基于ANSYS软件的塔式结构上浮数值模拟方法研究与应用

罗中定，徐汉勇

（1.深圳市磐石建筑咨询有限公司，广东 深圳518101；2.长沙学院 土木工程学院，长沙410022）

1 引言

塔式结构集地下室、裙房和塔楼于一体，能较好地满足停车、商业、办公和住宅的要求，有效提高土地利用率，因此，广泛应用在实际工程中[1，2]。我国多数地区雨水条件丰富，尤其是南方城市，地下水对塔式结构产生了显著的上浮与破坏[3-5]，引起工程结构研究者的广泛关注。至今，关于塔式结构上浮的研究报道主要包括2个方面：一为实际工程上浮事故产生的原因分析与措施研究，如文献[6]以某带地下车库的住宅塔式结构为例，指出由于车库顶板上的覆土厚度设计过小、底板混凝土未浇筑、提前停止排水工作等因素造成地下室底板上浮和其他构件开裂，并建议地下室顶板增加设计覆土、地下室底板变形大的位置增设剪力墙、已经开裂位置粘贴碳纤维。二为利用加载或锚杆或抗拔桩对实际工程抗浮设计研究，如文献[7]以广东鹤山名门项目为例，指出由于地下室埋深大，采用压重措施会影响建筑功能，采用抗拔桩措施会影响施工难度和经济性，因此采用了锚杆措施，并对梅花形布置的锚杆抗拔承载力、刚度和锚固长度等设计内容进行了详细阐述。文献[8]分析了增加覆土厚度、向上加厚地下室顶板厚度、向下加厚地下室底板厚度、抗拔桩和锚杆的原理与优缺点，并指出对于某些实际工程，仅采用单类抗浮措施未必是最经济的，建议采用联合抗浮措施。为能较好地掌握塔式结构上浮特点，便于采取更合理的抗浮措施，势必需要采用合理的数值模拟方法对整体结构的上浮进行分析，而目前关于该方面的研究报道较少。借此，本文在前人研究成果的基础上，基于ANSYS有限元软件提出相应的数值模拟方法，分析塔式结构的上浮特点，并提出相应的抗浮措施。

2 数值模拟方法

文献[9]以青岛市某包含4座高层住宅和地下车库的塔式结构为例进行了现场检测，实测数据表明，与塔楼相连处地下车库未发生竖向变形，在一定范围内车库上浮量随着塔楼距离增大而增加，同样的实测结论在文献[10]也再次得到了证实，其原因在于塔楼自重可以完全抵抗该区域的浮力，地下室底板与竖向构件交界区域并未发生明显的竖向位移，与之相反，在塔楼之间的车库区域，由于自重小于浮力，该区域的地下室底板和竖向构件将产生上浮。根据该实测结论，给出利用ANSYS有限元软件塔式结构上浮的数值模拟方法：

1）以塔楼周边为边界，将包括地下室顶板和底板分成塔楼区域和停车区域，如图1所示；

图1 典型塔楼平面图

2）采用beam4梁单元模拟梁柱构件，shell63单元模拟板墙构件；

3）在塔楼与地下室底板交界区域，由于未发生上浮，该范围所有竖向构件的下节点约束可用固定支座进行代替；

4）地下室底板停车区域的竖向构件，如果采用浅基础，且未设置锚杆抗浮措施，考虑到地基土不承受拉力，因此，竖向构件的下节点不宜设约束，如果是桩基础或设置了抗拔桩或锚杆抗浮措施，则宜采用combin14单元模拟桩（锚杆）土的相互作用；

5）地下室底板的所有水平构件，均会发生上浮，在数值模拟时，相应节点不施加约束。

3 数值模拟方法验证

参考沈浦生教授的研究成果[11]，构建了带1层地下室的钢筋混凝土双塔对称结构，如图2所示。地下室水平x向为11跨，水平y向为5跨，跨度均为8.1 m，层高为4.2 m，顶板厚度为0.25 m，塔楼x向为3跨，y向为5跨，跨度与地下室相同，层数为20层，层高为3.6 m。框架柱采用边长为1.2 m的方柱，框架梁采用0.4 m×0.8 m的矩形截面，楼板厚度为0.18 m。塔楼区域采用筏板基础，地下室底板起防水和结构作用，厚度为0.4 m，停车区域采用柱下独基，地下室底板主要起防水作用，板厚为0.25 m。基于ANSYS软件对该双塔结构进行抗浮数值模拟时，梁柱采用beam4单元，楼板采用shell63单元，并按照构思的数值模拟方法，给出了结构地下室底板不同区域节点的约束，如图3所示。

