厂房网架结构不均匀沉降影响及处治措施研究

张允龙 柳小光 汪东林

【摘    要】：某网架结构厂房投入使用后，由于各料仓堆载及基础持力层粉质黏土厚度不均匀、地层中存在高压缩性、弱透水性的淤泥质粉质黏土，导致部分柱基产生了过大的竖向沉降。通过分析并及时采取相应处治措施，使沉降较大的支座得到垫高处理、翘起的支座得到纠偏处理、变形较大的杆件得到加固处理，及时消除了网架结构的薄弱点隐患，阻止了网架结构的受力恶化。

【关键词】：厂房； 网架; 堆载; 不均匀沉降

【中图分类号】：TU375【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）01-41-05

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.012

Study on Influence and Treatment Measures of Differential Settlement of Plant Spatial Grid Structure

ZHANG Yunlong1， LIU Xiaoguang1， WANG Donglin2

（1.Anhui Shui'an Construction Group Co. Ltd.， Hefei 230601， China；2. College of Civil Engineering， Anhui Jianzhu University，

Hefei 230601， China）

【Abstract】：After a grid structure workshop was put into use， due to the differential stacking of silos， the differential thickness of silty clay in the foundation bearing layer， and the existence of high compressibility and weak permeability of muddy silty clay in the stratum， excessive vertical settlement of some column foundations was caused. Through analysis and take timely corresponding treatment measures， the bearings with large settlement can be raised， the warped bearings can be corrected， and the bars with large deformation can be strengthened. The hidden danger of the differential part of the grid structure can be eliminated in time， and the stress deterioration of spatial grid structure can be prevented.

【Key words】：plant； grid； preloading； differential settlement

網架结构具有自重轻、刚度及跨度大、结构稳定、工期短等优点，在大跨度结构，如厂房、体育馆、影院、工业车间等工程中得到广泛应用[1～5]。

网架结构杆件分为上弦杆、下弦杆与腹杆，数量众多，属于高次超静定结构，具有复杂的结构特性。由于网架结构的柱网间距较大，相邻柱基之间发生不均匀沉降时，诱发上部网架结构不同部分杆件产生不同的附加内力与变形；当杆件附加内力与变形过大时，必然对整个网架结构的稳定性与安全性产生影响。张运田[6]探讨了支座不均匀沉降对网架结构产生的影响并提出了一些减小和防止支座不均匀沉降的具体措施。王小盾等[7]研究了老龄化升降网架结构力学性能的检测和评估方法，分析了吊顶在升降过程中重要构件的应力变化。杨明飞等[8]以某既有网架为例，对其损害情况进行客观有效的结构检测评定，对网架结构作出了安全性鉴定。张亚民[9]通过不同支座力学模型假定，考察不同支座刚度对网架变形、杆件内力及支座内力的影响。

虽然大量学者[10～14]对网架结构进行了深入研究，也发展出了适应不均匀沉降的施工技术；但关于不均匀沉降对网架结构的影响，尚存在受力机理不明确、影响幅度难以确定的问题。为此，本文以某厂房网架结构不均匀沉降为例，探讨不均匀沉降的原因及处治措施，分析不均匀沉降对杆件内力的影响，为同类工程提供一定的参考。

1 工程概况

某厂房为轻钢一层，顶部为网架结构，长约107.4 m、宽约67.1 m，主要作为砂石骨料堆场大棚。厂房采用柱下独立基础，共26根柱子，边柱尺寸为600 mm×600 mm，中柱尺寸600 mm×800 mm；钢筋混凝土独立基础，基础埋深约2.0 m，边柱基础尺寸为4.0 m×4.0 m，其余为3.6 m×3.6 m。见图1。

屋盖为四角锥网架结构，网架高度1.9～3.2 m，柱点支承，节点为螺栓球，由下部框架柱支承。网架结构设计安全等级为二级，屋面为单层0.5 mm厚820型平波板。钢管采用Q235B碳素结构钢，钢球采用45#优质碳素结构钢，封板、锥头、套筒均采用Q235B碳素结构钢。见表1和图2。

2 网架变形及原因分析

厂房投入使用后，多个柱子发生下沉，诱发网架杆件产生一定变形；其中最大竖向沉降发生⑤轴交 [D]轴处，柱基标高沉降为-0.484 m，该位置为料仓填料区，填料高度约为3～4 m。见图3和表4。

1） 厂房整体沉降呈中间大、四周小的特征。一般厂房建成后，受上部网架荷载的影响，中间柱子承受的荷载相对较大，故导致中部柱基产生的工后沉降相对较大。

2）厂房投入使用后，各料仓堆载不均匀，中间料仓堆载较大且物料使用进度也各不相同，是导致厂房产生不均匀沉降的主要原因。

3）厂房柱子中间沉降大、两边沉降小，间接改变了连续梁超静定结构受力状态，导致中间部分柱子出现反力，现场发现个别柱顶端网架已经与柱端脱离。

4） ③淤泥质粉质黏土属于高压缩性土、弱透水性，在堆载作用下易产生弹性状态下的瞬时沉降且主固结沉降进展緩慢。厂房地面大部分堆载消除后，部分柱顶上升，正是土层在弹性状态下卸载回弹引起的。

