不均匀沉降对砌体结构的影响分析

赵欣

中国山东对外经济技术合作集团有限公司250098

摘要：地基的不均匀沉降作用是导致砌体结构建筑物的墙体部分出现裂缝的主要原因之一。由于砌体结构本身在整体性及刚度方面的表现相对较差，加之其所涉及材料的抗拉、抗剪性能一般都不理想，致使砌体结构成为对沉降作用较为敏感的结构类型。一般只要发生较小的相对不均匀沉降就可在墙体产生显著地开裂，而墙体出现裂缝则是造成砌体结构房屋各种质量事故的首要表现形式。为了明确砌体结构房屋在各种不均匀沉降作用下墙体的裂缝产生原因和位置特点，本文利用有限元分析软件ANSYS，建立了条形基础上的三层砌体结构房屋模型以及其下部的地基模型，并且模拟所建结构模型在不同类型的不均匀沉降作用下的受力情况及破坏形态，对结果进行分析并且与实际情况相对比。

关键词：不均匀沉降，砌体结构，裂缝，ANSYS

砌体结构是由块材和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的以砌体为主制作的结构[1]。由于其具有取材便利，易于生产，价格低廉，并且施工工艺操作简单等优点而被广泛应用于住宅、办公楼等,同时砌体结构建筑在我国也经历了漫长的发展历程[2]。但是由于组成的砌体材料自身抗弯、抗剪能力的不足，以及在设计、施工阶段和外界环境变化等多方面因素的共同影响下而引发的砌体结构建筑物的质量事故也比较多，其中砌体结构房屋墙体裂缝就是其中最为常见的质量事故之一[3]。对于砌体结构的建筑物来讲，一旦出现了裂缝，其破坏的不仅是建筑本身的外在观感，而且裂缝会造成房屋的渗漏，甚至进一步会影响到房屋的整体性及耐久性，同时裂缝的产生也在房屋的使用者心理上带来不适应感与精神负担[4]。有很多的原因都会造成砌体结构房屋的墙体部分产生裂缝，其中主要是地基不均匀沉降、建筑物的各种变化、处置不当的构造措施、不合格的施工质量以及在施工中使用的材料不符合要求[5]。据有关统计分析，由地基不均匀沉降引起的裂缝在砌体结构裂缝事故中占据的比例较高，因此，对于不均匀沉降作用与砌体结构两者之间的相互影响进行深入地研究分析，具有重要的学术意义和工程应用价值[6-9]。本文通过利用ANSYS数值分析软件建立三层砌体结构模型，模拟在三种不均匀沉降作用下砌体结构房屋墙体的各种变化。

1模型的建立

本文所建立的模型主要由三部分构成，即砌体结构部分、钢筋混凝土部分以及地基部分。模型的主体是砌体结构部分，采用的是整体式模型，以SOLID65单元进行模拟砌块和砂浆部分；其次是钢筋混凝土部分，同样采用的是整体式模型，以SOLID65单元进行模拟基础、圈梁、构造柱部分；最后弹簧部分则采用COMBIN14单元，用以模拟地基部分。模型的不均匀沉降作用的施加方式是在基础底面各节点处设置竖向弹簧，通过改变不同位置处弹簧的刚度，在结构自重作用下产生不均匀沉降。

2ANSYS有限元数值分析

2．1两端沉降作用下的影响分析

两端沉降就是房屋的两端的地基土质软弱不均，存在不良的地质现象，而房屋的中部土质较好，采用改变两端弹簧刚度的方法使模型产生两端沉降现象，经过计算得到房屋整体位移情况，同时经过分析得到了一系列结果，现分析如下：

在模型的整体位移图中，通过不同颜色对应的数值可以看出，最大沉降值发生在两端，并且随着向中部靠近，沉降值逐渐减少，整体在沉降作用下变形成“八”字形，基础沉降变形呈“凸”形。具体分析，得到了在两端沉降作用下的应力云图以及最终开裂后的裂缝图：

在图2.1.1中可以看出，不同的颜色代表了不同的拉应力值大小，其中较大的拉应力值往往出现在门窗洞口的角部，并且墙体拉应力左右对称出现。随着层数的增加拉应力值较大区域在明显上移且缩小，拉应力最大值出现在底层窗口角部，总的来讲拉应力方向与发生沉降的方向一致。应力强度也就是切应力值的大小，图中可以看出在两端发生沉降作用后，墙体承受剪力，且随层数增加而显著减小，主要集中在首层。另外在门窗洞口角部也有出现明显变化，但变化位置与拉应力相反，较为符合实际情况。两图中无论拉应力还是切应力，在首层的变化总是趋于平缓，即首层的应力代表色出现较为均匀，而顶层则变化较为剧烈，往往在门窗洞口角部出现剧烈的突变，即应力代表色单调出现，没有过渡。模型的端部沉降量要大于中间部分的沉降量，致使整体结构形成了负弯矩并承受相应剪切作用。

