基础不均匀沉降对上部轻钢结构的受力影响分析

基础不均匀沉降对上部轻钢结构的受力影响分析摘要：通过柱间沉降差异对上部结构产生的受力分析，并结合多个计算案例和某工程质量事故，对轻钢结构厂房在结构厂房在结构设计时如何考虑基础不均匀沉降对上部结构的受力影响提出了相关建议。关键词：不均匀沉降共同作用轻钢结构常规设计方法往往把上部结构和基础作为两个单独单元分别考虑，一般把基础作为上部结构的支座，在荷载作用下求得上部结构的内力和基础固定处的反力，然后把该反力作用于弹性地基的基础上计算基础的内力，这种方法没有考虑上部结构与地基基础的共同作用，可能导致两个结果：其一是基础设计偏于保守；其二是没有考虑基础实际存在的差异沉降引起上部结构的次应力，对某些结构低估了一部分结构的内力，从而使这些部位计算结果偏于不安全。1.上部结构与基础不均匀沉降的关系为简化问题，下面以单层单跨和单层两跨轻型钢结构为例，分别对上部结构与基础部均匀沉降的关系进行分析，其他类型的结构可采用相类似的方法分析。1.1单层单跨轻型钢结构与基础不均匀沉降的关系单层单跨轻钢结构，当支座为铰接时，柱基间沉降差异对上部结构不会对上部结构产生次应力，故在单层单跨轻钢结构中只需考虑固接基坑。计算分析采用有限元程序SAP2000，分析时取以下3种模型，第一种：跨度为15m，间距为6m，柱高为5m，屋面坡度为1/3，屋面恒载取0.3KN/㎡，屋面活载取0.3KN/㎡，柱截面取H200x400x8x10，梁截面取H200x500x8x10，梁刚度折减系数为5/6；第二种：跨度为18m，梁刚度不折减，其余同第一种；第三种：跨度为24m，梁刚度增大系数为4/3，其余同第1种。分析结果见下表1.表1单层单跨轻钢结构上部结构与基础不均匀沉降的关系（%）模型编号分析项目弯矩项轴力项梁剪力项柱底柱端梁端梁柱模型1R120.515.615.61.33.11.7R230.823.423.41.94.72.6模型2R114.511.511.50.82.21.2R221.717.217.21.23.31.8模型3R17.626.66.60.41.20.6R211.59.99.90.51.81.0注：R1=沉降差异值（0.2%l）引起的次内力值/(1.2恒+1.4活)x100%；R2=沉降差异值（0.3%l）引起的次内力值/(1.2恒+1.4活)x100%；l为相邻柱基的中心距离。分析表1可以得到以下结论：1）柱基间沉降差异对上部结构产生的次内力中，弯矩项的影响较大，从表中可以看出，最大的可达30%，轴力和剪力影响较小，可以忽略；2）柱间沉降差异对上部结构产生的次内力与上部结构的刚度密切相关。本文通过跨度大小来描述该问题，从表中数据可以看出，随着钢架跨度的增加，其影响程度相应减小。1.2单层两跨轻钢结构上部结构与基础不均匀沉降的关系计算模型是选取分两大类:柱底铰接合固接，选取原则为保持梁柱线刚度比不变。每大类分别采用以下3种模型，第1种：双坡型钢架，跨度为12mX2m,间距为6m，柱高为6m，层面坡度为1/6，层面恒载取0.3KN/㎡，层面活载取0.3KN/㎡，柱截面取200mmX300mmX6mmX8mm，梁截面取200mmX400mmX6mmX8mm；第2种：梁柱刚度折减系数取0.8，其余同第1种；第3种：梁柱刚度折减系数取0.5，其余同第1种。分析结果见表2、3。表2上部结构与基础不均匀沉降的关系分析结果（柱底固接）（%）模型编号分析项目弯矩项轴力项剪力项柱底柱端梁端梁柱柱梁边中边中模型1R186.152.852.8-29.246.513.5-12.265.19.8R212979.279.2-43.869.820.2-18.497.714.7模型2R174.748.848.8-25.244.211.6-10.457.28.4R211273.273.2-37.766.217.5-15.585.912.5模型3R14730.830.8-15.825.67.31-6.536.25.2R270.546.246.2-23.738.411-9.954.27.92注：R1、R2相关说明同表1。