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CN109190285B - 基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法 - Google Patents

基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种建筑结构沉降预测分析技术领域，是一种基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法，包括以下步骤：第一步确定目标建筑，统计目标建筑的建筑参数；第二步根据目标建筑的建筑参数建立框架结构模型；第三步计算该框架结构模型在不同处沉降差下所对应的开裂弯矩值，绘制沉降/弯矩曲线；第四步根据沉降/弯矩曲线确定目标建筑开裂前的最大弯矩和最大沉降限值。本发明根据目标建筑的建筑参数建立与之对应的框架结构模型，然后对目标建筑所产生的不均匀沉降限值进行预测及分析，为对拟开挖工程中基坑临近建、构筑物的沉降防治工作提供准确的数据支持，对拟开挖工程中基坑临近建、构筑物的沉降防治工作起到更加积极的指导作用。

Description

基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法
技术领域
本发明涉及一种建筑结构沉降预测分析技术领域，是一种基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法。
背景技术
随着城市建设对用地需求量的不断增长，伴随而来的是土地资源基地匮乏，地下轨道交通建设成为了现代化都市发展的着眼目标，地铁车站基坑的开挖必将对其临近建筑物的整体稳定性带来一定的影响，基坑开挖时，荷载不平衡导致其周边围护结构产生水平向变形和位移，从而改变基坑外围土体的原始应力状态而引起地层移动。基坑周边临近建、构筑物基础均安置在地下土层内，土体的位移必将导致至建、构筑物基础的移动或变形，从而牵连至上部结构，对上部结构产生一定的损害，严重的则会危及上部结构的整体稳定性，使其构件乃至整体结构产生破坏。以往基坑开挖过程中对其周边临近建、构筑物的沉降监测限值均是根据地方或国家规范或其他工程在相似开挖状态下所总结的经验来进行参考和规定的，此规定沉降限值的方法过于笼统，不同情况的建、构筑物之间缺乏代表性和合理的差异项，且此不均匀沉降限值的确定对现场施工具有重要的意义，数值制定合理则可以大大减少施工现场事故的发生，因此，迫切需要设计一种基坑开挖条件下其临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法。
发明内容
本发明提供了一种基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有的沉降限值预测方法存在的没有结合建筑结构的自身特征进行预测，导致预测不准确的问题。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法，包括以下步骤：
第一步：确定目标建筑，统计目标建筑的建筑参数；
第二步：根据目标建筑的建筑参数建立框架结构模型；
第三步：计算该框架结构模型在不同沉降差下所对应的开裂弯矩值，绘制沉降/弯矩曲线；
第四步：根据沉降/弯矩曲线，判断曲线是否收敛，响应于曲线收敛，其极限值为目标建筑开裂前的最大弯矩，该弯矩值对应的沉降差值为最大沉降限值。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述第一步中，确定目标建筑，统计目标建筑的建筑参数的具体步骤如下：
(一)确定拟开挖基坑的位置，设定波及半径r，以拟开挖基坑中心为圆心画圆，所得圆面内包括所有建筑物为目标建筑；
