一種新型基礎(chǔ)豎向承載能力試驗研究與數(shù)值分析

王麗艷 馬進 于航

(1．吉林建筑大學，吉林長春 130000;2．吉林省陽光建設(shè)工程咨詢有限公司，吉林長春 130000)

0 引言

地基不均勻沉降引起上部墻體開裂問題，不僅影響了建筑的功能和美觀，造成房屋滲漏，甚至導致結(jié)構(gòu)安全度和抗震性能降低，引發(fā)安全事故［1］。從改善地基不均勻沉降問題出發(fā)，提出墻梁組合式基礎(chǔ):在地圈梁與基礎(chǔ)梁之間布置適量的構(gòu)造柱，將地圈梁、墻體、基礎(chǔ)梁聯(lián)系起來，形成剛度相對較大的組合式基礎(chǔ)，使地圈梁、墻體、基礎(chǔ)梁三者協(xié)同以抵抗地基變形所引起的上部結(jié)構(gòu)不利影響［2，3］。

1 墻梁式組合基礎(chǔ)物理模型試驗

1．1 試驗?zāi)Ｐ唾Y料

試驗?zāi)Ｐ头謨山M，試件1為中間設(shè)構(gòu)造柱的組合式基礎(chǔ)試件試驗?zāi)Ｐ停嚰?為中間未設(shè)構(gòu)造柱的組合式基礎(chǔ)試件試驗?zāi)Ｐ?，分別如圖1所示。

圖1 墻梁式組合基礎(chǔ)試件模型

試驗?zāi)Ｐ统叽鐬? 100 mm×1 000 mm×150 mm，采用C30混凝土、M5水泥砂漿和MU10粘土磚等試驗材料，梁底部縱向受力筋采用Φ10 HRB335鋼筋。同時進行相關(guān)材料的力學性能試驗:混凝土標準試塊(150 mm×150 mm×150 mm)、砂漿標準試塊(70．7 mm ×70．7 mm ×70．7 mm)、粘土磚(240 mm × 115 mm ×53 mm)、HRB335鋼筋等［4］，試驗材料的力學性能見表1。

表1 試驗材料力學特性

1．2 試驗加載制度

通過設(shè)置對照試驗研究構(gòu)造柱的布置對墻梁式組合基礎(chǔ)受力變形、破壞形態(tài)的影響。基礎(chǔ)試件模型制作完成、養(yǎng)護并達到設(shè)計強度后，用四立柱微機控制電液伺服壓力試驗機進行豎向承載能力試驗，得到基礎(chǔ)受力后的撓度、混凝土與鋼筋的應(yīng)力、應(yīng)變情況和墻體裂縫發(fā)展狀況、試件破壞形式等主要指標。

1．3 試驗結(jié)果分析

1．3．1 試件1破壞過程

首先進行預(yù)加載試驗，預(yù)加載值50 kN。在預(yù)加載過程中試件沒有出現(xiàn)裂縫，各項應(yīng)力、應(yīng)變指標均正常，處于彈性階段。再進行正式加載，當荷載加載到131 kN時，靠近邊柱偏上處墻體首先出現(xiàn)輕微斜裂縫，并向柱腳延伸;當加載到150 kN時，出現(xiàn)第二條斜裂縫，與第一條裂縫出現(xiàn)于墻體同一面，開始向下延伸;在此期間裂縫的發(fā)展比較緩慢;隨著荷載逐步加大，墻體的裂縫開始加快發(fā)展，大多數(shù)裂縫延伸至柱腳，但靠近中柱的墻體裂縫很少。加載至200 kN時，墻體表面砌體開始脫落，地圈梁的跨中撓度變大;加載到216 kN時，試件最終以底梁縱向鋼筋達到頸縮狀態(tài)被拉斷而破壞。試件1最終破壞形態(tài)見圖2a)。

1．3．2 試件2破壞過程

同樣進行預(yù)加載試驗，在預(yù)加載過程中沒有出現(xiàn)裂縫，各項應(yīng)力、應(yīng)變指標正常。進入正式加載階段，在荷載達到81 kN時，靠近邊柱偏上處墻體出現(xiàn)第一條輕微斜裂縫;隨后在加載到90 kN左右時，裂縫開始迅速開展發(fā)育且分布較分散，但沒有延伸至底梁。當荷載加大到102 kN時，墻體出現(xiàn)貫穿裂縫，并且裂縫多為延伸至底梁指向柱腳的斜裂縫;當荷載加載至130 kN以上，墻體中的部分墻體開始斷裂，試件在146 kN時以底梁跨中位置縱向鋼筋頸縮被拉斷而破壞。試件2最終破壞形態(tài)見圖2b)。

圖2 試件1，2破壞形態(tài)

1．3．3 試件1與試件2破壞形態(tài)分析

1)組合式基礎(chǔ)試件模型從開始加載到破壞，基本上經(jīng)歷了彈性、彈塑性和破壞三個階段。加荷值小于破壞荷載的40%時，試件表面與鋼筋的應(yīng)力與應(yīng)變之間基本上是線性關(guān)系，且試件縱向及橫向變形都較小。加荷值超過破壞荷載的50%后，兩試件靠近邊柱偏上處的墻體先出現(xiàn)斜裂縫，且都向柱腳延伸，但試件1中墻體裂縫的發(fā)展較試件2相對緩慢，表明中間構(gòu)造柱對墻體具有約束作用，其在墻體開裂后表現(xiàn)更為明顯。隨后，邊柱上部的水平方向變形逐漸增大，呈現(xiàn)出上部向外凸、下部向內(nèi)凹的曲線狀。

