基于非線性有限元理論的不均勻沉降對砌體結構的影響

2018-05-25 03:30:09李海健

建筑與裝飾 2018年6期

李海健

龍口市住房保障和房產管理辦公室山東煙臺 265701

前言

砌體是由塊體和砂漿砌筑而成的墻或柱[1]，包括磚砌體、砌塊砌體、石砌體和墻板砌體，對于一般的建筑來說，砌體的重量占到整個建筑物自重的一半。砌體材料已經采用工業廢料為原料的綠色建筑材料的砌塊，建筑物的柱子作為建筑物最主要的受力構件，它包括磚結構、石結構和其他材料的砌塊結構。

墻體裂縫會嚴重危害建筑物安全[2]，要對裂縫產生的原因進行分析和研究。一般情況下裂縫的產生主要是由于地基沉降產生尤其是不均勻的沉降，不均勻沉降在砌體建筑物引起裂縫事故占有很高的比例[3]，所以研究不均勻沉降和砌體之間的相互影響和相互作用是很有必要和有意義的[4]。

1 有限元模型建立

利用ANSYS有限元對砌體進行分析，將混凝土和其內部鋼筋結合成一個整體相互間不產生相對位移，組成同一個單元；在計算時，分別對混凝土和鋼筋按照各自的單元剛度矩陣進行，圖1為砌體結構模型。

圖1 砌體結構模型

在ANSYS軟件中，對于墻體材料可采用當采用SOLID65三維實體單元進行模擬[5]，這個單元可以模擬變形和應變，混凝土的開裂和破碎的模擬可以采用SOLID65和CONCRETE相結合來進行。

2 有限元模型分析

ANSYS軟件是通過各種求解器來計算相互關聯的線型方程來分析和判斷建筑結構工程的變化情況，結構是屬于非線性問題，解決非線性問題通常采用線性方程對非線性進行擬合和逼近，在這樣的求解過程中會存在誤差的積累，可能最終導致計算無法收斂，為了解決這個問題，ANSYS采用了一種迭代方法，也叫增量迭代算法，可以使每一個增量階段計算結果先進行收斂，這樣對于整個計算過程來說可以起到消除誤差的作用。本文以建筑物結構兩端發生沉降作用的影響進行分析。

建筑物兩端沉降產生的原因主要是由于兩端地基結構土質強度不均勻，強度較低，中間地基強度較好，從而產生兩端沉降。對于這種情況，在ANSYS分析中可以改變建筑物模型兩端的彈簧剛度進行模擬兩端沉降現象，可以分析計算建筑物的整體變形情況。

圖2 兩端沉降作用下模型整體位移圖

圖3 兩端沉降作用下模型基礎位移圖

圖2,3是ANSYS分析結果，可以看出在建筑物的整體變形中，兩端下沉，沉降程度從兩側向中間逐步減小，在壓力作用下，受力最大處位于建筑物底部中間部位，產生了強烈的壓應力，建筑物下部產生凸起。整體來說，受力幾中的部分在建筑物中部，圖4為模型的一面墻體。取一面墻體進行分析，得到了在兩端沉降作用下墻面的應力云圖，如圖5,6所示。

圖4 一面墻體單元

圖5 兩端沉降作用下拉應力云圖

圖6 兩端沉降作用下應力強度云圖

云圖中不同的顏色代表了不同的應力大小，很明顯應力集中的地方出現在了建筑物門窗的角部，對整體墻面來說還出現的左右對稱情況。隨著建筑物樓層的升高，應力開始減小，應力最大位置為最底層的窗戶角部，這是因為底部在沉降作用下變形最大。同樣，對于切應力的變化在圖6有所顯示，是墻體受到剪力的作用，應力強度也是集中的地方出現在了建筑物門窗的角部，并隨著建筑物樓層的升高，應力開始減小，模擬計算情況符合實際現象。不管是拉應力還是切應力，都是上層平緩，底層劇烈。通過模型可以看出，兩端沉降位移大于中間部分沉降位移量，使整個建筑物承受負彎矩同時承受的剪切的作用。墻體裂縫就是在應力集中的地方產生，如圖7,8所示。建筑物門窗開口部分，對整個墻體的強度起到了削弱的作用，同時在開口處的角部存在應力集中，當應力大于墻體材料的強度時，就會產生裂縫，同時裂縫會延展，向著沉降大的方向進行。

圖7 兩端沉降作用下最終裂縫圖

圖8 兩端沉降作用下變形圖

為了更好地分析建筑物墻體在兩端沉降的作用下裂紋的產生和相關應力的變化情況，利用后置處理器可以生成沉降位移的變化曲線，整個建筑物是對稱結構，從上面的云圖分析也可以看出受力情況和變形情況也是呈現出對稱結構，因此在繪制位移曲線時，可以取建筑物的一半墻體進行分析。先選取中間墻體部分一系列的連續節點，定義其為沉降方向的位移，通過增大位移量，其墻體受力也會逐漸增大，可以得到最終產生裂縫時的沉降量，如圖9所示。同樣方法，選取每層的底部變化情況進行分析，逐步加大位移量從而產生裂縫，可以得到每層的沉降位移變化曲線，能夠直觀的得到沉降位移變化和裂縫產生的相互關系。

圖9 兩端沉降作用下半墻的地基沉降量

通過ANSYS分析計算后，可以得到建筑物地基的變化情況，某些部位的傾斜值超過了0.004，這個數值明顯是不符合國標《建筑地基基礎設計規范（GB50007-2011）》的要求，國標規定承載砌體建筑物的地基局部的傾斜值不能超過0.003，通過分析，這種兩端沉降已經破壞了建筑物的結構。

在ANSYS對建筑物模型的分析中，是逐步增加載荷實現加載過程，整個分析計算過程一共是進行了152步的加載過程，第一條裂縫的出現是在第11步載荷加載，裂縫出現在第一層中間部分的開門洞口的底邊角處。在第58步加載中，建筑物的頂層的門開口處出現了第二條裂縫，同時前面出現的第一條裂縫在不斷地擴展。到了第96步，建筑物裂縫開始向二層的洞口發展，首先是出現在洞口的邊角處，同時可以看出整體墻面變形加大，第110步，建筑物頂層產生的裂縫開始和二層產生的裂縫開始對接，隨著加載步的增多，各樓層的裂紋不斷擴展連接，發生劇烈變化，最嚴重的是底層裂紋。

圖10～15就是裂縫變化情況圖：