地基不均匀沉降引起上部钢结构损坏的非线性全过程分析

　　嘴：姓暑八tmgcxb.土木工程学报地基不均匀沉降引起上部钢结构损坏的非线性全过程分析董军邓洪洲马星王肇民焦乐平（同济大学）（张家港东海粮油工业公司）能提供结构受损过程和加固后变化的详细信息，用于张家港东海粮油工业公司机械楼钢结构现状评价和加固设计，效果良好。

　　1前言地基不均匀沉降是引起土木、建筑工程事故的主要原因之一。地基不均匀沉降除了严重影响建（构）筑物使用外，一般均会导致上部结构不同程度损坏甚至完全失效。对于出现事故的工程，目前已有一些现场检测的方法，可分为动力法和静力法两大类，分别适用于不同的工程条件。这类检测的主要思路是获取测试时结构的有关信息，如动力法中动力激励的位移响应和模态，静力法中检测荷载下结构的位移变形等；然后通过假定的模型（*常用的是线弹性模型）处理，辩识出结构的有关参数如刚度等；*后通过这些参数和标准值（如规范规定等）的偏差判定结构是否安全。由于结构受损情况十分纷繁，测试结果必须结合相应的实践经验才能作出合理的判断。一般的现场检测方法无法提供结构受损过程的详细信息，对于明显与常规情况不符的特殊情况难以作出合理判断。

　　由于钢材具有很强的塑性变形能力，钢结构在一定情况下可以有远大于规范规定的位移变形而仍然具备一定的结构效能，经适当加固后可继续使用。对于这类情况，目前常用的检测方法还难以处理。作者在加固设计“项目研究中，采用非线性有限元法进行了地基不均匀沉降引起上部钢结构损坏的非线性全过程分析，合理地反应部分构件破坏及构件弹塑性发展过程等因素的影响，分析结果与现场观察和测试结果相符，全面反映了结构损坏的过程，在此基础上提出了经济合理的加固方案，经及时实施保证了结构安全和机械楼的正常使用。

　　2工程概况张家港东海粮油工业公司位于张家港保税区，紧靠长江，是从事粮油加工贸易的特大型合资企业，建成后年产值达40亿元以上。为满足巨大的粮食加工贸易的需要，需设计建造直径达12.5m、高度达43m的大型筒仓36个，每18个为一区，用厚2m的钢筋混凝土底板连成整体。中间为高达78m的透空钢框架机械楼，粮食从码头经皮带机送至机械楼适当处理后送入筒仓贮存。为一期筒仓及机械楼平面位置示意图（二期筒仓布置对称于机械楼），为机械楼示意图。

　　整个系统由美国一公司初步设计，国内两设计院配合做施工图设计。由于设计未能充分考虑张家港软弱地基的特性，筒仓施工又未能对称于机械楼进行，一期筒仓于年12月底建成并装粮后，不久即导致机械楼基础产生明显不均匀沉降。至97年5月（此时二期筒仓刚建至地面以上）机械楼基础*大不均沉降已达100mm以上（数值见），造成机械楼部分柱子出现了严重的肉眼可见的侧移和转动，若干斜撑完全破坏，机械楼整体倾斜，严重影响安全，安全评估和合理加固刻不容缓。

　　3理论基础机械楼钢结构由受弯曲的梁柱和仅受轴力的斜撑两大类构件组成，梁和斜撑与柱的连接均按铰接设计。经现场观察和初步分析判定，塑性主要发生在部分梁柱节点范围内的柱端。为简化分析，本文采用非线性杆系分析中的通用假定：（1）钢材为理想弹塑性；（2）构件截面在变形过程中保持为平截面；（3）弯曲单元仅在端部出现塑性（若单元内部出现塑性，可将单元细分，使塑性位置变成单元端部）。

　　在上述假定下，还可以有多种具体的非线性算法，*常用的是Clough双分量模型，进一步将固接梁端弯矩-转角关系简化为折线。该模型存在误差，实际的固接梁端弯矩-转角关系在出现塑性后为曲线；而且由于存在刚度突变导致计算上困难。双分量模型未能考虑轴力对塑性的影响，轴力有较大影响时难以应用。事实上完全可以直接由截面应力分布计算单元刚度，即采用如下形式的非线性方程：+，+为结构初始弹性刚度矩阵；！F.丨为结构处于全弹性时的某一荷载；U.丨为相应于1心的节点位移；为第t'荷载步荷载增量，为相应于丨的结构刚度和位移改变（若作用时结构仍处于全弹性，则r" =）。具体计算时首先形成，任意给出一心可得到相应的U.丨。

　　者规律一致。

　　第三层B轴处（高度12.6m）横向侧移随支座不均匀沉降增加而增大的关系示于。从可以看出，该处侧移增长在支座不均匀沉降达到7cm后明显加快。表明相应部位柱截面塑性发展已相当大，接近形成塑性铰。

　　综合以上内容可以判定，K5已有部分柱部位（一三层柱端）基本形成了塑性铰，结构在这些部位已不具备维持稳定的刚度，必须及时进行合理加固。

　　该片一~三层间均无斜撑，四层以下均为高应力区。支座不均匀沉降引起结构变形在第四层形成反弯点（如），柱脚和第四层是结构应力*严重的部位。支座沉降6cm后一~四层柱单元已经进人弹塑性，支座不均沉降达到10.5cm时一~四层柱单元端部已接近成为塑性铰。

