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摘要：应用桩基托换法施工既有建筑物地下空间过程中会使基础产生差异沉降。通过对一个三层框架结构的Ansys三维有限元分析柱脚不同沉降量作用下上部结构产生附加内力的规律，为同类工程提供分析和控制不均匀沉降的依据。
关键词：桩基托换；差异沉降；有限元；附加内力
Abstract: the application of pile foundation underpinning method construction both in the process of building underground space will make between foundation settlement. Through the control of a three-story frame structure of the Ansys three-dimensional finite element analysis column foot under the action of different settlement upper structure to generate additional internal force of law, for the similar engineering to provide analysis and control the uneven settlement basis.
Keywords: pile foundation underpinning; Differential settlement; Finite element; Additional internal forces
中图分类号： TU473 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1 引言
伴随着城市化的加快，城市建设快速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，许多城市不同程度的出现了建筑用地紧张，生存空间拥挤，交通堵塞严重。城市化给城市带来的城市综合症，急需增加城市的空间容量来予以解决，要解决这一矛盾，从某种程度上，向地下发展比向空中发展更有一定的优越性，所以合理利用城市地下空间资源、寻求向地下发展是一条重要的途径。基础托换技术就是在既有建筑物改造中占有重要地位。
采用基础托换的方法施工原有建筑物地下空间必须考虑托换沉降变形对上部结构的影响。被托换建筑物的自身变形已在托换前完全完成，托换过程对建筑物而言是一个二次变形，并且这一过程是在相对短暂的时间内完成的。通过对数值分析方法进行模拟、并指导工程设计和工程施工已成为一种重要的手段和发展趋势。
2 Ansys有限元分析的过程
某三层3跨框架，最大跨度为7.5m,取其中一榀框架进行分析。
2.1建模过程
取其中一榀框架建立三维有限元模型，并采用对称模型，选用“solid65”实体单元，该单元是专为混凝土等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的。通过定义构件关键点，生成框架的梁、柱等构件，用“add”布尔运算将框架的构件合成为体模型，最后，将框架划分单元，划分单元后的三层框架三维实体模型见图1。
图1 三层框架三维实体模型
2.2 加载过程
在桩基托换过程中，相邻桩基的差异沉降是框架产生附加内力的主要原因。可通过框架柱脚处的沉降差来模拟相邻桩基的沉降差异。框架柱脚处的沉降多呈中间柱脚沉降大，边柱沉降小的“盆式”沉降趋势。将边柱柱脚处的所有自由度“锁住”，将中柱柱脚处的竖向位移定义为0m(无沉降)、0.01m、0.02m、0.03m，以此来研究柱脚不均匀沉降对框架结构影响的规律。
楼面的面荷载转化为梁上的线荷载，在转化为四点集中荷载，为100kN，在定义材料时，按混凝土的密度2500KN/m3输入，定义荷载时输入重力加速度9.8。加载图示如图2示。
图2 三维实体模型加载图示
2.3分析结果
2.3.1中间柱脚无沉降
（1）中间柱脚无沉降位移时竖向位移等值线
中间柱脚无沉降位移，模型仅在自重荷载和活荷载作用下的竖向位移等值线见图3。
图3 无柱脚位移时竖向位移等值线
从图中可以看出，无柱脚位移仅在自重荷载和活荷载作用下，框架梁的跨中部位表现出明显竖向下一，符合框架梁的受力特点。
（2）中间柱脚无沉降位移时第一主应力等值线，如图4式。
图4 无柱脚位移时第一主应力等值线
