不均勻沉降對磚木結構歷史建筑影響分析

岳增國++金偉良++邵一鳴++齊金良++傅軍++周兆弟

摘 要：由于結構材料性能退化等因素影響，磚木結構歷史建筑抗變形能力較差，基礎結構的不均勻沉降往往引起歷史建筑的損傷，甚至引起倒塌事故的發生。該文通過對杭州市典型磚木結構歷史建筑進行有限元數值模擬分析，研究不均勻沉降對磚木結構歷史建筑的危害。分析結果表明：（1）當不均勻沉降時，磚墻體極易出現剪切和受拉裂縫，并隨著不均勻沉降增加而擴展；（2）當不均勻沉降達到5 mm時，磚墻體出現整片墻體破壞的情況，危害結構的安全；（3）當不均勻沉降發生時，應加強柱腳、木屋架支座等部位的檢測。

關鍵詞：磚木結構 歷史建筑 不均勻沉降

中圖分類號：U44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0103-02

歷史建筑是古代人民勞動藝術的結晶，也是悠久歷史的見證，反映了當地歷史風貌和地方特色，具有巨大的人文和歷史價值。隨著城市建設的快速發展，地鐵、高層建筑等城市地下設施和深基礎設施的施工對周邊既有建筑帶來很大影響，可能引起周邊建筑物基礎的不均勻沉降。由于建造年代久遠、結構材料性能退化、多采用條形基礎或擴大腳等淺基礎形式、上部結構多為磚混、磚木結構等因素的影響，歷史建筑的抗變形能力很差。基礎的不均勻沉降往往引起歷史建筑的開裂、歪閃、傾斜等損傷，嚴重的甚至會造成歷史建筑倒塌事故的發生。因而，需要對歷史建筑進行分析，確定其承受不均勻沉降的能力，將歷史建筑的不均勻沉降控制在其允許范圍之內，對其進行有效保護。

該文通過對杭州地區一典型磚木結構歷史建筑進行數值模擬分析，研究基礎不均勻沉降對磚木結構歷史建筑的影響，確定磚木結構歷史建筑在不均勻沉降發生時，歷史建筑應力分布及開裂情況。

1 工程概況

杭州市上城區郵電路16號民居建筑建于20世紀30年代，2004年5月24日，該民居建筑被杭州市人民政府列入杭州市第一批歷史建筑保護名單。

該民居建筑系二層（或稱假三層，帶閣樓，局部三層）混合結構樓房建筑。主要由主體及北側毗鄰房兩部分組成，南北朝向，其總建筑面積約為858.25 m2。其中，建筑主體為二層帶閣樓結構，五開間，東西方向外墻輪廓線尺寸為21 150 mm，南北方向外墻輪廓線尺寸為14 790 mm，一層層高為4.6 m，二層層高為4.13 m，檐底標高為8.130 m，屋脊標高為13.025 m；東南側為三層平頂式碉堡樓，三層層高為4.28 m，平屋頂標高為13.010 m。

房屋基礎為墻、柱下磚條形基礎，碎石摻石灰墊層。房屋上部結構主要承重構件為磚墻、鋼筋混凝土柱、木柱、木梁、木擱柵、木桁架、木檁條。

2 結構模型

2.1 材料性能及構件幾何尺寸

通過對建筑進行現場檢測，鋼筋混凝土柱混凝土強度等級為C15；墻體磚強度為MU10；砌筑砂漿為石灰砂漿，強度等級為M0.4。

各部分構件幾何尺寸分別如下。

（1）承重墻體：墻厚380 mm，部分墻厚240 mm，材料為燒結粘土磚，砂漿為石灰砂漿，墻體石灰墊層寬0.8 m，條形基礎寬0.6 m。

（2）鋼筋混凝土梁：截面尺寸240 mm×350 mm。

（3）鋼筋混凝土柱：截面尺寸240 mm×260 mm，配4根22 mm方鋼。

（4）樓板下木梁為180 mm×350 mm，木擱柵70×250@400。

（5）屋架：下弦木梁為120 mm×350 mm；上弦木梁為120 mm×200 mm；木柱150 mm×150 mm；屋面檁條為160 mm；圓木間距900 mm。