图2.1.1两端沉降作用下拉应力云图

在拉应力较大的位置，通常会出现裂缝，且变形也拉应力方向相同。在房屋发生两端沉降时，纵向墙体承受了剪切作用，在门窗洞口处，由于洞口对墙体的削弱作用，在洞口的角部等处形成了应力集中，当拉应力值大于砌体材料的强度时，继而产生裂缝，且裂缝想沉降大的位置向上延伸发展，由于是两端墙体下沉较大，结合整面墙的裂缝形成情况其产生了类似于倒“八”字形的发展状态。在墙体顶部也出现了少量竖向裂缝，整个墙体变形呈反向挠曲，其与实际情况较为相符。

经ANSYS计算可知，通过对荷载子步逐一进行分析，得到在第11荷载子步时出现第一条裂缝，位置在首层的靠近中间位置的门洞口底端，且两边对称同时出现，此时基础的局部倾斜值为0.00335要大于规范规定的局部倾斜允许值，对于砌体结构建筑物来讲在实际情况下可以承受更大的局部倾斜值。最后几个荷载子步中各处裂缝继续发展延伸，特别是底层的裂缝延伸最为剧烈。

2．2中间沉降作用下的影响分析

中间沉降就是房屋中间部分的地基土质软弱不均匀，存在不良的地质现象，而房屋的两端土质较好，或者是即使地基土层十分均匀，但由于地基土层的扩散作用导致地基应力的分布不均而产生的中间沉降大、两端沉降小的情况。本文采用改变地基中间部分弹簧刚度的方法使模型产生中间沉降现象，以便进行分析。经过ANSYS软件计算，最终得到了房屋整体位移情况：

在模型的整体位移图中，通过不同颜色对应的数值可以看出，最大沉降值发生在中间，并且随着向两端靠近，沉降值逐渐减少，整体在沉降作用下变形成倒“八”字形，基础沉降变形呈“凹”形。具体分析，得到了应力云图以及最终开裂后的裂缝图：

在图2.2.1中可以看出在中间沉降作用下，墙体的中下部承受了较大的拉力，而端部则主要承受剪切作用。由于门窗洞口对墙体的整体性存在削弱作用，洞口角部位置产生了应力集中现象，则拉应力较大处广泛出现在各层的门窗洞口角部的应力集中区域。随着层数的增加，门窗洞口角部处的拉应力值逐渐减小，这一点可以从应力色块的逐渐缩小体现出。纵墙上的应力表现为对称出现，在各层产生较大应力值的门窗洞口的对角处都与上下洞口对角产生了一个连续的应力区。其中应力最大值出现在底层洞口角部，另外整个墙体主要在承受由沉降作用产生的剪力，底层墙体的剪切应力值明显较两端沉降时的大，且变化是底层均匀，范围较大，过渡性明显。随着层数的增加，应力值范围在减小，也就是说应力值对底部墙体影响较大。

图2.2.1中间沉降作用下拉应力云图

模型的中部沉降位移量较大．端部沉降位移量较小，建筑物整体形成了正弯矩，相应的变形呈正向挠曲，墙体由于剪应力形成的主拉应力值在门窗洞口角部位置大于砌体材料强度，致使破坏产生裂缝，且裂缝的发展方向为沉降的发生方向，则在中间墙体下沉较大的情况下，在整体产生了类似正“八”字形的裂缝，并且裂缝集中于顶层，这与实际情况较为符合。

经ANSYS处理可得，经过对荷载子步逐一查看，结合裂缝图的产生情况可得，在发展至第73荷载子步（对应局部倾斜值为0.00353）时在顶层的门洞口对角处首先出现裂缝，在此处也可以得出规范中所提出的允许值较为保守，保留了一定的安全储备，对于砌体结构建筑物来讲在实际情况下是可以承受更大的局部倾斜值而不出现裂缝的。以后随着荷载子步的增加，发现相对于底层，顶层角部裂缝发展较为剧烈。

2．3一段阶梯状沉降作用下的影响分析

一端阶梯状沉降作用是在模拟基坑周边土体的变化对附近建筑物的影响，一般就是建筑物越靠近基坑其沉降量也越大。这是由于基坑开挖的过程中必然会对原状土体造成扰动，支护结构在水平、垂直方向发生位移以及降水等措施对土体内原有应力的影响，导致原本平衡的主动土压力影响范围和被动土压力影响范围出现失衡并开始进行动态转变，致使基坑周边土体在较大范围内发生变形，从而造成建筑物在靠近基坑的一端产生了较大的沉降。在模型建立过程中，通过阶梯状改变地基弹簧刚度数值，即从假设靠近基坑一端向远离基坑一端的地基弹簧刚度逐渐增大，地基弹簧的刚度变化服从基坑周边土体弹性模量的变化趋势，即越靠近基坑土体的弹性模量越小。

在模型的整体位移图中，通过不同颜色值对应的数值可以看出，最大沉降值发生在一端，即假设靠近基坑一端，并且随着远离基坑，沉降值也逐渐减少。就沉降值来讲，楼层越高沉降量越大，整体在该沉降作用下变形类似于向近基坑一端下阶梯状，基础沉降变形呈楔形。在纵向墙体上，相同沉降量的区域呈斜向分布且较为均匀。对于这种类似于基坑周边建筑物沉降形式，在房屋顶部会出现大量裂缝并有向下延伸的趋势，另外在门窗洞口的角部还集中出现了许多裂缝且向沉降量大也就是靠近基坑的一端倾斜，主要集中在沉降量大即靠近基坑的一端的底层位置。

