摘要：地基不均匀沉降将会引发上部框架结构的内力重分配，相应产生的附加内力将可能导致上部结构构件开裂甚至破坏，本文依托于我司虹许、虹梅雨水泵站及总管新建工程，对距大直径顶管作业水平1.5m的菜市场（3跨2层框架结构）中不均匀沉降引发的内力变化及附加内力进行有限元分析，研究框架结构在顶管作业工前工后可能造成的土体影响下，边柱及中柱不均匀下沉相应引发的构件内力变化，主要包括框架结构轴力、剪力和弯矩，并由此预先制定出有效解决措施。
关键词：框架结构；不均匀沉降；有限元分析
引言
地基不均匀沉降是引起建筑物事故的重要原因之一。建筑物在建设中或建设完成后，较大的不均匀沉降在影响建筑物使用功能的同时，会引起上部结构的附加内力，严重时将会导致结构构件开裂甚至破坏。产生地基不均匀沉降的原因很多，如开发前期地勘缺漏、设计基础选型不当、后续周边地下结构施工影响等。
不同刚度的上部结构对于地基不均匀沉降的敏感性差别较大。目前，许多学者对地基不均匀沉降进行了相关的研究。顾文虎等 通过建立框架模型，研究在沉降限值的不同工况下地上框架部分内力的变化，董军等通过具体工程案例，进行地基不均匀沉降下上部钢结构非线性破坏全过程分析，并提供结构受损过程和加固变化后的详细信息。贾强等通过对三跨框架实体模型进行试验，结合数值分析，记录并研究框架结构在地基不均匀沉降下，地上结构部分产生裂缝直至破坏的全过程，并得出相应沉降理论限值。刘畅等研究地基不均匀沉降对钢结构框架上部结构的影响，将地基模拟为弹性支座，通过有限元模拟，与常用的固定支座法进行对比分析，得出不同支承条件下，不均匀沉降对结构的影响是不同的。
本文基于实体结构（两层多跨框架）在柱脚产生沉降差作用下产生附加内力的有限元模拟，探讨框架柱之间的不均匀沉降对上部框架结构内力的影响，判定现场地下施工对实物的结构安全性影响，并制定相应的预防措施，可以为同类工程结构加固提供分析方法和控制不均匀沉降的依据。
1 工程概况
本文所依托项目为虹许虹梅雨水泵站及总管新建工程，设计总管管径为Φ2200~Φ3500，总长度2965m。其中在9-10顶管区间，顶管途经一处菜市场（2层框架结构）水平距离1.5m，顶管穿越的土层为④灰色淤泥质粘土，并穿越诸家浜河。
根据现场勘查，结合菜市场相应设计资料，顶管与菜市场水平关系如下图：
图1-5 菜市场与顶管水平关系
由于顶管作业区间离菜市场结构较近，考虑到菜市场为独立基础的两层框架结构，对地基沉降引起的应力变化较为敏感，现场必须考虑顶管作业工前工后对上部土体的影响情况，并由此制定相应的结构加固及土体沉降的控制措施，现场拟根据不同的工况对菜市场结构进行有限元分析，判定顶管作业对菜市场安全性的影响。
2 有限元分析模型
根据菜市场框架结构的设计资料，制定有限元模拟的模型为7度地震区，Ⅱ类场地，设计使用年限50年，环境类别为Ⅰ类，钢筋混凝土框架结构，采用柱下独立基础，纵横向均为3跨，建筑物结构层高为4.5m，首层平面图如图1所示。
图2-1 菜市场首层结构平面图
所有构件均按照菜市场结构设计图纸设置，柱和梁的混凝土强度等级为C35，弹性模量为3.25×104N/mm2：板混凝土强度等级为C30，弹性模量为3.0×104N/ mm2，泊松比0.2，密度为2500kg /m3，钢筋选用HRB400 和HPB300，弹性模量分别为2.0×105N/mm2和2.1×105N/ mm2，梁板柱的配筋按照结构设计。本工程案例的有限元模拟，采用空间框架模型，分析软件采用通用的SAP2000。
2.1 边界条件及计算荷载设置
按照设计图纸，结构底部与地面固结，在模拟基础不均匀沉降时，采用对框架结构柱底节点施加位移荷载的方式实现。结构自重采用程序自动计算，活荷载依据设计资料，边梁不考虑围护结构荷载作用。
2.2 菜市场地基不均匀沉降工况
在有限元分析过程中，分三个工况，对框架底层不同结构柱设置相应位移值，实现框架结构不均匀沉降荷载的加载，分析不均匀沉降作用下，位移荷载引起菜市场上部结构的内力变化和附加内力情况，不均匀沉降的大小依据顶管作用土体沉降值计算，通过位置及沉降范围改变模拟菜市场所受到的沉降工况，具体荷载工况如表2.2-1所示
表2.1 不同荷载工况及沉降位移
3 有限元分析结果
3.1 梁柱弯矩影响
地基不均匀沉降，将逐渐引起结构内力重新分配，并最终达到一个与地基力相平衡的新状态。
工况一（2-2轴） 工况一（3-3轴）
工况二（2-2轴） 工况二（3-3轴）
工况三（2-2轴） 工况三（3-3轴）
图3.1 不同工况下梁、柱弯矩变化