图2 双塔结构

图3 地下室底板约束条件

假设该结构的最高水位为地下室顶板以下0.5 m，地下室层高为4.2 m，则水头差为3.7 m，在不考虑底板厚度影响下，底板单位面积承受的水浮力为37 kN/m2，并以面荷载形式从下向上作用在地下室底板上。应注意的是，在施加浮力之前，应先考虑结构自重的影响。考虑到很多上浮工程案例，往往是由于在施工阶段没有在地下室顶板回填覆土，因此，在本有限元模型施加结构自重时，暂不考虑覆土。经分析与统计，得到如图4所示的整体结构竖向变形图，并以地下室底板y坐标为0的一排节点为例，得到图5所示的竖向位移图。经把图5与文献[9]、文献[10]得出的曲线进行比较，得出的规律能较好吻合，验证本数值模拟方法是合理的。

图4 双塔结构整体竖向变形图

图5 节点竖向位移图

4 上浮特点与补救措施

4.1 上浮特点

按照塔楼区域与停车区域，将地下室底板和顶板分别进行划分。图6和图7分别是塔楼区域的地下室底板和顶板的竖向变形图。图6表明，对于地下底板，该区域与竖向构件交界附近，即由固定约束附近的板变形为负（向下），其他位置的板变形为正（向上），说明该区域是以局部上浮为主要。图7表明，对于地下室顶板，该区域所有板的变形均为负，其原因是受到重力的作用，未受浮力的影响，进一步说明地下室底板塔楼区域主要发生局部上浮；与此相反，图8和图9为停车区域的地下室底板和顶板的竖向变形图，底板除与塔楼区域交界区域有微小向下变形外，其余均为正，顶板除与塔楼交界区域为0外，其余均为正，说明该区域是以整体上浮为主。

图6 塔楼区域地下室底板变形图

图7 塔楼区域地下室顶板变形图

图8 停车区域地下室底板变形图

图9 停车区域地下室顶板变形图

为进一步分析下室底板裂缝可能出现的区域，图10和图11给别出给了底板塔楼区域和停车区域各单元沿x向的应变分布图。结合图8和图9得到的结论，由于停车区域是以整体上浮为主，因此，截面表现为上拉下压，再结合图10和图11可知，底板上表面裂缝将发生在停车区域，且不在跨中。同时，塔楼区域是以局部上浮为主，与竖向构件交界附近截面表现为下拉上压，板跨中附近截面表现为上拉下压，即底板下表面裂缝将发生该区域与竖向构件交界附近。

图10 塔楼区域地下室底板应变分布图

图11 停车区域地下室底板应变分布图

4.2 补救措施

由文献[8]可知，抗浮措施主要包括地下室顶板或顶板加重、锚杆和抗拔桩。对于已建地下室建筑，采用锚杆和抗拔桩抗浮措施，施工难度、后续维护和经济效益都会收到显著影响，因此，加重是比较直接的方法。为确定更合理的加重方法，假设沿y向均匀加载，但沿x向加载跨数发生改变，图12和图13分别给出了停车区域地下室顶板和地下室顶板加重的各3种方案，分别为各跨均匀加载、中间三跨均匀加载和跨中均匀加载。

图12 地下室顶板加重方案

图13 地下室底板加重方案

对于各跨均匀加载，假设加重为1 kN/m2，在数值模拟时，将该荷载折算为板厚，并按照加载荷载总值相等的原则，改变中间三跨均匀加载和跨中均匀加载的板厚。经统计，在未加载之前，整体结构沿竖向最大变形为0.212 m，采用地下室顶板各跨均匀加载、中间三跨均匀加载和跨中均匀加载的竖向最大变形分别为0.189 m、0.188 m和0.193 m，采用地下室底板各跨均匀加载、中间三跨均匀加载和跨中均匀加载的竖向最大变形分别为0.177 m、0.175 m和0.176 m，表明采用加重地下室底板的抗浮措施比加重顶板有效，3种加载方式误差不大，中间三跨均匀加载略佳。

5 结论

考虑到塔式结构上浮与破坏现象普遍存在，利用ANSYS软件对塔式结构上浮的数值模拟方法、特点与措施进行了研究，得出以下结论：

1）对于地下室底板的塔楼区域，在抗浮数值模拟时，与竖向构件交界区域可用固定支座模拟，主要表现为局部上浮；

2）对于地下室底板的停车区域，如果采用浅基础，在抗浮数值模拟时，可不设置支座约束，主要表现为整体上浮；

3）地下室底板上表面裂缝主要分布在停车区域，且常不在跨中，底板下表面裂缝主要分布在塔楼区域的支座附近；

4）采用加重地下室底板的抗浮措施比加重顶板有效，各跨均匀加载、中间三跨均匀加载和跨中均匀加载方式效果相差不大，且中间三跨均匀加载方式稍佳。