不均勻沉降對(duì)磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑影響分析

岳增國(guó)++金偉良++邵一鳴++齊金良++傅軍++周兆弟

摘 要：由于結(jié)構(gòu)材料性能退化等因素影響，磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑抗變形能力較差，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(fā)生。該文通過(guò)對(duì)杭州市典型磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，研究不均勻沉降對(duì)磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑的危害。分析結(jié)果表明：（1）當(dāng)不均勻沉降時(shí)，磚墻體極易出現(xiàn)剪切和受拉裂縫，并隨著不均勻沉降增加而擴(kuò)展；（2）當(dāng)不均勻沉降達(dá)到5 mm時(shí)，磚墻體出現(xiàn)整片墻體破壞的情況，危害結(jié)構(gòu)的安全；（3）當(dāng)不均勻沉降發(fā)生時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)柱腳、木屋架支座等部位的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：磚木結(jié)構(gòu) 歷史建筑 不均勻沉降

中圖分類號(hào)：U44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（b）-0103-02

歷史建筑是古代人民勞動(dòng)藝術(shù)的結(jié)晶，也是悠久歷史的見證，反映了當(dāng)?shù)貧v史風(fēng)貌和地方特色，具有巨大的人文和歷史價(jià)值。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵、高層建筑等城市地下設(shè)施和深基礎(chǔ)設(shè)施的施工對(duì)周邊既有建筑帶來(lái)很大影響，可能引起周邊建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降。由于建造年代久遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)材料性能退化、多采用條形基礎(chǔ)或擴(kuò)大腳等淺基礎(chǔ)形式、上部結(jié)構(gòu)多為磚混、磚木結(jié)構(gòu)等因素的影響，歷史建筑的抗變形能力很差。基礎(chǔ)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(yán)重的甚至?xí)斐蓺v史建筑倒塌事故的發(fā)生。因而，需要對(duì)歷史建筑進(jìn)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(nèi)，對(duì)其進(jìn)行有效保護(hù)。

該文通過(guò)對(duì)杭州地區(qū)一典型磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑的影響，確定磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑在不均勻沉降發(fā)生時(shí)，歷史建筑應(yīng)力分布及開裂情況。

1 工程概況

杭州市上城區(qū)郵電路16號(hào)民居建筑建于20世紀(jì)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(hù)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(jié)構(gòu)樓房建筑。主要由主體及北側(cè)毗鄰房?jī)刹糠纸M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(jié)構(gòu)，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(biāo)高為8.130 m，屋脊標(biāo)高為13.025 m；東南側(cè)為三層平頂式碉堡樓，三層層高為4.28 m，平屋頂標(biāo)高為13.010 m。

房屋基礎(chǔ)為墻、柱下磚條形基礎(chǔ)，碎石摻石灰墊層。房屋上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)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(jié)構(gòu)模型

2.1 材料性能及構(gòu)件幾何尺寸

通過(guò)對(duì)建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，鋼筋混凝土柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15；墻體磚強(qiáng)度為MU10；砌筑砂漿為石灰砂漿，強(qiáng)度等級(jí)為M0.4。

各部分構(gòu)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(jié)粘土磚，砂漿為石灰砂漿，墻體石灰墊層寬0.8 m，條形基礎(chǔ)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(yè)軟件ANSYS進(jìn)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(chǔ)均采用Shell63單元模擬，基礎(chǔ)、鋼筋混凝土梁、木屋架、木柱、柱基礎(chǔ)均采用Beam4單元進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)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(jié)構(gòu)除承受《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5008—2010中規(guī)定的基本荷載組合外（荷載大小按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5008—2010取值），還承受不均勻沉降作用。

為分析不均勻沉降對(duì)磚木結(jié)構(gòu)建筑性能的影響，在工況1的基礎(chǔ)上分別對(duì)縱向、橫向發(fā)生1 mm、2 mm、5 mm、10 mm不均勻沉降的8個(gè)工況進(jìn)行分析，并與工況1進(jìn)行比較。