(二)获取目标建筑的建筑图纸，并对目标建筑的建筑图纸进行尺寸校准；
(三)根据图纸获取目标建筑的建筑参数，建筑参数包括目标建筑的结构类型、层数、尺寸、材料、各构件的钢筋布置、设计荷载、使用年限折减系数。
上述第三步中，计算该框架结构模型在不同沉降差下所对应的开裂弯矩值，绘制沉降/弯矩曲线的具体步骤如下：
(一)向框架结构模型施加沉降差，判断框架结构模型的底层板是否开裂，若框架结构模型的底层板开裂，则记录此时的沉降差及开裂弯矩，若框架结构模型的底层板没有开裂，则增大所施加的沉降差；
(二)将上述沉降差缩小n，并施加于框架结构模型，记录该沉降差及对应的开裂弯矩；
(三)循环执行第(二)步，记录沉降差及对应的开裂弯矩，直至框架结构模型的底层板不发生开裂；
(四)根据得到的各个沉降差及对应的开裂弯矩绘制沉降/弯矩曲线。
上述第三步的(一)中，向框架结构模型施加沉降差的具体过程如下：
a、判断目标建筑是否完全位于拟开挖基坑的波及范围内；
b、若目标建筑完全位于在拟开挖基坑的波及范围内，则对框架结构模型靠近拟开挖基坑边缘一侧的边跨上各个柱底施加相同的沉降差，并设定向远离拟开挖基坑边缘一侧且与上述边跨平行的边跨柱底施加的沉降差为0，同时设定向中间边跨柱底施加沉降差，使其能与两平行边跨沉降量所成直线保证共线；
c、若目标建筑物不完全位于拟开挖基坑的波及范围内，则对框架结构模型靠近拟开挖基坑边缘一侧的边跨上各个柱底施加相同的沉降差，设定向目标建筑位于圆域边线处的柱底施加的沉降差为0，若目标建筑与圆域相交处没有柱子，则将其向外延伸，以圆域范围之外最靠近圆域的柱子为目标柱，并设定向其柱底位移值施加的沉降差为0，同时设定向中间边跨柱底施加沉降差，使其能与两平行边跨沉降量所成直线保证共线。
上述第四步中，确定最大弯矩及最大沉降限值的具体步骤如下：
(一)根据沉降/弯矩曲线，判断曲线是否收敛；
(二)若收敛，进入第(三)步判断是否收敛于一个值；若不收敛，则返回第一步，重新核对其建筑参数，并重新建立框架结构模型及绘制沉降/弯矩曲线；
(三)若收敛于一个值，则曲线的极限值为目标建筑开裂前的最大弯矩，该弯矩值对应的沉降差值为最大沉降限值，若收敛于多个数值，则返回第一步，重新核对其建筑参数是否正确，若建筑参数核对正确，则取其中最小的沉降差数值作为最大沉降限值，最大沉降限值所对应的弯矩为目标建筑开裂前的最大弯矩，若建筑参数核对不正确，则重新核对其建筑参数，并重新建立框架结构模型及绘制沉降/弯矩曲线。
上述将第四步得出的最大沉降限值与目标建筑使用年限折减系数相乘，得出目标建筑的最终沉降限值。
本发明提供一种基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法，在基坑开挖条件下，确定波及范围内的目标建筑，统计目标建筑的建筑参数(目标建筑的自身特征)，根据目标建筑的建筑参数建立与之对应的框架结构模型，然后对目标建筑所产生的不均匀沉降限值进行预测及分析，从而解决了现有的沉降限值预测方法存在的不能结合建筑结构的自身特征进行预测，导致预测不准确的问题，能为对拟开挖工程中基坑临近建、构筑物的沉降防治工作提供准确的数据支持，对拟开挖工程中基坑临近建、构筑物的沉降防治工作起到更加积极的指导作用。
附图说明
附图1为本发明的流程图。
附图2为本发明统计目标建筑建筑参数的流程图。
附图3为本发明计算绘制沉降/弯矩曲线的流程图。
附图4为本发明确定最大弯矩及最大沉降限值的流程图。
附图5为本发明平行各跨的沉降量共线示意图。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
实施例1：如附图1所示，该基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法，包括以下步骤：
