顏?zhàn)悠?趙 準(zhǔn) 杜旭冉 陳立永 李 建

(1.北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)有限公司，北京 100621；2.中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司，北京 100088)

0 前 言

結(jié)構(gòu)構(gòu)件老化銹蝕、使用中超載、地基不均勻沉降等問(wèn)題是影響大型公共建筑安全和使用的主要因素.其中地基不均勻沉降是常見(jiàn)隱患之一[1-2].某大型公共建筑建設(shè)于2008年，中心區(qū)域?yàn)榈叵氯龑?，地上二～三層，基礎(chǔ)為樁基，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋頂為鋼管柱支撐的螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu).基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)，采用端承摩擦型鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，自建成使用至今多處外圍地面出現(xiàn)不均勻沉降，室內(nèi)框架結(jié)構(gòu)隔墻多處出現(xiàn)裂縫.為掌握沉降變形的分布和發(fā)展變化情況，對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)與內(nèi)外部回填土的沉降進(jìn)行了兩年的監(jiān)測(cè).

本文針對(duì)某大型公共建筑沉降問(wèn)題，在對(duì)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、外觀裂縫檢測(cè)和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析的基礎(chǔ)上，對(duì)目前沉降狀況及對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響進(jìn)行了深入的分析研究，并得出了相應(yīng)的研究結(jié)論.

1 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)情況，對(duì)主體結(jié)構(gòu)主要部位，具有代表性部位進(jìn)行布點(diǎn)進(jìn)行沉降測(cè)量[3]，沉降監(jiān)測(cè)為期兩年，共計(jì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)23次，沉降監(jiān)測(cè)使用DINI03級(jí)精度的精密水準(zhǔn)儀和銦鋼尺，得出數(shù)據(jù)如下.

主體結(jié)構(gòu)共20處測(cè)點(diǎn)的最終總沉降量見(jiàn)圖1(單位為mm)：

圖1 沉降監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

沉降監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：最大累計(jì)沉降量為-4.04 mm，最小累計(jì)沉降量為-1.49 mm，最大不均勻沉降差為2.55 mm，最小不均勻沉降差為0.24 mm，平均沉降量為-2.53 mm，百日平均沉降量為-0.696 mm/100 d，在本觀測(cè)期間主體沉降變形量較小但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化有幅動(dòng).

2 外觀裂縫檢測(cè)結(jié)果

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的外觀情況進(jìn)行檢測(cè)，地基連梁處未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫和較大變形，工作正常；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)中的部分隔墻存在裂縫，且存在不穩(wěn)定發(fā)展的跡象，裂縫在墻體上分布不規(guī)律，主體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫.上部網(wǎng)架未發(fā)現(xiàn)因地基不均勻沉降產(chǎn)生變形和損傷.

3 極限狀態(tài)計(jì)算分析

鑒于大跨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸多樣，需經(jīng)過(guò)驗(yàn)算來(lái)說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài).此次分析計(jì)算主要采用midas計(jì)算軟件進(jìn)行模擬計(jì)算.首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析目前沉降對(duì)結(jié)構(gòu)影響.其次針對(duì)具體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析極限沉降差作為后期監(jiān)測(cè)判斷標(biāo)準(zhǔn).研究分析結(jié)構(gòu)在地基不均勻沉降作用下的變形特征，該結(jié)構(gòu)在地基不均勻沉降作用下的敏感構(gòu)件是獨(dú)立基礎(chǔ)之間的混凝土連梁和上部鋼結(jié)構(gòu)，因此，本研究以混凝土連梁計(jì)算和上部結(jié)構(gòu)網(wǎng)架計(jì)算為對(duì)象，以基礎(chǔ)連梁混凝土裂縫寬度達(dá)到0.4 mm限值[4]和上部鋼結(jié)構(gòu)變形達(dá)到lo/400變形值[5]作為結(jié)構(gòu)在不均勻沉降作用下的極限狀態(tài)，其中，混凝土裂縫寬度達(dá)到0.4 mm限值，基本相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的使用極限狀態(tài).

3.1 混凝土連梁計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算采用midas計(jì)算軟件軟件進(jìn)行模擬分析，模擬三跨混凝土連續(xù)梁，節(jié)點(diǎn)位置設(shè)有支座約束，模型如圖2.

圖2 三跨混凝土連續(xù)梁模型

結(jié)構(gòu)建模后，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載參數(shù)且考慮最不利荷載組合的前提下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模計(jì)算分析.其中，結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下的驗(yàn)算結(jié)果如下：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)該工程主體結(jié)構(gòu)最大沉降差為2.55 mm，以目前沉降狀況對(duì)該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)連梁進(jìn)行驗(yàn)算.分析現(xiàn)狀是對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際構(gòu)造情況與檢測(cè)數(shù)據(jù)采用三跨的連梁進(jìn)行分析.

該模型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)最不利的荷載組合和第二個(gè)支座下沉2.55 mm的附加應(yīng)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模計(jì)算分析.驗(yàn)算結(jié)果如下：

圖3 混凝土連梁第二支座下沉2.55 mm內(nèi)力圖

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在目前沉降差情況下，連梁的最大內(nèi)力出現(xiàn)在第三支座的負(fù)彎矩處其值為-761.1 kN·m.考慮混凝土0.8的松弛系數(shù)并根據(jù)連梁實(shí)際尺寸與配筋進(jìn)行驗(yàn)算，得出混凝土連梁最大裂縫寬度為0.136 mm其結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大裂縫寬度限值，目前實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有達(dá)到正常使用極限狀態(tài).

