杜福根

某桁架結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用分析

杜福根

針對某些情況下,地基變形會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生較大影響的情況,通過對某一桁架結(jié)構(gòu)的分析表明,在地基變形較不均勻時,忽略結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全,以指導(dǎo)相關(guān)設(shè)計人員注意這一影響。

基床系數(shù),地基沉降,共同作用

1 工程概況

某焊接鋼管桁架體系結(jié)構(gòu)跨度 56m,高 12m,寬 2m,構(gòu)件采用矩形鋼管,見圖 1。由于上部結(jié)構(gòu)體系不規(guī)則,柱下荷載非常不均勻,且有拉力存在,因此地基變形很不均勻,需要考慮地基變形對上部結(jié)構(gòu)的影響[1]。

2 地基沉降分析

計算結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用,首先需要確定在上部荷載作用下的沉降量。目前計算地基沉降的方法主要有兩種[2]：文克爾地基模型,分層地基模型。文克爾地基模型假定地基上任一點所受的壓力強度 P與該點的地基沉降S成正比,即P=kS,其中,k為基床系數(shù)。根據(jù)這個假定,地基上某點的沉降與其他點上作用的壓力無關(guān),也就是把地基當(dāng)作無數(shù)分隔開的,互不相干的小土柱;也可以把地基看作是一群不相聯(lián)的彈簧體;由于它忽略了地基土中剪應(yīng)力的存在,認(rèn)為地基的沉降只發(fā)生在基底范圍以內(nèi),這與實際情況不符。因而,此模型僅適用于抗剪強度很低的半液態(tài)土等特殊地基。分層總和法假定土在完全側(cè)限條件下,其壓縮變形與附加應(yīng)力成正比。根據(jù)這個假定,地基被當(dāng)作線性變形體,因而,地基沉降可以用疊加原理,將壓縮層范圍內(nèi)各計算分層在完全側(cè)限條件下的壓縮量累積起來。這種地基模型較好地反映了地基土擴散應(yīng)力和變形能力,考慮了土層沿深度和平面上的變化及非均質(zhì)性。但是,由于它只能計及地基土的壓縮變形,未考慮到基底反力的塑性重分布。一般來說,分層地基模型適合所有地基?，F(xiàn)行規(guī)范[3]在計算地基變形時,采用的就是分層地基模型,地基內(nèi)的應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)的直線變形體理論,最終沉降按分層總和法計算并通過沉降計算經(jīng)驗系數(shù)進行修正。

文克爾地基模型計算簡單,適宜于在有限元分析中使用,然而,基床系數(shù)實際上取決于許多復(fù)雜的因素,而非單純表征土的力學(xué)性質(zhì)的計算指標(biāo),另外,其數(shù)值變動的幅度之大,也說明了其難以準(zhǔn)確確定。本文首先采用分層地基模型計算上部荷載作用下的地基沉降量。為便于有限元分析,再根據(jù)地基沉降量計算地基的基床系數(shù)。依據(jù)勘察結(jié)果表明,場地表層被廣泛的人工填土層所覆蓋,然后是由粉土、礫砂層所組成;在其下部為第四紀(jì)上更新世河湖相沉積的黃綠色的粉土、粉質(zhì)粘土層所組成。在鉆探深度內(nèi)可見地下水出現(xiàn)且埋藏相對較淺。根據(jù)巖土工程勘察報告,選用礫砂層作為持力層。根據(jù)分層總和法計算的地基沉降,選取地基基床系數(shù)為 5 000 kN/m3。

由圖 2可見,結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)分左右兩部分。為減少地基變形,在設(shè)計中通過計算確定了基礎(chǔ)的高度,以使基礎(chǔ)具有較大剛度。圖2給出了地基在上部荷載作用下的變形。從圖 2中可見,地基的變形均為直線變化,反映了基礎(chǔ)的良好剛度。但是由于左部分柱的支座反力差異較大,導(dǎo)致地基變形向一側(cè)傾斜,而右部地基的變形較為均勻。

3 結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

圖 3給出了結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。從圖 3中可見,結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用對結(jié)構(gòu)內(nèi)力有較大影響。例如,若不考慮結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用,最大軸壓力將被低估 15%,最大軸拉力將被低估 30%。因此設(shè)計中,若不考慮結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用,將低估部分桿件內(nèi)力,導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果偏于不安全。

4 結(jié)語

當(dāng)?shù)鼗两挡痪鶆驎r,對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布有較大影響。對一桁架結(jié)構(gòu)的分析表明,若不考慮結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用,部分桿件內(nèi)力將被低估,導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果偏于不安全,工程設(shè)計中應(yīng)充分注意這一影響。

[1]楊炳麟.框架結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)聯(lián)合分析的近似算法[M].北京：中國水利水電出版社,2007.

[2]朱炳寅.高層建筑筏基設(shè)計方法的分析與探索[J].建筑結(jié)構(gòu),1999(4)：54-57.

[3]GB 50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]劉立東.型鋼混凝土桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J].山西建筑,2010,36(8)：76-77.

Analysis on mutual action between truss structure and foundation base

DU Fu-gen

In light of great impacts of foundation deformation on structural internal force,through analyzing some truss structure,it proves that neglectingmutual action between structure and foundation base can lead to unsafe structure under the condition of uneven foundation deformation,with a view to cause designer's attention.

foundation soil coefficient,foundation settlement,mutualaction

TU470

B

1009-6825(2011)09-0091-02

2010-11-25

杜福根(1975-),男,工程師,上海月星控股集團有限公司,上海 200070