第一步：确定目标建筑，统计目标建筑的建筑参数；
第二步：根据目标建筑的建筑参数建立框架结构模型；
第三步：计算该框架结构模型在不同沉降差下所对应的开裂弯矩值，绘制沉降/弯矩曲线；
第四步：根据沉降/弯矩曲线，判断曲线是否收敛，响应于曲线收敛，其极限值为目标建筑开裂前的最大弯矩，该弯矩值对应的沉降差值为最大沉降限值。
上述第二步中，可将目标建筑的建筑参数输入有限元分析软件(例如MIDAS-GEN)，从而通过有限元分析软件建立目标建筑的框架结构模型，有限元软件能准确的计算参数，其计算结果相对于传统经验以及人工手算提高了准确性，有限元软件除了在确定波及范围以外，基本未涉及地区性土质的差别。上述第三步和第四步均可在数据处理软件(例如：Matlab,Origin等)中执行。
本发明提供一种基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法，在基坑开挖条件下，确定波及范围内的目标建筑，统计目标建筑的建筑参数(目标建筑的自身特征)，根据目标建筑的建筑参数建立与之对应的框架结构模型，然后对目标建筑所产生的不均匀沉降限值进行预测及分析，从而解决了现有的沉降限值预测方法存在的不能结合建筑结构的自身特征进行预测，导致预测不准确的问题，能为对拟开挖工程中基坑临近建、构筑物的沉降防治工作提供准确的数据支持，对拟开挖工程中基坑临近建构筑物的沉降防治工作起到更加积极的指导作用。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
如附图1、2所示，第一步中，确定目标建筑，统计目标建筑的建筑参数的具体步骤如下：
(一)确定拟开挖基坑的位置，设定波及半径r，以拟开挖基坑中心为圆心画圆，所得圆面内包括所有建筑物为目标建筑；
(二)获取目标建筑的建筑图纸，并对目标建筑的建筑图纸进行尺寸校准；
(三)根据图纸获取目标建筑的建筑参数，建筑参数包括目标建筑的结构类型、层数、尺寸、材料、各构件的钢筋布置、设计荷载、使用年限折减系数。
上述第(一)中，波及半径r由拟开挖基坑的高度H及相关国家或地方性规定来进行比对选取。
上述第(二)中，获取目标建筑的建筑图纸时可通过各种档案记录查找各目标建筑的设计图纸及相关资料，如若相关设计图纸存在尺寸不清或者部分缺失或全部缺失的现象，则应组织相应的检测鉴定人员对目标建筑的建筑图纸进行尺寸校准或从新绘制。
上述第(三)中，根据图纸获统计各目标建筑(框架结构)中各个构件配筋情况；查找当地或国家荷载设计规范，对作用在目标建筑上的荷载进行统计并确认；以列表的方式明确表示出各目标建筑中各个构件的钢筋布置情况、其上所作用的设计荷载、使用年限折减系数；从而完成目标建筑的建筑参数的获取。
如附图1、3所示，第三步中，计算该框架结构模型在不同沉降差下所对应的开裂弯矩值，绘制沉降/弯矩曲线的具体步骤如下：
(一)向框架结构模型施加沉降差，判断框架结构模型的底层板是否开裂，若框架结构模型的底层板开裂，则记录此时的沉降差及开裂弯矩，若框架结构模型的底层板没有开裂，则增大所施加的沉降差；
(二)将上述沉降差缩小n，并施加于框架结构模型，记录该沉降差及对应的开裂弯矩；
(三)循环执行第(二)步，记录沉降差及对应的开裂弯矩，直至框架结构模型的底层板不发生开裂；
(四)根据得到的各个沉降差及对应的开裂弯矩绘制沉降/弯矩曲线。
上述过程以沉降差数值作为沉降限值的计算数据源，因为建筑物均匀下沉是不会对整体结构带来较大影响的，而且真实情况下也基本不存在建筑物均匀下沉的情况。
