不均匀沉降后结构安全性分析

不均匀沉降后结构安全性分析

戴然

安徽省水利部淮委水利科学研究院安徽省建筑工程质量监督检测站安徽合肥

摘要：建筑物的不均匀沉降在一定程度上对地基和上部结构之间的力学平衡造成了破坏，继而引起建筑物上部结构内力重新分布，最终造成上部结构变形甚至破坏，对建筑的安全性造成影响。除此之外，建筑物的不均匀沉降也会改变上部结构的结构动力特性，影响建筑物的抗震性能。

关键词：基础沉降；结构安全性；地震作用

1建筑物的不均匀沉降的影响

建筑物的不均匀沉降在一定程度上对地基和上部结构之间的力学平衡造成了破坏，继而引起建筑物上部结构内力重新分布，最终造成上部结构变形甚至破坏，对建筑的安全性造成影响。除此之外，建筑物的不均匀沉降也会改变上部结构的结构动力特性，影响建筑物的抗震性能。

建筑物的不均匀沉降对建筑物上部结构的影响主要体现在三个方面，分别为墙体开裂、建筑倾斜以及柱体断裂。建筑物的不均匀沉降会造成墙体产生拉应力并使墙体出现裂缝。就长高比较大的砖混结构建筑物而言，若建筑物不均匀沉降发生在中部的沉降量大于两侧沉降量，则沿着沉降方向的墙面可能会出现“八”字型裂缝。若建筑物结构两边沉降量高于中部沉降量，则墙面裂缝为“倒八”字型。当建筑物沉降量大于一定范围时可能会出现整体倾斜或倒塌。若建筑物结构为框架型结构则会造成柱的断裂或压碎。在一定范围内建筑物的倾斜不会对其结构特性造成明显改变，但若建筑物倾斜超过规定范围，建筑物重心出现严重偏移，则势必对建筑物造成严重破坏。

2基础沉降对上部结构影响的研究现状

在建筑物发生不均匀沉降后要求建筑结构能达到原有抗震设防要求，并满足安全使用条件，建筑物沉降的具体破坏形式需对沉降结构受力性能进行研究后才能予以确定。

对建筑物早期的不均匀沉降问题研究主要集中于地基土的基本特性研究，通过对地基土承载力的验算复核来完成最终沉降量的控制，保证建筑物达到使用安全条件。在实践中，建筑物地基及其上部结构之间是相互作用的，建筑物发生不均匀沉降后将会造成建筑上部结构内力产生改变，继而出现差异变形，这种变形会不断循环并最终对建筑物的结构特性造成影响。

国外有学者对建筑物基础沉降与上部结构破坏形式和程度之间的相关性进行了全面充分的研究。例如对建筑结构沉降机理的预测以及最终沉降值的运算，并对沉降引起的建筑结构附加内力变形变化规律进行了总结。我国学者对基础沉降造成的建筑上部框架结构内力变化也进行了研究，通过工程实践中所测得的数据来对基础沉降引起的框架结构特性进行总结分析，并基于此构建了数学模型。

3基础沉降对结构的影响分析

建筑的独立角柱或边柱的不均匀沉降对于建筑的影响是局部的，发生沉降的角柱或边柱对临近量梁柱的内力影响明显，对于其余框架梁柱影响较小。局部沉降对梁柱节点位移的影响与楼层高度有关，两者为正相关关系；局部沉降对于弯矩和剪力的影响随层高增加而减少，局部沉降与发生沉降的独立柱紧邻梁支座弯矩影响较大。当沉降量相同时局部沉降中若干独立柱共同联合沉降影响相较于单根独立柱而言更大，影响范围和对建筑物的整体破坏性也更强。当建筑物均匀沉降时对框架和内力影响较小。因此在对建筑物进行基础设计时应当尽量考虑使用条形基础等形式。建筑物的整体倾斜沉降对建筑物框架位移的影响与楼层高度呈正相关关系；整体沉降对轴力影响既可能增加也可能减小。在处于某一轴线的框架柱轴力均有所增加或减少。当建筑物地基出现盆形沉降时，沉降对远离对称中心的梁柱影响较小，且随着楼层的增加剪力和弯矩均有所降低，在框架两对角线上的轴力变化情况分别为增加和减小状态。

