结构的沉降与收缩
小智审图2022-05-29

在结构计算中,沉降计算是难点之一,很少有人能把结构沉降算清楚。但奇怪的是,我们对沉降问题似乎不是很关注。

均匀沉降,对结构本身影响不大,我们担心的,其实是沉降差。沉降差在微观上,会引起结构构件的附加内力;宏观上,会导致结构倾斜。

先说结构倾斜。我们首先想到了大名鼎鼎的“比萨斜塔”。比萨斜塔的“斜”,非有意为之,而是早期未被重视的“地基不均匀”所致。

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苏州也有一座斜塔,虎丘斜塔。这座斜塔倾斜的原因,和比萨斜塔一样,都与地基的不均匀沉降有关。

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最近这几年,我们很少听到因地基问题而造成建筑倾斜的案例。最主要的原因是,现在的地质勘察技术和施工精度比过去好很多。

接着,我们看看,沉降引起附加内力的问题。力,我们自然是看不到的,但力引起的变形,我们可以观察。对混凝土结构来说,最直观的变形是裂缝。

我随手拍了几张某小区外墙的照片。


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对此类外墙,高墙与矮墙的高度比约为4:1,采用相同的基础形式,地基附加应力比也约为4:1,差异沉降自然不可避免。


类比超高层建筑,在塔楼和裙房交接位置,由于没有设置沉降缝,沉降不均,导致交接位置产生附加内力,混凝土也容易开裂。

很多时候,混凝土裂缝很小,小到并不容易被发现。但是,不被我们发现的裂缝,却可能会被水发现。在地下工程中,结构底板、地下室外墙渗水,沉降不均是主要原因之一。

《寻绿》这本书曾给出一个类似的案例,我简述其原理。

在地下室设计时,局部地下室由于压重不足,按照抗浮要求设置抗拔桩,这虽然解决了抗浮问题;但反过来看,枯水期时,局部地下室的竖向荷载比一般区域小,由于抗拔桩的抗压作用,局部抗压刚度反而较大,此范围的沉降,会明显小于一般区域,沉降差引起裂缝,最终导致漏水。

在超高层建筑中,我们普遍采用嵌岩桩(深圳地区),嵌岩桩的沉降似乎可以忽略,但桩身的压缩变形还是值得讨论的。

初步估算,桩身混凝土强度C40,桩径1.2m~2.0m,桩长20m左右,考虑长期作用,混凝土弹性模量折减系数取0.5~0.8,桩身的压缩变形约为10~15mm。

另外,按照规范规定,对端承型桩,孔底沉渣厚度最大值为50mm。

综合考虑上述两个因素,桩顶变形其实比我们想象中要大。根据我司几个项目的试桩报告,嵌岩桩做完抗压静载试验后,残余沉降可达25~45mm,残余沉降其实可以反映孔底沉渣的影响。

对天然基础来说,我们习惯用基床系数(经验值)来计算沉降,这其实是不靠谱的。根据土层分布,按照分层叠加法计算得到的沉降值,明显大于经验性的基床系数法。

筏板沉降计算,还有一个关键参数,“荷载影响范围”,取值越大,计算沉降也越大。此值规范没有明确规定,YJK给的默认值是20m。

另外,地基刚度、桩刚度,对沉降位移计算、基础反力(桩反力)、基础内力分布都有很大影响,计算时一定要小心。

地基沉降, 是由土体在压应力状态下的蠕变、固结引起;混凝土在较高的压应力作用下,也会发生收缩徐变,二者本质无异。

结构因沉降、收缩徐变而产生附加内力,这些内力起初被我们忽视,但在一个漫长的过程中,这些附加内力对结构的损坏终会显现。

在设计之初,我们应该慎重对待这些问题。


文章已获转载权,来源于微信公众号【JIE构生活】 ,作者鲲鹏

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