因为框架结构墙体为填充墙体，无实际的承载意义，起主要承载构件为梁、板、柱，相对而言其中板的重要性最低，且无论正负弯矩处均是楼板先发生变形破坏。填充墙体的局部或部分损伤不会对建筑整体结构带来实质性的影响，且沉降限值的规定依据应是使得整体结构在正常使用的情况下不发生明显的损伤破坏，且框架结构体系在支座移动或直接受载作用的前提下均是底层楼板的受损情况最为严重。因此上述过程以底层楼板的开裂弯矩作为评判标准，由于楼板的厚度较小因此其在受剪破坏之前肯定先出现受弯破坏，因此取框架结构模型的底层板开裂时的开裂弯矩是合理的。
上述第(二)步将初次计算的沉降差缩小n，这里n可根据实际情况进行设定，例如将n设定为0.1mm，初次计算的沉降差为a，则之后的沉降差依次可为a-0.1、a-0.2、a-0.3、a-0.4、a-0.5......a-n*0.1。
上述第(四)步得到的各个沉降差及对应的开裂弯矩后可先制成图表，之后以开裂弯矩为纵轴，以沉降差为横轴，绘制沉降/弯矩曲线。
如附图1、5所示，第三步的(一)中向框架结构模型施加沉降差的具体过程如下：
a、判断目标建筑是否完全位于拟开挖基坑的波及范围内；
b、若目标建筑完全位于在拟开挖基坑的波及范围内，则对框架结构模型靠近拟开挖基坑边缘一侧的边跨上各个柱底施加相同的沉降差，并设定向远离拟开挖基坑边缘一侧且与上述边跨平行的边跨柱底施加的沉降差为0，同时设定向中间边跨柱底施加沉降差，使其能与两平行边跨沉降量所成直线保证共线；
c、若目标建筑物不完全位于拟开挖基坑的波及范围内，则对框架结构模型靠近拟开挖基坑边缘一侧的边跨上各个柱底施加相同的沉降差，设定向目标建筑位于圆域边线处的柱底施加的沉降差为0，若目标建筑与圆域相交处没有柱子，则将其向外延伸，以圆域范围之外最靠近圆域的柱子为目标柱，并设定向其柱底位移值施加的沉降差为0，同时设定向中间边跨柱底施加沉降差，使其能与两平行边跨沉降量所成直线保证共线。
上述如图5所示，若目标建筑完全位于在拟开挖基坑的波及范围内(即波及半径r的圆域)，则对框架结构模型靠近拟开挖基坑边缘一侧的边跨上各个柱底施加相同的沉降差(即竖向位移a)，并设定向远离拟开挖基坑边缘一侧且与上述边跨平行的边跨柱底施加的沉降差(竖向位移)为0，同时设定向中间边跨柱底施加的沉降差(竖向位移)，使其能与两平行边跨沉降量所成直线保证共线(即应保持的大小不变tanα(为不均匀沉降倾角，tanα＝a/l，l为建筑物整体长度))；
因为框架结构多为柱下独立基础，且基础的刚度要远大于土体的刚度，所以本发明于计算之前假设框架结构基础不发生变形，仅发生竖向位移是较为合理的。关于平行各边跨的沉降量共线的假定(如图4所示)，目的在于计算基坑开挖时其周边框架结构建筑的沉降限值大小，根据以往多方面的设计、施工及检测经验可知由一些既有方法所推定的建筑物沉降限值均在十几毫米大小左右，此沉降大小相对于既有建筑本身边跨的尺寸而言可是为小变形的范畴之内，因此本发明所施加的沉降值是很合理的。
如附图1、4所示，第四步中，确定最大弯矩及最大沉降限值的具体步骤如下：
(一)根据沉降/弯矩曲线，判断曲线是否收敛；
(二)若收敛，进入第(三)步判断是否收敛于一个值；若不收敛，则返回第一步，重新核对其建筑参数，并重新建立框架结构模型及绘制沉降/弯矩曲线；
(三)若收敛于一个值，则曲线的极限值为目标建筑开裂前的最大弯矩，该弯矩值对应的沉降差值为最大沉降限值，若收敛于多个数值，则返回第一步，重新核对其建筑参数是否正确，若建筑参数核对正确，则取其中最小的沉降差数值作为最大沉降限值，最大沉降限值所对应的弯矩为目标建筑开裂前的最大弯矩，若建筑参数核对不正确，则重新核对其建筑参数，并重新建立框架结构模型及绘制沉降/弯矩曲线。
由于本发明除了在确定波及范围即圆域半径r以外，基本未涉及地区性土质的差别，因为本发明是对沉降极限值进行计算，并非是计算在基坑开挖全过程中其临近建筑物的最大沉降量，即计算获得的基坑开挖条件下目标建筑的最大沉降限值能保证基坑开挖前及开挖过程中有理想的支护及圈围结构体系，为基坑开挖过程中的支护体系，开挖时间，开挖工序及现场施工问题的处理等方面提供一定的参考价值与指导作用。