5）勘察发现②层粉质黏土厚度不均匀，在场地东西侧较厚，中间较薄且硬状态不均匀，在勘探孔2#、5#、9#孔沿线该层土软塑较多，其余可塑较多，整体呈现软塑～可塑的不均匀状态。把②层粉质黏土作为柱下独立基础持力层，其厚度及软硬程度的不均匀状态也间接加剧了厂房的不均匀沉降。

3 网架杆件受力分析与处治措施

3.1 受力分析

根据厂房设计资料，建立三维有限元分析模型，考察各柱基不均匀沉降对上部网架结构杆件内力的影响。网架杆件采用梁单元进行模拟，混凝土柱采用线弹性材料进行模拟。见表5和图4。

有限元计算主要探讨不均匀沉降对网架杆件的影响，计算步骤：初始应力平衡；激活混凝土柱、独立基础与网架，位移清零；根据实际沉降情况，指定相应混凝土柱发生一定数值的竖向沉降，考察网架内力的变化。

通过有限元计算，可得到柱基发生沉降前后任意杆件的内力数值及变化情况。由于杆件数量众多，以某沉降较大的柱基为例，给出其周边杆件的轴力与弯矩分布情况。见图5。

对比柱基不均匀沉降前后网架杆件的内力值，可得到杆件的内力变化幅度。见表6和表7。

计算表明：内力增幅较大的杆件往往位于沉降较大的柱基顶部附近。这与现场的观察结果是一致的。

钢材具有较大的抗压（抗拉）屈服强度，能承担较大的轴力，轴力承载力具有较大的安全储备；故不均匀沉降虽然导致杆件轴力增加，但大多数杆件轴力荷载仍小于其抗拉（抗拉）承载力，现场也未见被拉坏（压坏）的杆件。网架杆件属于长细结构，抗弯承载力有限，故弯矩增加幅度对杆件影响较大，现场已发现部分杆件产生了明显的弯曲变形。见图6。

3.2 处治措施

1）对部分沉降较大的支座进行顶升处理，具体做法：清理柱头松散混凝土并调整网架支座，支座底部由直径150 mm的钢管支撑，采用M22长丝螺杆穿过网架支座底板的螺栓孔，垂直焊接在原柱头预埋件上，在支座板底预留一个螺帽，拧紧到支座板，在支座板上面留置2个螺帽，距离支座板面3～5 cm；柱头支座范围内浇筑C30细石混凝土，混凝土浇筑范围留出调整网架支座千斤顶的位置及操作空间，混凝土浇筑至支座底板下螺帽下口。见图7。

2）个别网架杆件翘曲较大，应进行修补及外包槽钢加固，外包槽钢与螺栓球顶紧焊接。见图8。

3）网架边支座部分位置有翘起，可临时采用优质木材楔形垫板塞紧，后期采用钢质楔形垫板塞紧，采用M22长丝螺杆穿过网架支座底板的螺栓孔，垂直焊接在原柱头预埋件上，在支座板底预留一个螺帽，拧紧到支座板，在支座板上面留置2个螺帽，距离支座板面3～5 cm；柱头支座范围内浇筑C30细石混凝土。见图9。

4）料仓内回填土压实度不佳，而建筑地坪为200 mm后细石混凝土地面，为防止料仓堆料过高传递多余荷载至独立基础，可将建筑地坪在独立基础位置切割开来，降低料仓堆载难以直接传递给独立基础，从而减小独立基础的沉降。

5）料仓堆料高度控制在2.5～3.0 m之间，不应超过3 m。料仓应隔仓储料、隔仓清料，间隔交替使用，仓库的地面堆载应相对均匀，避免集中堆载对各别柱基产生过大附加应力。

4 结论

根据地基基础设计规范有关规定，相邻柱基的允许倾斜偏差为2/1 000柱距，反算得到本工程相邻基础允许沉降差为3.0 cm；而实际沉降差远大于该限值。由于相关措施处理得当，使过大的沉降差并未对网架结构造成严重影响。

1）柱基的不均匀沉降发现及时，早期就介入病害处治，减小了影响。部分支座在柱基沉降达到最大值之前就已局部顶升处理，使网架支座的实际不均匀沉降差最终小于表4中的柱基沉降最大值。

2）采用了图7-图9的处治措施，将沉降较大的支座垫高处理、翘起的支座纠偏处理、变形较大的杆件加固处理，及时消除了网架结构的薄弱点隐患，阻止了网架结构的受力恶化。

3）本厂房是为周边工程提供搅拌混凝土的搅拌站砂石骨料堆场大棚，在周边工程竣工后将丧失使用功能，属于临时构筑物。采用图7-图9的处治措施，综合费用较低，能确保厂房在寿命期内安全使用，是一种务实的做法；如果厂房为永久性结构，则需进一步对地基进行加固处理。加固处治后的厂房结构能正常使用，所提处治方法为同类工程提供了参考。

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收稿日期：2022-08-22

基金项目：2021年度安徽省住房城乡建设科学技术计划项目资助（2021-YF39）

作者简介：张允龙（1963 - ）， 男， 学士， 安徽亳州人， 高级工程师， 从事岩土工程勘察与设计工作。