圖4 混凝土結(jié)構(gòu)右柱下沉24 mm內(nèi)力圖

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)算，以混凝土連梁裂縫寬度達(dá)到0.4 mm限值為計(jì)算的極限狀態(tài)下，在考慮沉降差情況下當(dāng)?shù)诙ё两?4 mm時(shí)，梁最大內(nèi)力出現(xiàn)在第三支座的負(fù)彎矩處其值為-1267.9 kN·m.考慮混凝土0.8的松弛系數(shù)[6]并根據(jù)連梁實(shí)際尺寸與配筋進(jìn)行驗(yàn)算，得出混凝土連梁最大裂縫寬度為0.395 mm其結(jié)果基本達(dá)到三級(jí)裂縫控制限值0.4 mm.

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定該結(jié)構(gòu)的不均勻沉降限值為18.9 mm，由計(jì)算可知該結(jié)構(gòu)不均勻沉降達(dá)到24 mm后產(chǎn)生的附加彎矩方可達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變的極限值，由此可見(jiàn)規(guī)范限值較本結(jié)構(gòu)的實(shí)際限值較嚴(yán)格，本文研究結(jié)構(gòu)的不均勻沉降控制值較《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》限值大27%.

對(duì)同一高跨比的連梁進(jìn)行驗(yàn)算，比較不同跨度受同一沉降工況對(duì)連梁內(nèi)力的影響.梁高選用跨度的1/10，梁寬選用梁高的1/2.分別驗(yàn)算9 m、12 m、15 m、18 m跨梁的裂縫極限值所需沉降差，得出結(jié)構(gòu)如下：

9 m跨度不均勻沉降差21 mm時(shí)達(dá)到裂縫控制限值，其比值為1/429；12 m跨度不均勻沉降差27 mm時(shí)達(dá)到裂縫控制限值，其比值為1/444；15 m跨度不均勻沉降差33 mm時(shí)達(dá)到裂縫控制限值，其比值為1/455；18 m跨度不均勻沉降差40 mm達(dá)到裂縫控制限值，其比值為1/450.

由以上可知，不同跨度沉降差比值為1/429～1/455之間，略大于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定框架結(jié)果沉降差比值1/476.根據(jù)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，基礎(chǔ)連梁未見(jiàn)沉降裂縫的狀況表明，對(duì)于大跨空間結(jié)構(gòu)，地基不均勻沉降差值可按正常使用極限狀態(tài)下容許裂縫寬度的限值作為控制狀態(tài)，且在驗(yàn)算時(shí)考慮混凝土松弛的有利影響.

3.2 上部鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對(duì)上部鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架進(jìn)行模擬分析，模型如圖5.

圖5 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架模型

結(jié)構(gòu)建模后，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載參數(shù)且考慮最不利荷載組合的前提下和隨機(jī)抽出10個(gè)支撐點(diǎn)下沉24 mm的附加應(yīng)力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模計(jì)算分析.考慮了正常使用荷載組合和沉降偏差附加力共同對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)算結(jié)果如下：

圖6 鋼網(wǎng)架桿件軸力圖

圖7 鋼網(wǎng)架整體變形位移圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算，支撐點(diǎn)沉降雖然引起了周?chē)鷹U件應(yīng)力增加，但未超過(guò)受力最大桿件的應(yīng)力，并且結(jié)構(gòu)中所有的桿件內(nèi)力都未超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度.

經(jīng)過(guò)計(jì)算，支撐點(diǎn)沉降雖然引起了周?chē)鷹U件變形較大，對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)不均勻沉降為24 mm時(shí)，上部結(jié)構(gòu)最大撓度變形為1/517，但仍未超過(guò)該結(jié)構(gòu)變形的最大值，該結(jié)構(gòu)的變形滿足規(guī)范正常使用極限狀態(tài)要求.

由混凝土結(jié)構(gòu)與鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析可知，混凝土結(jié)構(gòu)這種剛性連接的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力受不均勻沉降影響較大，且易產(chǎn)生裂縫.不均勻沉降對(duì)大跨度的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)這種柔性較大的結(jié)構(gòu)影響較小.結(jié)構(gòu)在地基不均勻沉降變形作用下的控制因素為獨(dú)立基礎(chǔ)之間連梁混凝土抗拉極限應(yīng)變和裂縫寬度.

4 結(jié) 論

通過(guò)上述的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算分析得出結(jié)論如下：

1)大跨重要建筑進(jìn)行長(zhǎng)期的沉降監(jiān)測(cè)，并依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和使用性進(jìn)行分析評(píng)估，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)使用維護(hù)的重要措施.

2)大跨結(jié)構(gòu)在不均勻沉降作用下，應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下基礎(chǔ)連梁裂縫寬度與上部鋼結(jié)構(gòu)變形作為控制限值，可分別按基礎(chǔ)連梁混凝土裂縫寬度0.4 mm或上部鋼結(jié)構(gòu)變形達(dá)到lo/400變形限值進(jìn)行驗(yàn)算，本文研究的結(jié)構(gòu)地基不均勻沉降極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)連梁混凝土開(kāi)裂狀態(tài).

3)與規(guī)范限值相比，本文研究的大跨結(jié)構(gòu)的沉降差限值偏大27%，表明大跨結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降差限值應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析確定.