与以上模拟情况类似进行具体分析，得到了对应状态下的应力云图以及最终开裂后的裂缝图：

在图2.3.1中可以看出在模拟的阶梯沉降作用下，墙体的下部靠近基坑一端承受了较大的拉力，而墙体底部则主要承受剪应力。由于门窗洞口对整个墙体具有削弱作用，洞口角部位置产生应力集中，则拉应力较大处广泛出现在靠近基坑一端各层的门窗洞口角部，特别是集中在临近基坑的那个窗洞口。纵墙上的应力表现为随着其下地基弹簧刚度的减小，应力变化范围越大，在各层产生较大应力值的门窗洞口的对角处的应力区上下层相互独立。

图2.3.1阶梯沉降作用下拉应力云图

其中应力最大值出现在底层洞口角部，另外整个墙体主要在承受由沉降作用产生的剪力，底层墙体的剪切应力值明显是靠近基坑一端较大，且变化是各层均不均匀表现，涉及范围在底层较大。随着层数的增加，应力值范围在减小，也就是说剪应力值对底部墙体影响较大，这一点与前面的模拟情况相类似。

模型的一端沉降大．另一端沉降小，整体在平面上类似于悬臂梁悬臂一端受力时形成的弯矩形式，墙体由于剪应力形成的主拉应力值在顶部以及靠近基坑一端的底部的门窗洞口角部大于砌体材料强度，致使破坏产生裂缝，且产生的裂缝的发展方向为向下以及向沉降大的方向，则在阶梯状沉降大的一端，在整体产生了斜向沉降较大的靠近基坑一端的变形，并且裂缝集中于顶部与底层洞口角部，这与实际情况较为相符。

经ANSYS计算，通过荷载子步逐一核查可以发现在第13荷载子步（对应局部倾斜值为0.00357）时，墙体出现了第一道裂缝，出现的位置是首层靠近基坑一端底部的门洞口角部，以及顶层远离基坑一端的门洞口角部，两处一同出现，裂缝的延伸发展方向朝向靠近基坑一端。之后发现靠近基坑一端的底层墙体裂缝发展较快，扩展范围较大，直至最后严重破坏失效。

3结论

本文采用ANSYS有限元软件对砌体结构房屋分别在两端沉降、中间沉降以及基坑开挖、降水等作用产生的沉降三种情况下墙体的变形、受力和裂缝的开展进行了模拟，并与实际情况进行对比，通过对相关图像的详尽分析，得出以下几点结论：

（1）当地基中部土质密实坚硬而端部软弱，或者是由于上部结构各部分荷载差异较大等原因，造成房屋两端的沉降量大于中间时，墙体产生的裂缝呈“倒八”字形，且集中在门窗洞口的角部位置，另外在局部倾斜值发展到0.00335时墙体开始出现第一道裂缝；

（2）当地基中部土质较软弱而端部密实坚硬，或者建筑物的实际长高比设计过大、荷载相差较大等原因时，致使房屋的中间沉降量要大于两端，墙体产生的裂缝呈“正八”字形，同样集中在门窗洞口角部位置，在局部倾斜值发展到0.00353时墙体开始出现第一条裂缝；

（3）当由于基坑开挖、降水以及支护位移等情况造成的建筑物靠近基坑端的沉降较大，远离基坑的一端沉降较小时，墙体产生斜向裂缝且裂缝斜向沉降量较大的端部，同样集中在门窗洞口的角部位置，在局部倾斜值发展到0.00357时墙体开始出现第一道裂缝；

（4）第一条裂缝出现时的局部倾斜值要大于规范中所提到的允许值，说明规范中所提出的允许值较为保守，保留了一定的安全储备，对于砌体结构建筑物来讲在实际情况下是可以承受更大的局部倾斜值。

参考文献：

[1]徐占发,许大江.砌体结构[M].北京,中国建材工业出版社,2010.

[2]王文平,洪丽仙.砌体结构优缺点及设计要点的分析[J].建筑技术研究,2012(10)：54～56.

[3]刘荣生.砌体结构常见裂缝的分析与防治[J].建材技术与应用,2007(5)：47～48.

[4]谢湘赞.砌体结构裂缝原因分析及处理[J].施工技术,2011(1)：236.

[5]高凌翔.砌体结构常见裂缝的分析与防治[J].山西建筑,2006,32(7)：83～84.

[6]李亚敏,关于砖混结构房屋墙体裂缝问题的探讨:[硕士学位论文].陕西:西北农林科技大学,2007.

[7]徐剑波,地基不均匀沉降对房屋的危害分析及治理对策研究:[硕士学位论文].长沙:湖南大学,2006.

[8]杨熙,地基差异沉降下砌体结构的加固及有限元分析:[硕士学位论文].上海:同济大学,2009.

[9]王震宇,砌体结构房屋破坏原因分析:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2010.