议。

1 工程概况

1.1 建筑物概况

某建筑物位于云南省，于2013年5月开工建设。该结构为3×4跨（东西方向3跨，南北方向4跨）、4层钢框架结构（重约1000t），每层均安装有设备（空载重约300t），总重约1300t。南北、东西每跨间距均为6m，构筑物总高度29m。钢结构示意图如图1所示。

图1 钢结构示意图

1.2 结构现状

截至2016年9月，设施基础工后累积沉降量最大超过200mm（见图2，其中1/A轴沉降量54mm，将该轴作为计算基数取值设为0；如1/E轴实际沉降量为201mm＞200mm），倾斜约5‰～6‰，方向北略偏西。结构基础不均匀沉降趋势与结构倾斜方向相符，北边沉降较大，西边次之。H型钢柱在4层扭转角度达3°～4°。结构位移现状不满足规范要求。

图2 基础相对沉降图（单位：mm）

目前已对该建筑物基础和地基进行了加固处理，加固方式为旋喷桩和锚杆静压桩。其中，锚杆静压桩直径194mm，加固深度17m。旋喷桩预钻孔孔径80mm，桩径为600mm，加固深度17m。

1.3 结构计算分析目的

目前结构各层设备和管线已经安装到位，基础累积沉降和不均匀沉降明显，结构已发生较大倾斜。本次工作旨在对该建筑物结构在当前不均匀沉降条件下进行设计复核。

设计复核工况包括停产检修、充水试压、正常操作及地震影响工况。设计复核工作将通过模型计算预测结构在未来可能工况下的安全性。

2 结构计算

2.1 计算条件

2.1.1 主要结构材料

表1 材料设计参数

型钢采用Q235B。根据GB50017－2017《钢结构设计规范》［1］，其材料设计参数如表1所示。

2.1.2 抗震设防标准

根据GB50011－2010《建筑抗震设计规范》［2］、设计院提供资料等，本工程抗震设计参数如表2所示。

表2 抗震设计参数

在计算正常操作工况下的地震影响时，考虑双向地震作用。

2.2 钢结构分析软件

本次钢结构建模计算工作基于PKPM-PMSAP软件进行。

PKPM-PMSAP是中国建筑科学研究院研发的复杂三维空间分析及设计软件，其分析功能可模拟基础沉降、恒活荷载、风荷载、地震荷载、温度荷载等作用下的钢结构变形和内力响应，可模拟常见加固手段对结构的影响。此外，PKPM软件的模型构建过程灵活简便，且具有强大的计算结果可视化功能，可承担本次钢结构安全性分析任务。

2.3 计算分析模型的构建

本次钢结构建模计算工作结构计算模型如图3所示。

图3 结构计算模型

在构件分析模型的过程中，采用的方法和基本假定如下：

1）建筑物高度较小（高度为29m）。故在分析计算中忽略P-Δ效应对结构的影响。

2）设备层除框架梁和次梁外，仅覆盖有6mm厚花纹钢板。因此不采用刚性楼板假设。

3）材料强度和应力应变关系根据我国规范采用。

4）在实际结构施工过程中，假设各层钢构件及设备自下而上逐层安装完毕。因此下层结构及设备荷载导致的变形几乎不对上层构成影响。故在计算停产检修工况时，按照自下而上的施工顺序逐层加载、分层找平的施工模拟方法。

5）当结构荷载导致柱脚存在弯矩时，随着基础沉降的发展，基础将在弯矩作用下发生转角位移，同时弯矩得到释放。计算基础位移时，将土体约束假设为线弹性弹簧，从而根据实测不均匀沉降推求基础转角位移。

6）建模过程中，柱、柱间横撑、柱间斜撑、柱间框架梁、次梁均建立为结构单元参与变形计算。忽略设备层花纹钢板的结构作用，其重量影响作为楼层载荷施加给结构。

2.4 构件模型与材料本构关系［4］

结构计算模型由两类单元组成，即等截面杆单元和等截面梁（柱）单元。前者包含柱间横撑和斜撑、柱顶与设备层主梁间斜杆；后者包括柱、设备层或夹层的框架梁和次梁。两种结构单元的本构模型简述如下：

1）等截面杆单元（见图4）。

图4 等截面杆单元示意图

等截面杆单元质量由两端节点均分，其不允许跨内荷载，只受端点集中力作用。端点载荷下，其内力表示为：

2）等截面梁（柱）单元。

等截面梁（柱）单元允许的载荷类型有：单元上集中力、集中力矩、线性分布力、非轴向的梯形分布力、均匀升温、非轴向的梯形升温等。

2.5 计算结果及分析

2.5.1 计算结果

计算将考虑构筑物基础沉降现状，并对当前不均匀沉降下的结构在停产检修、充水试压、正常操作和地震影响下的安全性进行计算分析。

详细计算结果数据量较大，选取第一层柱和框架梁构件的应力比/稳定性系数较大的部分构件计算结果以表格方式输出，停产检修工况构件强度及稳定验算计算结果如表3所示，充水试压工况构件强度及稳定验算计算结果如表4所示，正常操作（含地震作用效应工况）构件强度及稳定验算结果如表5所示。

表3 停产检修工况构件强度及稳定验算

表4 充水试压工况构件强度及稳定验算

表5 正常操作工况构件强度及稳定验算

2.5.2 计算结果分析

分析计算结果，得出如下结论：

1）在忽略结构基础不均匀沉降影响时，原设计方案在各工况下结构应力比和稳定性均满足设计要求；受到基础不均匀沉降影响，结构构件强度应力比和稳定性系数有明显增大，以柱构件最为显著；

2）受到基础不均匀沉降影响，在停产检修工况下，柱构件应力比和稳定性系数虽均不超过1，但多个构件已超过0.9；

3）受到基础不均匀沉降影响，在充水试压工况下，A/4，B/1，B/3，B/4等10个柱发现应力比或平面内外稳定性系数超过1，构件安全性存在危险；

4）在正常操作工况下，受到地震载荷影响，预测存在安全隐患的柱构件数量增加至11个；

5）梁类构件强度应力比和稳定性受不均匀沉降影响相对较小，所有框架梁均通过设计复核。

2.6 结 论

模型计算结果表明，在忽略结构基础不均匀沉降影响时，原设计方案在各工况下结构应力比和稳定性均满足设计要求。

受到基础不均匀沉降影响，结构构件强度应力比和稳定性系数有明显增大，以柱构件最为显著。根据计算结果，目前地面层存在安全隐患的柱构件数量达到11个，这些柱构件在未来投产后存在屈服或失稳的可能。

考虑到当前存在安全隐患的构件数量过多，建议对钢结构进行纠偏处理。纠偏工作旨在消除当前结构的整体倾斜，同时缓解相邻基础间的差异沉降及由此引起的内力。结构经纠偏处理后再根据施工结果确定需要加固的构件。

截至2017年5月，基础沉降已趋于稳定。但考虑到未来地面层泵机有注浆加固的可能性，建议在地基注浆加固后保持对基础沉降变化的观测。