3 結(jié)果分析

砌體結(jié)構(gòu)墻體拉、壓應(yīng)力分析如下。

由于磚木結(jié)構(gòu)材料性能退化，磚墻體承受拉應(yīng)力能力很差，當(dāng)磚墻體中拉應(yīng)力超過(guò)0.06 MPa時(shí)，則認(rèn)為墻體出現(xiàn)裂縫；當(dāng)墻體中拉應(yīng)力超過(guò)0.33 MPa時(shí)，則認(rèn)為墻體已到了破壞狀態(tài)，構(gòu)件不能繼續(xù)承受荷載。

（1）結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力及最大主拉應(yīng)力對(duì)不均勻沉降非常敏感，最大主壓應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力均出現(xiàn)在鋼筋混凝土柱與磚基礎(chǔ)交接處。當(dāng)不均勻沉降達(dá)到1 mm時(shí)，鋼筋混凝土柱與磚基礎(chǔ)接觸面的受拉側(cè)發(fā)生拉脫，在縱向不均勻沉降達(dá)到5 mm時(shí)，鋼筋混凝土柱與磚基礎(chǔ)接觸面的受壓側(cè)出現(xiàn)壓潰，而在橫向不均勻沉降達(dá)到1 mm時(shí)，鋼筋混凝土柱與磚基礎(chǔ)接觸面的受壓側(cè)出現(xiàn)壓潰。因此，當(dāng)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，柱腳應(yīng)特別進(jìn)行檢測(cè)，尤其是柱與基礎(chǔ)材質(zhì)不同時(shí)。

（2）當(dāng)不均勻沉降后，拉應(yīng)力超過(guò)0.06 MPa墻體急劇增加，墻體出現(xiàn)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(xiàn)，隨著不均勻沉降量的增加裂縫繼續(xù)增加。墻體方向與不均勻沉降方向一致時(shí)，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(jù)《砌體結(jié)構(gòu)規(guī)范》，當(dāng)砌體墻體拉應(yīng)力超過(guò)0.33 MPa時(shí)，墻體發(fā)生破壞。當(dāng)不均勻沉降為1 mm時(shí)，部分墻體發(fā)生破壞；當(dāng)不均勻沉降達(dá)到2 mm時(shí)，高寬比較大的墻體出現(xiàn)較大面積的破壞；當(dāng)不均勻沉降達(dá)到5 mm時(shí)，高寬比較大的墻體出現(xiàn)整片墻的破壞，同時(shí)山墻發(fā)生對(duì)角線破壞。當(dāng)不均勻沉降達(dá)到10 mm時(shí)，高寬比較大的墻體出現(xiàn)整片墻的破壞，山墻也幾乎全截面破壞，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體性破壞危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得到以下結(jié)論。

（1）磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力受不均勻沉降影響較大，出現(xiàn)在鋼筋混凝土柱與磚基礎(chǔ)交接處。因此，當(dāng)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，柱腳應(yīng)特別進(jìn)行檢測(cè)，尤其是柱與基礎(chǔ)材質(zhì)不同時(shí)。

（2）當(dāng)不均勻沉降后，磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑中磚墻體出現(xiàn)受拉開裂，并隨著不均勻沉降量的增加裂縫繼續(xù)增加，墻體方向與不均勻沉降方向一致時(shí)，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(dāng)不均勻沉降達(dá)到5 mm時(shí)，磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑中高寬比較大的墻體出現(xiàn)整片墻的破壞，同時(shí)山墻發(fā)生對(duì)角線破壞。當(dāng)不均勻沉降達(dá)到10 mm時(shí)，高寬比較大的墻體出現(xiàn)整片墻的破壞，山墻也幾乎全截面破壞，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體性破壞危險(xiǎn)。

（4）當(dāng)不均勻沉降后，磚木結(jié)構(gòu)歷史建筑中磚墻體出現(xiàn)剪切裂縫，并隨著不均勻沉降的增加不斷擴(kuò)展，當(dāng)不均勻沉降達(dá)到5 mm時(shí)，全部墻體幾乎都出現(xiàn)剪切裂縫。

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