不均匀沉降对砖木结构历史建筑影响分析

岳增国++金伟良++邵一鸣++齐金良++傅军++周兆弟

摘 要：由于结构材料性能退化等因素影响，砖木结构历史建筑抗变形能力较差，基础结构的不均匀沉降往往引起历史建筑的损伤，甚至引起倒塌事故的发生。该文通过对杭州市典型砖木结构历史建筑进行有限元数值模拟分析，研究不均匀沉降对砖木结构历史建筑的危害。分析结果表明：（1）当不均匀沉降时，砖墙体极易出现剪切和受拉裂缝，并随着不均匀沉降增加而扩展；（2）当不均匀沉降达到5 mm时，砖墙体出现整片墙体破坏的情况，危害结构的安全；（3）当不均匀沉降发生时，应加强柱脚、木屋架支座等部位的检测。

关键词：砖木结构 历史建筑 不均匀沉降

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0103-02

历史建筑是古代人民劳动艺术的结晶，也是悠久历史的见证，反映了当地历史风貌和地方特色，具有巨大的人文和历史价值。随着城市建设的快速发展，地铁、高层建筑等城市地下设施和深基础设施的施工对周边既有建筑带来很大影响，可能引起周边建筑物基础的不均匀沉降。由于建造年代久远、结构材料性能退化、多采用条形基础或扩大脚等浅基础形式、上部结构多为砖混、砖木结构等因素的影响，历史建筑的抗变形能力很差。基础的不均匀沉降往往引起历史建筑的开裂、歪闪、倾斜等损伤，严重的甚至会造成历史建筑倒塌事故的发生。因而，需要对历史建筑进行分析，确定其承受不均匀沉降的能力，将历史建筑的不均匀沉降控制在其允许范围之内，对其进行有效保护。

该文通过对杭州地区一典型砖木结构历史建筑进行数值模拟分析，研究基础不均匀沉降对砖木结构历史建筑的影响，确定砖木结构历史建筑在不均匀沉降发生时，历史建筑应力分布及开裂情况。

1 工程概况

杭州市上城区邮电路16号民居建筑建于20世纪30年代，2004年5月24日，该民居建筑被杭州市人民政府列入杭州市第一批历史建筑保护名单。

该民居建筑系二层（或称假三层，带阁楼，局部三层）混合结构楼房建筑。主要由主体及北侧毗邻房两部分组成，南北朝向，其总建筑面积约为858.25 m2。其中，建筑主体为二层带阁楼结构，五开间，东西方向外墙轮廓线尺寸为21 150 mm，南北方向外墙轮廓线尺寸为14 790 mm，一层层高为4.6 m，二层层高为4.13 m，檐底标高为8.130 m，屋脊标高为13.025 m；东南侧为三层平顶式碉堡楼，三层层高为4.28 m，平屋顶标高为13.010 m。

房屋基础为墙、柱下砖条形基础，碎石掺石灰垫层。房屋上部结构主要承重构件为砖墙、钢筋混凝土柱、木柱、木梁、木搁栅、木桁架、木檩条。

2 结构模型

2.1 材料性能及构件几何尺寸

通过对建筑进行现场检测，钢筋混凝土柱混凝土强度等级为C15；墙体砖强度为MU10；砌筑砂浆为石灰砂浆，强度等级为M0.4。

各部分构件几何尺寸分别如下。

（1）承重墙体：墙厚380 mm，部分墙厚240 mm，材料为烧结粘土砖，砂浆为石灰砂浆，墙体石灰垫层宽0.8 m，条形基础宽0.6 m。

（2）钢筋混凝土梁：截面尺寸240 mm×350 mm。

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

（4）楼板下木梁为180 mm×350 mm，木搁栅70×250@400。

（5）屋架：下弦木梁为120 mm×350 mm；上弦木梁为120 mm×200 mm；木柱150 mm×150 mm；屋面檩条为160 mm；圆木间距900 mm。

2.2 有限元模型

采用商业软件ANSYS进行有限元分析，其中，砌体墙体、钢筋混凝土楼板、木楼板、壁柱、条形基础均采用Shell63单元模拟，基础、钢筋混凝土梁、木屋架、木柱、柱基础均采用Beam4单元进行模拟，建立有限元模型。