表3上部结构与基础不均匀沉降的关系分析结果（柱底铰接）（%）模型编号分析项目弯矩项轴力项剪力项柱端梁端梁柱柱梁边中边中模型1R150.550.5-26.231.910.9-9.350.510.9R275.875.8-39.347.916.4-13.975.816.4模型2R144.844.9-22.527.79.4-7.944.97.2R267.367.3-33.841.614.2-11.867.310.7模型3R128.228.2-14.119.85.9-4.928.24.5R242.3-39.0-39.347.916.4-13.975.86.8注：R1、R2相关说明同表1.通过分析表2、3可以得到以下结论：1）无论柱底铰接和固接，柱基间沉降差异对上不结构均会产生次内力，与单层单跨结构体系柱底铰接不产生次内力不同；2）柱基间沉降差异对上部结构产生次内力中，弯矩项的影响较大，尤其是边节点部位，可能超过50％，柱基间沉降差异产生的弯矩对于中节点是有利的；3）柱基间沉降差异对上部结构产生的词内力中，轴力和剪力项影响也比较大，其影响程度一般不能忽略，其中中柱轴力减小，边柱轴力增加；4）柱基间沉降差异对上部结构产生的次内力，与上部结构的刚度密切相关。本文通过不同柱底连接和梁柱刚度变化来描述该问题，从表中数据可以看出，柱底固接与铰接相比，其影响程度较大，随着梁柱刚度的减小，其影响程度相应的减小。5）2工程事故案例分析2.1浙江台州某厂房，为两层青钢框架结构，竣工投入使用后，出现严重的不均匀沉降，梁柱节点变形明显。现场抽取其中一榀框架，节点变形及不均匀沉降情况如图1，已严重影响到房屋的正常使用和安全性要求。2.2事故分析为分析柱基间沉降差异对上部钢架受力的影响，现采取以下分析参数。层面活载：0.30KN/㎡，层面恒载（不含钢梁）：0.20KN/㎡；楼面恒载：4.0KN/㎡，楼面活载：2.0KN/㎡；受力分析时按弹性计算梁底沉降量的平均值。分析结果如下:1）大部分梁柱构件在基础不均匀沉降及荷载共同作用下进行强度计算的应力超过钢材强度设计值，载此情况下，大部分节点连接螺栓承载力不满足要求。2）部分钢构件不均匀沉降产生的次内力已超过原来荷载引起的内力，且次弯矩的作用方向与节点变形趋势一致。3）不均匀沉降产生的次内力对不同位置的钢构件所起的影响不同，实际上是对原有结构受力的重新调整，有利和不利因素同时存在，但整体而言是不利的。4）通过对该事故分析可以发现，有时不均匀沉降产生的次内力将直接导致结构的失效。3结论及建议通过对计算例和某实际工程事故的仔细分析，可以得到以下结论：1）柱底为铰接时，柱基间沉降差异对单跨结构不产生次内力，结构设计时，满足《建筑地基基础设计规范》（GB5007—2002）的变形控制要求即可。2）除单跨结构体系柱底铰接外，其他结构体系中柱基间沉降差异产生的次内力会对结构内力产生不利的叠加作用，甚至会引起结构的破坏，尤其是建在软弱地基上的结构，沉降差异产生的次内力影响尤为重要，故载结构设计时，对“规范”（GB50007-2002）的变形控制要求和沉降差异产生的次内力均应进行验算，以免存在结构安全隐患。3）柱基间的沉降差异对上部结构产生的影响中，弯矩项的影响最大，一般来说，剪力项载考虑弯矩的影响后可以忽略不计。4）基础不均匀沉降的存在，对于不同位置钢柱的轴力有增大或减小的可能，一般设计时应该考虑钢柱轴力的增大效应。基于柱基间沉降差异对上部结构产生的受力影响分析，尤其对建在软弱地基上的建筑物，强调了结构设计时考虑不均匀沉降影响的重要性。参考文献1GB50017—2003钢结构设计规范2GB50007—2002建筑地基基础设计规范