基于非线性有限元理论的不均匀沉降对砌体结构的影响

2018-05-25 03:30:09李海健

建筑与装饰 2018年6期

李海健

龙口市住房保障和房产管理办公室山东烟台 265701

前言

砌体是由块体和砂浆砌筑而成的墙或柱[1]，包括砖砌体、砌块砌体、石砌体和墙板砌体，对于一般的建筑来说，砌体的重量占到整个建筑物自重的一半。砌体材料已经采用工业废料为原料的绿色建筑材料的砌块，建筑物的柱子作为建筑物最主要的受力构件，它包括砖结构、石结构和其他材料的砌块结构。

墙体裂缝会严重危害建筑物安全[2]，要对裂缝产生的原因进行分析和研究。一般情况下裂缝的产生主要是由于地基沉降产生尤其是不均匀的沉降，不均匀沉降在砌体建筑物引起裂缝事故占有很高的比例[3]，所以研究不均匀沉降和砌体之间的相互影响和相互作用是很有必要和有意义的[4]。

1 有限元模型建立

利用ANSYS有限元对砌体进行分析，将混凝土和其内部钢筋结合成一个整体相互间不产生相对位移，组成同一个单元；在计算时，分别对混凝土和钢筋按照各自的单元刚度矩阵进行，图1为砌体结构模型。

图1 砌体结构模型

在ANSYS软件中，对于墙体材料可采用当采用SOLID65三维实体单元进行模拟[5]，这个单元可以模拟变形和应变，混凝土的开裂和破碎的模拟可以采用SOLID65和CONCRETE相结合来进行。

2 有限元模型分析

ANSYS软件是通过各种求解器来计算相互关联的线型方程来分析和判断建筑结构工程的变化情况，结构是属于非线性问题，解决非线性问题通常采用线性方程对非线性进行拟合和逼近，在这样的求解过程中会存在误差的积累，可能最终导致计算无法收敛，为了解决这个问题，ANSYS采用了一种迭代方法，也叫增量迭代算法，可以使每一个增量阶段计算结果先进行收敛，这样对于整个计算过程来说可以起到消除误差的作用。本文以建筑物结构两端发生沉降作用的影响进行分析。

建筑物两端沉降产生的原因主要是由于两端地基结构土质强度不均匀，强度较低，中间地基强度较好，从而产生两端沉降。对于这种情况，在ANSYS分析中可以改变建筑物模型两端的弹簧刚度进行模拟两端沉降现象，可以分析计算建筑物的整体变形情况。

图2 两端沉降作用下模型整体位移图

图3 两端沉降作用下模型基础位移图

图2,3是ANSYS分析结果，可以看出在建筑物的整体变形中，两端下沉，沉降程度从两侧向中间逐步减小，在压力作用下，受力最大处位于建筑物底部中间部位，产生了强烈的压应力，建筑物下部产生凸起。整体来说，受力几中的部分在建筑物中部，图4为模型的一面墙体。取一面墙体进行分析，得到了在两端沉降作用下墙面的应力云图，如图5,6所示。

图4 一面墙体单元

图5 两端沉降作用下拉应力云图

图6 两端沉降作用下应力强度云图

云图中不同的颜色代表了不同的应力大小，很明显应力集中的地方出现在了建筑物门窗的角部，对整体墙面来说还出现的左右对称情况。随着建筑物楼层的升高，应力开始减小，应力最大位置为最底层的窗户角部，这是因为底部在沉降作用下变形最大。同样，对于切应力的变化在图6有所显示，是墙体受到剪力的作用，应力强度也是集中的地方出现在了建筑物门窗的角部，并随着建筑物楼层的升高，应力开始减小，模拟计算情况符合实际现象。不管是拉应力还是切应力，都是上层平缓，底层剧烈。通过模型可以看出，两端沉降位移大于中间部分沉降位移量，使整个建筑物承受负弯矩同时承受的剪切的作用。墙体裂缝就是在应力集中的地方产生，如图7,8所示。建筑物门窗开口部分，对整个墙体的强度起到了削弱的作用，同时在开口处的角部存在应力集中，当应力大于墙体材料的强度时，就会产生裂缝，同时裂缝会延展，向着沉降大的方向进行。

图7 两端沉降作用下最终裂缝图

图8 两端沉降作用下变形图

为了更好地分析建筑物墙体在两端沉降的作用下裂纹的产生和相关应力的变化情况，利用后置处理器可以生成沉降位移的变化曲线，整个建筑物是对称结构，从上面的云图分析也可以看出受力情况和变形情况也是呈现出对称结构，因此在绘制位移曲线时，可以取建筑物的一半墙体进行分析。先选取中间墙体部分一系列的连续节点，定义其为沉降方向的位移，通过增大位移量，其墙体受力也会逐渐增大，可以得到最终产生裂缝时的沉降量，如图9所示。同样方法，选取每层的底部变化情况进行分析，逐步加大位移量从而产生裂缝，可以得到每层的沉降位移变化曲线，能够直观的得到沉降位移变化和裂缝产生的相互关系。

图9 两端沉降作用下半墙的地基沉降量

通过ANSYS分析计算后，可以得到建筑物地基的变化情况，某些部位的倾斜值超过了0.004，这个数值明显是不符合国标《建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）》的要求，国标规定承载砌体建筑物的地基局部的倾斜值不能超过0.003，通过分析，这种两端沉降已经破坏了建筑物的结构。

在ANSYS对建筑物模型的分析中，是逐步增加载荷实现加载过程，整个分析计算过程一共是进行了152步的加载过程，第一条裂缝的出现是在第11步载荷加载，裂缝出现在第一层中间部分的开门洞口的底边角处。在第58步加载中，建筑物的顶层的门开口处出现了第二条裂缝，同时前面出现的第一条裂缝在不断地扩展。到了第96步，建筑物裂缝开始向二层的洞口发展，首先是出现在洞口的边角处，同时可以看出整体墙面变形加大，第110步，建筑物顶层产生的裂缝开始和二层产生的裂缝开始对接，随着加载步的增多，各楼层的裂纹不断扩展连接，发生剧烈变化，最严重的是底层裂纹。

图10～15就是裂缝变化情况图：