从图中可以看出，无柱脚位移时，框架梁应力比较大的部位在跨中和梁两端，梁柱节点处应力较大。
2.3.2中间柱脚沉降时的竖向位移等值线
中柱沉降0.01m时的竖向位移等值线如图5示。
图5 中柱柱脚沉降0.01m时的竖向位移等值线
中柱沉降0.01m时的第一主应力等值线如图6示。
图6 中柱柱脚沉降0.01m时的第一主应力等值线
中柱沉降0.02m时的竖向位移等值线如图7示。
图7 中柱柱脚沉降0.02m时的竖向位移等值线
中柱沉降0.03m时的竖向位移等值线如图8示。
中柱柱脚沉降0.03m时的竖向位移等值线
从图中可以看出，中柱柱脚沉降，造成了整个中柱和柱间框架梁出现明显竖向位移，边柱竖向位移不明显，而边柱和中柱间框架梁出现明显竖向位移的变化，即出现了明显的转角。
中间柱脚沉降会引起边柱支座位置上部和梁柱节点处应力明显增大；而且框架梁受柱脚沉降的影响自下而上是逐层减弱的。
3 结论
（1）从竖向位移等值线可以看出，当三跨框架中间柱脚沉降时，整个中柱和框架梁出现明显竖向位移，边柱竖向位移不明显，而边柱和中柱间框架梁出现明显竖向位移的变化，即出现了明显的转角。
（2）由于柱受力后的变形，似的框架梁受柱脚沉降的影响产生的竖向位移自下而上逐层减小。因此，底层框架梁是不均匀沉降产生附加应力最大的位置，应加强监控。
参考文献
[1]熊小刚，江见鲸.桩托换对上部结构影响的非线性有限元分析[J]特种结构，2003，20（1）：8-10
[2]董军，邓洪洲，马星等.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[J]土木工程学报.2000,33(2):101-105
[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].中国水利水电出版社.2004
[4]李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].人民邮电出版社，2005
[5]彭乐芳，孙德新，袁大军等.地下托換技术[J].岩土工程界，2003，6（12）：38-40
姓名：贾永政
性别：男
出生年月：1984.01
职称：助理工程师
现工作单位：烟建集团有限公司
单位所在地：烟台市莱山区观海路47号
邮编：264003
姓名：王伟
性别：男
出生年月：1982.10
职称：助理工程师
现工作单位：烟建集团有限公司
单位所在地：烟台市莱山区观海路47号
邮编：264003
关键词：桩基托换；差异沉降；有限元；附加内力
Abstract: the application of pile foundation underpinning method construction both in the process of building underground space will make between foundation settlement. Through the control of a three-story frame structure of the Ansys three-dimensional finite element analysis column foot under the action of different settlement upper structure to generate additional internal force of law, for the similar engineering to provide analysis and control the uneven settlement basis.
Keywords: pile foundation underpinning; Differential settlement; Finite element; Additional internal forces
中图分类号： TU473 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1 引言
伴随着城市化的加快，城市建设快速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，许多城市不同程度的出现了建筑用地紧张，生存空间拥挤，交通堵塞严重。城市化给城市带来的城市综合症，急需增加城市的空间容量来予以解决，要解决这一矛盾，从某种程度上，向地下发展比向空中发展更有一定的优越性，所以合理利用城市地下空间资源、寻求向地下发展是一条重要的途径。基础托换技术就是在既有建筑物改造中占有重要地位。