　　该片仅一层无斜撑，结构刚度在此发生突变，应力集中区相对K4范围要小，但对支座不均匀沉降的适应能力更差。在支座不均匀沉降下结构变形在第二层形成反弯点（如）。柱脚和第二层是结构应力*严重的部位。支座沉降3cm后一~二层柱单元已经进人弹塑性；支座不均匀沉降达8.9cm时一~二层柱单元端部已接近成为塑性铰。

　　该片框架结构特点及斜撑破坏与K3类似，支座不均匀沉降量也基本相同，因而其结构变形及应力分布、塑性铰位置等与K3类似。

　　该片框架结构特点及斜撑人为破坏与K5类似，但由于支座不均匀沉降量仅为6.3cm，因而其结构变Az=10.5cm形及应力较K5小，在不均匀沉降达到6.3cm时，**层柱子也进人弹塑性，但未形成塑性铰。

　　4.6框架轴上2~4柱脚不均匀沉降*大仅lcm，对结构的影响很小。

　　4.7综合评价从上述计算结果可以看出，一期筒仓沉降导致的机械楼柱基不均匀沉降对机械楼钢结构的影响是十分严重的，结构已出现了严重危害安全的过大位移和变形，机械楼钢柱有多处接近或已经形成了塑性铰，已明显缺少维持结构稳定所必须的刚度，必须及时进行必要的加固。

　　5二期筒仓工作后机械楼钢结构预测为K5在二期筒仓引起新的不均匀沉降后的结构变形图，可以看出结构第二层侧移有明显的反向。新增沉降达12cm时柱子*大弯矩从520kN.m降为474.4kN.rn，仅下降不到9%.其余各片框架在二期筒仓沉降后的位移、内力变化规律与K5相似。

　　上述分析表明，在二期筒仓沉降导致柱基新的不均匀沉降的影响下机械楼钢结构总的趋势是卸载，但由于部分构件已进人塑性，个别部位已形成塑性铰，在二期筒仓工作后即使支座沉降量与老筒仓相同，结构也不能完全卸载，一些构件应力甚至基本维持原值。

　　在这样情况下，结构在外界扰动下极易发生整体破坏。因而，必须对机械楼钢结构进行加固，以保证在以后各种不利荷载作用下工作安全可靠。

　　6加固设计简介6.1设计原则和要点加固设计遵循安全、经济的原则。分析计算表明机械楼钢结构存在的主要问题是结构刚度严重不均，应力集中程度高，局部位移、变形过大，使结构整体稳定性得不到保证，结构安全性降低。所以加固方案应能有效地防止相应部位的过大变形，且不致引起明显的附加内力。

　　6.2基本加固方案基本加固方案着重增加机械楼柱子与筒仓的连接。因为筒仓本身的强度、刚度均相当大，机械楼柱在侧向与筒仓有可靠连接后可以明显阻止柱的侧向变形，保证机械楼的整体稳定和安全性。为加固示意图。具体加固要求为：机械楼的每根柱子加与筒仓连接的支撑，柱子分别与相邻的筒仓连接，这样一边为拉杆，一边为压杆，保证结构整体在横向具有较好刚度。对每一片框架视其沉降量及斜撑破坏情况分别加多道支撑，以保证结构的安全性不仅仅依赖于某一支撑，使结构具有较高的安全储备。

　　支撑杆与筒仓及柱子连接均为铰接，筒仓端的结点板用锚栓与筒仓固定，支撑杆长度根据筒仓与每个柱子的距离确定。

　　支撑杆选用Q235材料，与老筒仓连接的支撑杆按压杆设计，与新筒仓连接的支撑杆按拉杆设计。

　　在第二、二、四层（标高7.8m、12.6m、20.7m）加水平支撑杆。其中K2~4的每一柱节点设两个与柱子轴线成一定角度的支撑杆，以使每个支撑杆与筒仓距离*短，同时也可提高结构整体的纵向稳定性。

　　有利于结构竖向荷载的均匀分配。

　　6.3加固后机械楼钢结构预测根据地质报告，新老筒仓的地质情况相差不多，因此，在结构分析时取新筒仓工作后机械楼钢结构新增*大不均匀沉降量为10~12cm计算。

　　0为加固后K5在二期筒仓引起新的不均匀沉降时的位移图。从图可以看出，由于在侧向加了支撑，加固后K5片框架在新的支座不均匀沉降下结构侧移有所恢复。沉降达12cm时柱*大弯矩为481lkN.m，小于一期筒仓沉降引起的*大弯矩520.OkN.m，表明增加柱与筒仓的连接后，既有效限制了柱的侧向变形，又未引起不利的内力，加固方案是合理的。其余各片框架加固后侧移和内力的变化规律与K5相同。

　　6.4加固方案经济性分析基本加固方案共需钢材约2500kg，加上加工安装费用共需经费约2.0万元，与主要在机械楼内部加斜撑（一-二层间斜撑一根长11.456m，2L100x80x8，重250.9kg）相比可节省大量钢材，加固方案具有明显的经济性。

　　该加固方案已于97年7月初实施，现场观测表明加固效果明显，达到了预期目的。

　　7结束语本文提出了一个综合结构变更定理，顺利完成了张家港东海粮油工业公司机械楼钢结构由于地基不均沉降导致损坏的非线性全过程分析，在此基础上提出了合适的加固方案，实施后效果明显，达到了预期目的。本文方法可供钢结构事故分析处理借鉴。