2)隨著荷載增加至破壞荷載，墻體內(nèi)裂縫擴展延伸并增多，向下部延伸貫通使墻體破壞。試件1的墻體表面裂縫相對集中，從加載位置延伸至柱腳;墻體表面脫落，裂縫貫穿，破壞嚴重。而試件2墻體表面裂縫比較分散;墻體表面未脫落，破壞較輕且與砂漿脫離形成貫穿裂縫;同時跨中撓度變形較試件1明顯，均表明試件1的整體性較試件2要好。靠近邊柱墻體內(nèi)裂縫延伸及開展情況較靠近中柱處程度要深，邊柱側(cè)面偏上處沿著墻體表面斜裂縫開展方向出現(xiàn)裂縫，邊柱內(nèi)部受力鋼筋應(yīng)力可接近鋼筋的屈服強度，但中柱上未出現(xiàn)裂縫，柱中鋼筋未達到屈服強度，表明構(gòu)造柱能夠大幅度提升整體協(xié)同受力性能。

對比兩試件破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，裂縫一旦出現(xiàn)，就迅速發(fā)展，但試件2裂縫發(fā)展速度明顯較快，最后以中間填充墻體脫落和底梁跨中撓度過大屈服而破壞，此時靠近中柱的墻體較完好，說明中間設(shè)構(gòu)造柱對試件的抗壓性能有明顯的提升作用。

2 數(shù)值模擬組合式基礎(chǔ)模型試驗

2．1 有限元模擬模型簡介

利用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬，采用分離式模型建模，混凝土采用Solid65單元，定義了混凝土開裂、壓碎破壞準則、單軸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系以確定屈服準則、流動法則、硬化法則等［5-7］;鋼筋采用Link8單元，采用雙線性隨動強化模型。

2．2 數(shù)值模擬試驗結(jié)果處理和分析

2．2．1 試件1數(shù)值模擬云圖

圖3 試件1加載過程應(yīng)變云圖

圖3a)應(yīng)變云圖中部顏色較深表示發(fā)生位移最小，邊柱部位發(fā)生位移最大，變形表現(xiàn)為從中部向兩端遞增的趨勢，變化很均勻;圖3b)很直觀地預(yù)測了試件的破壞形態(tài)，破壞比較集中，與物理試驗破壞狀態(tài)較為吻合。

2．2．2 試件2數(shù)值模擬云圖

圖4 試件2加載過程應(yīng)變云圖

圖4a)位移云圖中，Y向位移表現(xiàn)為從中部向兩端遞增的趨勢，變化比較均勻;圖4b)預(yù)測了試件的破壞形態(tài)，破壞狀態(tài)比較分散，基本與物理試驗破壞狀態(tài)吻合。

應(yīng)變云圖預(yù)測了破壞形態(tài)，同時也體現(xiàn)出試件1和試件2破壞形態(tài)存在差異，這與物理試驗是相互吻合的。各部位的拉壓應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變大小，體現(xiàn)了中間設(shè)置構(gòu)造柱后不同的受力狀態(tài)。但是，物理試驗與數(shù)值模擬試驗結(jié)果存在一定的差別，如跨中撓度值和豎向最大承載力等，分析原因在于數(shù)值模擬時支座處理及建立模型與實際情況存在差異所致，同時進入塑性階段有關(guān)參數(shù)的取值與實際情況有所差異。

3 結(jié)語

通過上述的受壓承載能力試驗與數(shù)值模擬，分析得到的結(jié)論:

1)在墻體內(nèi)設(shè)置的構(gòu)造柱能夠與地圈梁、墻體、基礎(chǔ)梁共同作用，約束墻體受壓時的橫向變形和改善墻體受壓時的穩(wěn)定性能，提高墻體的承載能力。

2)砌筑試件時采取的構(gòu)造措施，如墻體與構(gòu)造柱之間采用馬牙槎連接、墻體內(nèi)設(shè)分布筋等措施能夠保證柱與墻體的整體性及兩者的協(xié)同工作，使柱與墻體直到臨近破壞時，未見明顯的分離現(xiàn)象。

3)構(gòu)造柱能夠?qū)⒌厝α?、墻體和基礎(chǔ)梁聯(lián)系起來共同工作，形成簡單有效的組合式基礎(chǔ)，同時使結(jié)構(gòu)具有更大的剛度以承受更大的荷載，達到抵抗彎曲變形的效果，減輕地基不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)的影響。

4)墻梁式組合基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)形式，與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)形式相比，如采用箱形基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)，可以在不顯著增加建筑材料用量的同時降低工程施工復(fù)雜程度和成本，并具有較大的剛度。

［1］劉 暢，鄭 剛．地基不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)影響的彈性支撐分析法［J］．建筑結(jié)構(gòu)學報，2004(8):24-27．

［2］陳行之，李 衛(wèi)．設(shè)置鋼筋混凝土柱的磚墻體受壓時的承載能力［J］．建筑結(jié)構(gòu)學報，1995(1):33-39．

［3］李啟鑫，翟希梅．設(shè)置構(gòu)造柱混凝土砌塊墻體受壓承載力試驗研究［J］．建筑砌塊與砌塊建筑，2004(6):7-11．

［4］GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．

［5］董 軍，鄧洪洲，馬 星．地基不均勻沉降引起上部鋼結(jié)構(gòu)損壞的非線性全過程分析［J］．土木工程學報，2000(2):101-106．

［6］陸新征，江見鯨．利用ANSYSSolid65單元分析復(fù)雜應(yīng)力條件下的混凝土結(jié)構(gòu)［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2003(6):4-12．

［7］Padmarajaiah SK，Ramas wamy A．A Finite Element Assessment of Flexural Strength of Prestressed Concrete Beams with Fiber Reinforcement［J］．Cement ＆ Concrete Composites，2002，24(2):229-241．