采用基础托换的方法施工原有建筑物地下空间必须考虑托换沉降变形对上部结构的影响。被托换建筑物的自身变形已在托换前完全完成，托换过程对建筑物而言是一个二次变形，并且这一过程是在相对短暂的时间内完成的。通过对数值分析方法进行模拟、并指导工程设计和工程施工已成为一种重要的手段和发展趋势。
2 Ansys有限元分析的过程
某三层3跨框架，最大跨度为7.5m,取其中一榀框架进行分析。
2.1建模过程
取其中一榀框架建立三维有限元模型，并采用对称模型，选用“solid65”实体单元，该单元是专为混凝土等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的。通过定义构件关键点，生成框架的梁、柱等构件，用“add”布尔运算将框架的构件合成为体模型，最后，将框架划分单元，划分单元后的三层框架三维实体模型见图1。
图1 三层框架三维实体模型
2.2 加载过程
在桩基托换过程中，相邻桩基的差异沉降是框架产生附加内力的主要原因。可通过框架柱脚处的沉降差来模拟相邻桩基的沉降差异。框架柱脚处的沉降多呈中间柱脚沉降大，边柱沉降小的“盆式”沉降趋势。将边柱柱脚处的所有自由度“锁住”，将中柱柱脚处的竖向位移定义为0m(无沉降)、0.01m、0.02m、0.03m，以此来研究柱脚不均匀沉降对框架结构影响的规律。
楼面的面荷载转化为梁上的线荷载，在转化为四点集中荷载，为100kN，在定义材料时，按混凝土的密度2500KN/m3输入，定义荷载时输入重力加速度9.8。加载图示如图2示。
图2 三维实体模型加载图示
2.3分析结果
2.3.1中间柱脚无沉降
（1）中间柱脚无沉降位移时竖向位移等值线
中间柱脚无沉降位移，模型仅在自重荷载和活荷载作用下的竖向位移等值线见图3。
图3 无柱脚位移时竖向位移等值线
从图中可以看出，无柱脚位移仅在自重荷载和活荷载作用下，框架梁的跨中部位表现出明显竖向下一，符合框架梁的受力特点。
（2）中间柱脚无沉降位移时第一主应力等值线，如图4式。
图4 无柱脚位移时第一主应力等值线
从图中可以看出，无柱脚位移时，框架梁应力比较大的部位在跨中和梁两端，梁柱节点处应力较大。
2.3.2中间柱脚沉降时的竖向位移等值线
中柱沉降0.01m时的竖向位移等值线如图5示。
图5 中柱柱脚沉降0.01m时的竖向位移等值线
中柱沉降0.01m时的第一主应力等值线如图6示。
图6 中柱柱脚沉降0.01m时的第一主应力等值线
中柱沉降0.02m时的竖向位移等值线如图7示。
图7 中柱柱脚沉降0.02m时的竖向位移等值线
中柱沉降0.03m时的竖向位移等值线如图8示。
中柱柱脚沉降0.03m时的竖向位移等值线
从图中可以看出，中柱柱脚沉降，造成了整个中柱和柱间框架梁出现明显竖向位移，边柱竖向位移不明显，而边柱和中柱间框架梁出现明显竖向位移的变化，即出现了明显的转角。
中间柱脚沉降会引起边柱支座位置上部和梁柱节点处应力明显增大；而且框架梁受柱脚沉降的影响自下而上是逐层减弱的。
3 结论
（1）从竖向位移等值线可以看出，当三跨框架中间柱脚沉降时，整个中柱和框架梁出现明显竖向位移，边柱竖向位移不明显，而边柱和中柱间框架梁出现明显竖向位移的变化，即出现了明显的转角。
（2）由于柱受力后的变形，似的框架梁受柱脚沉降的影响产生的竖向位移自下而上逐层减小。因此，底层框架梁是不均匀沉降产生附加应力最大的位置，应加强监控。
参考文献
[1]熊小刚，江见鲸.桩托换对上部结构影响的非线性有限元分析[J]特种结构，2003，20（1）：8-10
[2]董军，邓洪洲，马星等.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[J]土木工程学报.2000,33(2):101-105
[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].中国水利水电出版社.2004
[4]李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].人民邮电出版社，2005
[5]彭乐芳，孙德新，袁大军等.地下托換技术[J].岩土工程界，2003，6（12）：38-40
姓名：贾永政
性别：男
出生年月：1984.01
职称：助理工程师
现工作单位：烟建集团有限公司
单位所在地：烟台市莱山区观海路47号
邮编：264003
姓名：王伟
性别：男
出生年月：1982.10
职称：助理工程师
现工作单位：烟建集团有限公司
单位所在地：烟台市莱山区观海路47号
邮编：264003