2.2 有限元模型

采用商業軟件ANSYS進行有限元分析，其中，砌體墻體、鋼筋混凝土樓板、木樓板、壁柱、條形基礎均采用Shell63單元模擬，基礎、鋼筋混凝土梁、木屋架、木柱、柱基礎均采用Beam4單元進行模擬，建立有限元模型。

縱向不均勻沉降模擬：沿建筑縱向，使建筑物一端沉降為0，沿著墻體縱向比例增加基礎沉降，使建筑物縱向另一端沉降為最大不均勻沉降值。

橫向不均勻沉降模擬：沿建筑橫向，使建筑物一端沉降為0，沿著墻體橫向比例增加基礎沉降，使建筑物橫向另一端沉降為最大不均勻沉降值。

2.3 荷載工況

分析中，結構除承受《建筑結構荷載規范》GB5008—2010中規定的基本荷載組合外（荷載大小按《建筑結構荷載規范》GB5008—2010取值），還承受不均勻沉降作用。

為分析不均勻沉降對磚木結構建筑性能的影響，在工況1的基礎上分別對縱向、橫向發生1 mm、2 mm、5 mm、10 mm不均勻沉降的8個工況進行分析，并與工況1進行比較。

3 結果分析

砌體結構墻體拉、壓應力分析如下。

由于磚木結構材料性能退化，磚墻體承受拉應力能力很差，當磚墻體中拉應力超過0.06 MPa時，則認為墻體出現裂縫；當墻體中拉應力超過0.33 MPa時，則認為墻體已到了破壞狀態，構件不能繼續承受荷載。

（1）結構最大主壓應力及最大主拉應力對不均勻沉降非常敏感，最大主壓應力和最大主拉應力均出現在鋼筋混凝土柱與磚基礎交接處。當不均勻沉降達到1 mm時，鋼筋混凝土柱與磚基礎接觸面的受拉側發生拉脫，在縱向不均勻沉降達到5 mm時，鋼筋混凝土柱與磚基礎接觸面的受壓側出現壓潰，而在橫向不均勻沉降達到1 mm時，鋼筋混凝土柱與磚基礎接觸面的受壓側出現壓潰。因此，當發生不均勻沉降時，柱腳應特別進行檢測，尤其是柱與基礎材質不同時。

（2）當不均勻沉降后，拉應力超過0.06 MPa墻體急劇增加，墻體出現裂縫，裂縫首先在寬度較小的墻體以及門窗洞口上集中出現，隨著不均勻沉降量的增加裂縫繼續增加。墻體方向與不均勻沉降方向一致時，墻體受到的影響更大。高寬比越大的墻體受不均勻沉降影響越大。

（3）根據《砌體結構規范》，當砌體墻體拉應力超過0.33 MPa時，墻體發生破壞。當不均勻沉降為1 mm時，部分墻體發生破壞；當不均勻沉降達到2 mm時，高寬比較大的墻體出現較大面積的破壞；當不均勻沉降達到5 mm時，高寬比較大的墻體出現整片墻的破壞，同時山墻發生對角線破壞。當不均勻沉降達到10 mm時，高寬比較大的墻體出現整片墻的破壞，山墻也幾乎全截面破壞，結構出現整體性破壞危險。

4 結論

通過以上分析可以得到以下結論。

（1）磚木結構歷史建筑最大拉應力及壓應力受不均勻沉降影響較大，出現在鋼筋混凝土柱與磚基礎交接處。因此，當發生不均勻沉降時，柱腳應特別進行檢測，尤其是柱與基礎材質不同時。

（2）當不均勻沉降后，磚木結構歷史建筑中磚墻體出現受拉開裂，并隨著不均勻沉降量的增加裂縫繼續增加，墻體方向與不均勻沉降方向一致時，墻體受到的影響更大，高寬比越大的墻體受不均勻沉降影響越大。

（3）當不均勻沉降達到5 mm時，磚木結構歷史建筑中高寬比較大的墻體出現整片墻的破壞，同時山墻發生對角線破壞。當不均勻沉降達到10 mm時，高寬比較大的墻體出現整片墻的破壞，山墻也幾乎全截面破壞，結構出現整體性破壞危險。

（4）當不均勻沉降后，磚木結構歷史建筑中磚墻體出現剪切裂縫，并隨著不均勻沉降的增加不斷擴展，當不均勻沉降達到5 mm時，全部墻體幾乎都出現剪切裂縫。

參考文獻

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