1、基礎不均勻沉降對上部輕鋼結構的受力影響分析摘要：通過柱間沉降差異對上部結構產生的受力分析，并結合多個計算案例和某工程質量事故，對輕鋼結構廠房在結構廠房在結構設計時如何考慮基礎不均勻沉降對上部結構的受力影響提出了相關建議。關鍵詞：不均勻沉降 共同作用 輕鋼結構常規設計方法往往把上部結構和基礎作為兩個單獨單元分別考慮，一般把基礎作為上部結構的支座，在荷載作用下求得上部結構的內力和基礎固定處的反力，然后把該反力作用于彈性地基的基礎上計算基礎的內力，這種方法沒有考慮上部結構與地基基礎的共同作用，可能導致兩個結果：其一是基礎設計偏于保守；其二是沒有考慮基礎實際存在的差異沉降引起上部結構的次應力，對某些結

2、構低估了一部分結構的內力，從而使這些部位計算結果偏于不安全。1. 上部結構與基礎不均勻沉降的關系為簡化問題，下面以單層單跨和單層兩跨輕型鋼結構為例，分別對上部結構與基礎部均勻沉降的關系進行分析，其他類型的結構可采用相類似的方法分析。1.1 單層單跨輕型鋼結構與基礎不均勻沉降的關系單層單跨輕鋼結構，當支座為鉸接時，柱基間沉降差異對上部結構不會對上部結構產生次應力，故在單層單跨輕鋼結構中只需考慮固接基坑。計算分析采用有限元程序SAP2000，分析時取以下3種模型，第一種：跨度為15m，間距為6m，柱高為5m，屋面坡度為1/3，屋面恒載取0.3KN/，屋面活載取0.3KN/，柱截面取H200x400

3、x8x10，梁截面取H200x500x8x10，梁剛度折減系數為5/6；第二種：跨度為18m，梁剛度不折減，其余同第一種；第三種：跨度為24m，梁剛度增大系數為4/3，其余同第1種。分析結果見下表1.表1 單層單跨輕鋼結構上部結構與基礎不均勻沉降的關系（%）模型編號分析項目彎矩項軸力項梁剪力項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：

4、R1=沉降差異值（0.2%l）引起的次內力值/(1.2恒+1.4活)x100%；R2=沉降差異值（0.3%l）引起的次內力值/(1.2恒+1.4活)x100%；l為相鄰柱基的中心距離。分析表1可以得到以下結論：1） 柱基間沉降差異對上部結構產生的次內力中，彎矩項的影響較大，從表中可以看出，最大的可達30%，軸力和剪力影響較小，可以忽略；2） 柱間沉降差異對上部結構產生的次內力與上部結構的剛度密切相關。本文通過跨度大小來描述該問題，從表中數據可以看出，隨著鋼架跨度的增加，其影響程度相應減小。1.2 單層兩跨輕鋼結構上部結構與基礎不均勻沉降的關系計算模型是選取分兩大類:柱底鉸接合固接，選取原則為保

5、持梁柱線剛度比不變。每大類分別采用以下3種模型，第1種：雙坡型鋼架，跨度為12mX2m,間距為6m，柱高為6m，層面坡度為1/6，層面恒載取0.3KN/，層面活載取0.3KN/，柱截面取200mmX300mmX6mmX8mm，梁截面取200mmX400mmX6mmX8mm；第2種：梁柱剛度折減系數取0.8，其余同第1種；第3種：梁柱剛度折減系數取0.5，其余同第1種。分析結果見表2、3。表2 上部結構與基礎不均勻沉降的關系分析結果（柱底固接）（%）模型 編號分析項目彎矩項軸力項剪力項柱底柱端梁端梁柱柱梁邊中邊中模型1R186.152.852.8-29.246.513.5-12.265.19.8

6、R212979.279.2-43.869.820.2-18.497.714.7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相關說明同表1。表3 上部結構與基礎不均勻沉降的關系分析結果（柱底鉸接）（%）模型 編號分析項目彎矩項軸力項剪力項柱端梁端梁柱柱梁邊中邊中模型1R150.550.5-26.231.910.9-9

7、.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相關說明同表1.通過分析表2、3可以得到以下結論：1） 無論柱底鉸接和固接，柱基間沉降差異對上不結構均會產生次內力，與單層單跨結構體系柱底鉸接不產生次內力不同；2） 柱基間沉降差異對上部結構產生次內力中，彎

8、矩項的影響較大，尤其是邊節點部位，可能超過50，柱基間沉降差異產生的彎矩對于中節點是有利的；3） 柱基間沉降差異對上部結構產生的詞內力中，軸力和剪力項影響也比較大，其影響程度一般不能忽略，其中中柱軸力減小，邊柱軸力增加；4） 柱基間沉降差異對上部結構產生的次內力，與上部結構的剛度密切相關。本文通過不同柱底連接和梁柱剛度變化來描述該問題，從表中數據可以看出，柱底固接與鉸接相比，其影響程度較大，隨著梁柱剛度的減小，其影響程度相應的減小。5） 2 工程事故案例分析 2.1 浙江臺州某廠房，為兩層青鋼框架結構，竣工投入使用后，出現嚴重的不均勻沉降，梁柱節點變形明顯 。現場抽取其中一榀框架，節點變形及不

9、均勻沉降情況如圖1，已嚴重影響到房屋的正常使用和安全性要求。2.2 事故分析 為分析柱基間沉降差異對上部鋼架受力的影響，現采取以下分析參數。層面活載：0.30KN/，層面恒載（不含鋼梁）：0.20KN/；樓面恒載：4.0KN/，樓面活載：2.0KN/；受力分析時按彈性計算梁底沉降量的平均值。 分析結果如下:1） 大部分梁柱構件在基礎不均勻沉降及荷載共同作用下進行強度計算的應力超過鋼材強度設計值，載此情況下，大部分節點連接螺栓承載力不滿足要求。2） 部分鋼構件不均勻沉降產生的次內力已超過原來荷載引起的內力，且次彎矩的作用方向與節點變形趨勢一致。3） 不均勻沉降產生的次內力對不同位置的鋼構件所起的

10、影響不同，實際上是對原有結構受力的重新調整，有利和不利因素同時存在，但整體而言是不利的。4） 通過對該事故分析可以發現，有時不均勻沉降產生的次內力將直接導致結構的失效。3 結論及建議通過對計算例和某實際工程事故的仔細分析，可以得到以下結論：1） 柱底為鉸接時，柱基間沉降差異對單跨結構不產生次內力，結構設計時，滿足建筑地基基礎設計規范（GB 50072002）的變形控制要求即可。2） 除單跨結構體系柱底鉸接外，其他結構體系中柱基間沉降差異產生的次內力會對結構內力產生不利的疊加作用，甚至會引起結構的破壞，尤其是建在軟弱地基上的結構，沉降差異產生的次內力影響尤為重要，故載結構設計時，對“規范”（GB 50007-2002）的變形控制要求和沉降差異產生的次內力均應進行驗算，以免存在結構安全隱患。3） 柱基間的沉降差異對上部結構產生的影響中，彎矩項的影響最大，一般來說，剪力項載考慮彎矩的影響后可以忽略不計。4）