4沉降结构在地震作用下影响分析

对建筑物沉降结构进行弹塑性时程相应分析时，借助构建的数学模型计算了建筑物结构在地震作用下的变形和破坏过程，并对试验计算结果进行了总结和分析，其结论如下：1.在地震力作用下，建筑结构各层位移随楼层增高而逐渐增大。其中单侧沉降随沉降范围增加而增加，建筑结构各层位移值也有所增加。相较于单侧沉降而言，中部沉降量较小，但中部沉降会造成建筑结构重心下降，最终使结构沉降后地震作用下建筑各层位移值有所减少。由此可知，建筑的中部沉降有利于对地震作用下的侧向位移进行控制。2.就结构楼层位移角变化而言，在7度罕遇地震作用下，建筑沉降出现塑性变形，但均在建筑抗震安全规范范围之内。随建筑物高度的降低，位移角有所增大。结构模型的底层柱端对结构变形起到一定限制作用，因此底层位移角增加相较于其他层而言较小。3.建筑未沉降部分在地震作用下具有更大的顶点加速度，由于建筑物的中部沉降在一定程度上降低了结构重心，因此顶点加速度小于单侧沉降结构。4.建筑物结构沉降在一定程度上会影响到建筑物的抗震能力，但通过数值模拟可知，在建筑物出现沉降后整体结构塑性铰以梁铰破坏模式为主，在地震作用下建筑结构破坏形式为柱铰破坏模式。大量梁铰具有重新分布内力的作用，在地震发生时可通过塑性铰转动来耗散地震能量。结构柱端塑性铰出现在结构底部，当地震对建筑物的作用力较大，通过塑性铰转动不能完全耗散时，在建筑结构的其他部位便会出现柱铰。当底层塑性铰屈服后，结构在地震力作用下可绕底部转动，在一定程度上增加了结构的耗能性能。5.当建筑物为混凝土框架结构且出现单侧沉降时，沉降区和未沉降区范围比值接近于1，建筑物在地震力作用下可能会引起塑性铰屈服，此时塑性铰可能进入IO阶段；当建筑结构中部出现沉降时，存在沉降差结构柱范围大，则建筑物结构越容易受地震破坏。6.当混凝土框架结构建筑物出现单侧沉降时，在地震作用下，除底层出现柱端塑性铰之外，在建筑物较低楼层也可能出现塑性铰，当出现柱铰后该位置抵抗侧向地震力的能力有所降低，在地震力作用下会首先被破坏。在地震力作用下，建筑物中部沉降结构和顶部结构分别会出现柱端塑性铰和柱铰，柱铰的出现会降低其所在楼层的抗震能力，因此在地震力作用下会造成结构破坏。通过上述分析明确了建筑结构在地震力作用下的受力特点，同时也明确了建筑物结构的薄弱环节，为建筑物的抗震保护与框架结构加固提供了一定的理论支持。

5总结

建筑物发生不均匀沉降时建筑物不同楼层的沉降差不同，这也是导致结构梁性能变化的主要影响因素。随着建筑物沉降范围的扩大，建筑物中受沉降影响的梁数量有所增多，这些受影响的梁剪力和弯矩也有所增加。相较于其他沉降工况而言，当建筑物结构出现整体倾斜时梁所受内力影响最小。在建筑物出现单侧沉降并逐渐扩展时，柱弯矩和剪力最大值发生于沉降分界线，未沉降区域内柱弯矩和剪力受到沉降范围的影响而逐渐增大。柱轴力最大值出现于沉降区临近结构柱上，其他结构柱在单侧沉降发展时轴力变化不明显。在中部沉降逐渐扩展时，沉降范围内底层柱弯矩和剪力随沉降范围逐渐扩大，其中柱弯矩在沉降区域边界变化将为明显。在沉降中心区域柱轴力相较于两侧有所降低，在沉降区域边界未沉降轴力增加较为明显。在地震力作用下沉降结构各层侧向位移由下而上逐渐增加，并在建筑物结构顶层达到最大值。中部沉降会降低建筑物结构重心，导致在地震后建筑物各层位移值相较于单侧沉降而言有所减小。由此可知，建筑物中部沉降在一定程度上有利于控制建筑结构在地震作用下的侧向位移。就建筑物楼层位移角变化层面而言，在7度罕遇地震作用下，建筑沉降出现塑性变形，但均在建筑抗震安全规范范围之内。随建筑物高度的降低，位移角有所增大。当混凝土框架结构建筑物出现单侧沉降时，在地震作用下，除底层出现柱端塑性铰之外，在建筑物较低楼层也可能出现塑性铰，当出现柱铰后该位置抵抗侧向地震力的能力有所降低，在地震力作用下会首先被破坏。在地震力作用下，建筑物中部沉降结构和顶部结构分别会出现柱端塑性铰和柱铰，柱铰的出现会降低其所在楼层的抗震能力，因此在地震力作用下会造成结构破坏。