纵向不均匀沉降模拟：沿建筑纵向，使建筑物一端沉降为0，沿着墙体纵向比例增加基础沉降，使建筑物纵向另一端沉降为最大不均匀沉降值。

横向不均匀沉降模拟：沿建筑横向，使建筑物一端沉降为0，沿着墙体横向比例增加基础沉降，使建筑物横向另一端沉降为最大不均匀沉降值。

2.3 荷载工况

分析中，结构除承受《建筑结构荷载规范》GB5008—2010中规定的基本荷载组合外（荷载大小按《建筑结构荷载规范》GB5008—2010取值），还承受不均匀沉降作用。

为分析不均匀沉降对砖木结构建筑性能的影响，在工况1的基礎上分别对纵向、横向发生1 mm、2 mm、5 mm、10 mm不均匀沉降的8个工况进行分析，并与工况1进行比较。

3 结果分析

砌体结构墙体拉、压应力分析如下。

由于砖木结构材料性能退化，砖墙体承受拉应力能力很差，当砖墙体中拉应力超过0.06 MPa时，则认为墙体出现裂缝；当墙体中拉应力超过0.33 MPa时，则认为墙体已到了破坏状态，构件不能继续承受荷载。

（1）结构最大主压应力及最大主拉应力对不均匀沉降非常敏感，最大主压应力和最大主拉应力均出现在钢筋混凝土柱与砖基础交接处。当不均匀沉降达到1 mm时，钢筋混凝土柱与砖基础接触面的受拉侧发生拉脱，在纵向不均匀沉降达到5 mm时，钢筋混凝土柱与砖基础接触面的受压侧出现压溃，而在横向不均匀沉降达到1 mm时，钢筋混凝土柱与砖基础接触面的受压侧出现压溃。因此，当发生不均匀沉降时，柱脚应特别进行检测，尤其是柱与基础材质不同时。

（2）当不均匀沉降后，拉应力超过0.06 MPa墙体急剧增加，墙体出现裂缝，裂缝首先在宽度较小的墙体以及门窗洞口上集中出现，随着不均匀沉降量的增加裂缝继续增加。墙体方向与不均匀沉降方向一致时，墙体受到的影响更大。高宽比越大的墙体受不均匀沉降影响越大。

（3）根据《砌体结构规范》，当砌体墙体拉应力超过0.33 MPa时，墙体发生破坏。当不均匀沉降为1 mm时，部分墙体发生破坏；当不均匀沉降达到2 mm时，高宽比较大的墙体出现较大面积的破坏；当不均匀沉降达到5 mm时，高宽比较大的墙体出现整片墙的破坏，同时山墙发生对角线破坏。当不均匀沉降达到10 mm时，高宽比较大的墙体出现整片墙的破坏，山墙也几乎全截面破坏，结构出现整体性破坏危险。

4 结论

通过以上分析可以得到以下结论。

（1）砖木结构历史建筑最大拉应力及压应力受不均匀沉降影响较大，出现在钢筋混凝土柱与砖基础交接处。因此，当发生不均匀沉降时，柱脚应特别进行检测，尤其是柱与基础材质不同时。

（2）当不均匀沉降后，砖木结构历史建筑中砖墙体出现受拉开裂，并随着不均匀沉降量的增加裂缝继续增加，墙体方向与不均匀沉降方向一致时，墙体受到的影响更大，高宽比越大的墙体受不均匀沉降影响越大。

（3）当不均匀沉降达到5 mm时，砖木结构历史建筑中高宽比较大的墙体出现整片墙的破坏，同时山墙发生对角线破坏。当不均匀沉降达到10 mm时，高宽比较大的墙体出现整片墙的破坏，山墙也几乎全截面破坏，结构出现整体性破坏危险。

（4）当不均匀沉降后，砖木结构历史建筑中砖墙体出现剪切裂缝，并随着不均匀沉降的增加不断扩展，当不均匀沉降达到5 mm时，全部墙体几乎都出现剪切裂缝。

参考文献

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