如附图1、5所示，将第四步得出的最大沉降限值与目标建筑使用年限折减系数相乘，得出目标建筑的最终沉降限值。
上述建筑使用年限的影响，应确定其建筑使用基准期Nb及已使用年数Na，以
Figure BDA0001807239370000061
作为使用年限折减系数。
以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (2)

1.一种基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：确定目标建筑，统计目标建筑的建筑参数，包括：
(一)确定拟开挖基坑的位置，设定波及半径r，以拟开挖基坑中心为圆心画圆，所得圆面内包括所有建筑物为目标建筑；
(二)获取目标建筑的建筑图纸，并对目标建筑的建筑图纸进行尺寸校准；
(三)根据图纸获取目标建筑的建筑参数，建筑参数包括目标建筑的结构类型、层数、尺寸、材料、各构件的钢筋布置、设计荷载、使用年限折减系数；
第二步：根据目标建筑的建筑参数建立框架结构模型；
第三步：计算该框架结构模型在不同沉降差下所对应的开裂弯矩值，绘制沉降/弯矩曲线，包括：
(一)向框架结构模型施加沉降差，判断框架结构模型的底层板是否开裂，若框架结构模型的底层板开裂，则记录此时的沉降差及开裂弯矩，若框架结构模型的底层板没有开裂，则增大所施加的沉降差；
(二)将上述沉降差缩小n，并施加于框架结构模型，记录该沉降差及对应的开裂弯矩；
(三)循环执行第(二)步，记录沉降差及对应的开裂弯矩，直至框架结构模型的底层板不发生开裂；
(四)根据得到的各个沉降差及对应的开裂弯矩，绘制沉降/弯矩曲线；
第四步：根据沉降/弯矩曲线，判断曲线是否收敛，响应于曲线收敛，其极限值为目标建筑开裂前的最大弯矩，该弯矩值对应的沉降差值为最大沉降限值，其中确定最大弯矩及最大沉降限值，包括：
(一)根据沉降/弯矩曲线，判断曲线是否收敛；
(二)若收敛，进入第(三)步判断是否收敛于一个值；若不收敛，则返回第一步，重新核对其建筑参数，并重新建立框架结构模型及绘制沉降/弯矩曲线。
(三)若收敛于一个值，则曲线的极限值为目标建筑开裂前的最大弯矩，该弯矩值对应的沉降差值为最大沉降限值，若收敛于多个数值，则返回第一步，重新核对其建筑参数是否正确，若建筑参数核对正确，则取其中最小的沉降差数值作为最大沉降限值，最大沉降限值所对应的弯矩为目标建筑开裂前的最大弯矩，若建筑参数核对不正确，则重新核对其建筑参数，并重新建立框架结构模型及绘制沉降/弯矩曲线。
2.根据权利要求1所述的基坑开挖条件下临近建筑结构不均匀沉降限值的预测方法，其特征在于第(一)步向框架结构模型施加沉降差的具体过程如下：
a、判断目标建筑是否完全位于拟开挖基坑的波及范围内；
b、若目标建筑完全位于在拟开挖基坑的波及范围内，则对框架结构模型靠近拟开挖基坑边缘一侧的边跨上各个柱底施加相同的沉降差，并设定向远离拟开挖基坑边缘一侧且与上述边跨平行的边跨柱底施加的沉降差为0，同时设定向中间边跨柱底施加沉降差，使其能与两平行边跨沉降量所成直线保证共线；
c、若目标建筑物不完全位于拟开挖基坑的波及范围内，则对框架结构模型靠近拟开挖基坑边缘一侧的边跨上各个柱底施加相同的沉降差，设定向目标建筑位于圆域边线处的柱底施加的沉降差为0，若目标建筑与圆域相交处没有柱子，则将其向外延伸，以圆域范围之外最靠近圆域的柱子为目标柱，并设定向其柱底位移值施加的沉降差为0，同时设定向中间边跨柱底施加沉降差，使其能与两平行边跨沉降量所成直线保证共线。
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