由图3.1分析可知，不同工况下，不均匀沉降边缘外的框架柱具有一定的约束作用，仅沉降范围内及相邻跨的梁、柱弯矩受到较大的影响，并且在沉降数值增大的情况下，该影响随之增大。根据有限元分析，不均匀沉降下，沉降框架柱及附近框架柱将产生较大的弯矩，进而出现大、小偏压情况，影响构件承载能力。
3.2 梁柱剪力影响
通过有限元软件分析，针对不同工况下，可以得到梁、柱剪力变化情况如图3 所示。
工况一（2-2轴） 工况一（3-3轴）
工况二（2-2轴） 工况二（3-3轴）
工况三（2-2轴） 工况三（3-3轴）
图3.2 不同工况下梁、柱剪力变化
根据图3.2分析结果，在不均匀沉降发生范围内，各个梁及柱构件承受的剪力均有较大的变化，并呈现随沉降增大而增大的趋势，剪力变化自沉降中心向两侧逐次减少。
3.3 柱轴力影响
通过有限元分析，计算不同工况下柱轴力发生的变化如图3.3所示。
工况一 工况二 工况三
图3.3 不同工况下柱轴力变化
由图3.3中框架结构在不同工况下柱轴力发生的变化情况可以看出，框架柱内力变化在地基沉降范围内较大，远离沉降范围的区域变化较小，同时不均匀沉降对菜市场底层框架柱内力的影响大于二层、三层柱。
结合相应有限元分析数据，当出现工况三时，菜市场框架结构顶部个别梁将开始出现适筋破坏，因此，为将框架不均匀沉降控制在工况三对应荷载下，必须有效控制附近顶管作业对周边环境的影响，在顶管正式施工至此区段前，现场将采取相应措施。
4 处理措施
依据以上对菜市场结构进行地基不均匀沉降的有限元分析，现场可以明确不影响菜市场使用安全的最大地基沉降范围，确认必须对菜市场以及顶管施工采取一定的措施进行预防与处理。
4.1 结构加固
由有限元分析结果可知，对应地基沉降的柱子，其与梁的连接节点以及周边的梁及节点将产生较大的附加内力，且沉降量越大，相应附加内力越大，进而在节点处以及梁端产生裂缝。因此，现场对菜市场有限元分析的关键节点部位以及梁的薄弱部位进行碳纤维加固，增强框架结构构件的抗裂性能。
4.2 沉降隔离
为了有效隔断因沉井施工导致周边土体沉降对菜市场基础的影响，现场平行于顶管方向在管道与菜市场基础之间打设SP-IV型拉森钢板桩，拉森钢板桩桩长12m，采用H型钢在顶部做一道围檩，具体分布详见下图：
图4.1 拉森钢板桩隔离
4.3 顶管施工控制
（1）保证管壁外侧泥浆套的连续性，确保管壁外侧的泥浆套完整程度，降低沉降影响。
（2）根据菜场附近土层性质，科学计算注浆压力，顶管施工过程中保证注浆压力的稳定。
（3）机头下井前对全套机械设备进行彻底检查，保证其顶进时具有良好的性能。
（4）严格控制顶进机的施工参数，防止超、欠挖。
（5）顶进机顶进的纠偏量越小，对土体的扰动也越小。因此在顶进过程中应严格控制顶进机顶进的纠偏量，尽量减小对正面土体的扰动。
（6）施工过程中顶进速度不宜过快，一般控制在0.5cm/min左右，尽量做到均衡施工，避免在途中有较长时间的耽搁。
（7）顶管施工过程及工后对周边土层进行注浆加固，减少施工及工后土体沉降。
5 结论
采用SAP2000有限元软件，对本文所依托工程，在因顶管施工引起地基沉降的不同工况下上部框架结构的内力变化进行分析，得到以下结论：
（1）通过对沉降范围内菜市场的梁、柱内力变化进行分析，发现即使在地基基础中产生较小的沉降作用也会对上部结构内力产生较大的影响。
（2）地基不均匀沉降对沉降范围内的框架柱、梁影响比较大，且随着沉降差值增大，影响呈增大趋势。
（3）相同沉降影响范围内，底层梁的弯矩、底层柱的轴力变化要大于上层结构的梁、柱内力变化底层框架柱、梁的内力变化基本上要高于上部结构构件内力变化，且呈现逐渐减小的趋势。
采用有限元分析，在工程实际应用方面可以针对可能出现的不同工况对现有结构地基沉降造成的附加内力进行预先分析，根据分析结果除了可以准确找到结构的薄弱部分进行加固，还可以反向对影响因素的来源进行量值上的控制，从工程角度可以有效提高施工的安全性和经济性。
参考文献：
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[6]中华人民共和国住房和城乡建设部． 建筑地基基础设计规范（GB50007 － 2011）［S］． 北京：中国建筑工业出版社，2011.
论文作者:杨佳俊,李小杰,谢延锁,刘亚松,王鹏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/7
标签：工况论文; 内力论文; 不均匀论文; 地基论文; 菜市场论文; 结构论文; 框架结构论文; 《基层建设》2018年第34期论文;