砌體房屋平移中磚柱托換節(jié)點受力性能分析

陳大川 周楚瑤 張建華 劉武

摘要：托換節(jié)點的可靠性是保證房屋整體平移安全的重要因素之一.為研究磚柱托換節(jié)點在平移過程中的受力性能，以某保護(hù)建筑為例，采用ABAQUS有限元軟件建立了平移工程中磚柱托換節(jié)點的有限元模型，分別對采用高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)（HPFL）加固的托換節(jié)點和未加固的托換節(jié)點的受力和變形性能進(jìn)行分析，同時結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對有限元結(jié)果進(jìn)行對比分析.結(jié)果表明，采用HPFL加固方式能有效提高磚柱托換節(jié)點的承載力和變形能力，有效抵抗平移過程中各種不利作用，該加固托換方式是安全可靠的；實際監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好，證明了該模擬方法的可行性.

關(guān)鍵詞：砌體結(jié)構(gòu)；托換節(jié)點；磚柱；加固；平移

中圖分類號：TU398文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis on Mechanical Behavior of Brick Columns Underpinning Joints in Masonry Building Structure Moving

CHEN Dachuan1，2，3，ZHOU Chuyao1，2，3，ZHANG Jianhua4，LIU Wu4

（1. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；2. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency（Hunan University）of the Ministry of Education，Changsha 410082，China；3. Key Laboratory for Damage Diagnosis of Engineering Structures（Hunan University）of Hunan Province，Changsha 410082，China；4. China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co Ltd，Changsha 410021，China）

Abstract：The reliability of the brick column underpinning joints is one of the important factors to ensure the safety of building monolithic moving. In order to study the mechanical performance of the brick column underpinning joints in the process of moving， this paper takes a protected building as an example and uses the ABAQUS finite ele-ment software to establish the finite element model of the brick column underpinning joints. Through the simulation analysis，the stress and deformation performance of high performance ferrocement laminate（HPFL）reinforced and unreinforced underpinning joints are investigated. Meanwhile，the comparison with field monitoring data are also car-ried out. The results show that HPFL reinforcement method can effectively improve the bearing capacity and deforma-tion capacity of the brick columns underpinning joints，and the ability of effective resistance under various adverse ef-fects in the process of translation is also proved. The method is safe and reliable. The simulation results are in good a-greement with the field monitoring results，which proves the feasibility of the simulation method.

Key words：masonry structure；underpinning joint；masonry columns；reinforce；moving

優(yōu)秀歷史建筑記錄了社會文明的發(fā)展和文化的積淀，不可隨意進(jìn)行拆除破壞，在與城市規(guī)劃相沖突的背景下，對其進(jìn)行保護(hù)和合理利用已成為當(dāng)務(wù)之急.建筑移位技術(shù)為解決這一問題提供了有效途徑，其中結(jié)構(gòu)托換是建筑物移位過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

砌體結(jié)構(gòu)是歷史保護(hù)建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，磚墻、柱作為豎向受壓構(gòu)件，具有較好的抗壓能力，但由于砂漿和塊體間的黏結(jié)能力較弱，抗拉、抗剪、抗彎的能力均很低，具有脆性特征.結(jié)構(gòu)在長期使用過程中經(jīng)歷自然環(huán)境的侵蝕和人為損傷，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力、抗變形能力基本不能滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的安全要求，更不能有效抵抗平移過程的附加作用，須采取針對性加固補強措施以確保托換及平移過程的安全.

目前對建筑物托換節(jié)點的研究工作主要是隨著工程應(yīng)用而逐步開展的.在已開展的建筑物移位工程中，框架結(jié)構(gòu)占比較多，為此有許多學(xué)者對框架柱托換節(jié)點進(jìn)行了靜力加載試驗研究和模擬分析.研究發(fā)現(xiàn)，界面連接筋、托換梁配筋、托換梁剪跨比是影響框架柱托換節(jié)點承載力的主要因素，建立了托換梁的拉-壓桿受力模型，提出了托換梁的承載力計算公式[1-5].上述對托換節(jié)點的研究均是針對鋼筋混凝土框架柱的情況，缺乏對磚柱托換節(jié)點的力學(xué)性能研究.本文以某保護(hù)建筑平移工程為例，采用ABAQUS有限元軟件建立了平移工程中磚柱托換節(jié)點的有限元模型，分別對采用HPFL加固的托換節(jié)點和未加固的托換節(jié)點的受力和變形性能進(jìn)行分析，最后結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對有限元結(jié)果進(jìn)行對比分析.結(jié)果可以為類似砌體結(jié)構(gòu)房屋平移工程提供參考.

1工程概況

XX賓館是近現(xiàn)代保護(hù)建筑，位于湖南省長沙市，由于城市發(fā)展需要，需將建筑物北棟整體向北直線平移36.56 m，建筑物總質(zhì)量約為5 000 t，占地面積約1 400 m2，總建筑面積約3 800 m2，主體三層，局部四層.結(jié)構(gòu)形式為砌體結(jié)構(gòu)，帶轉(zhuǎn)換梁的橫墻承重為主，部分縱墻承重；基礎(chǔ)形式為墻下放大腳條形基礎(chǔ)、磚柱獨立基.地基基礎(chǔ)較穩(wěn)定，整體變形較小.房屋未設(shè)置構(gòu)造柱，未設(shè)置圈梁，整體抗震性能弱.平移示意圖如圖1所示，托換結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示.

2磚柱托換節(jié)點

原磚柱由實測強度M10燒結(jié)黏土普通磚和M1的砂漿砌筑而成，截面尺寸為610 mm×700 mm，高為1.2 m.加固采用四面鋼筋網(wǎng)復(fù)合砂漿（HPFL）形式，鋼筋直徑為6 mm，縱橫間距均為50 mm，加固層厚30 mm，加固后構(gòu)件詳圖見圖3.對磚柱采用四邊包裹的托換形式，托換材料采用C35混凝土，托換梁和托換連梁采用250 mm×600 mm矩形截面，鋼筋均選用HRB400鋼筋，托換梁下部每隔150 mm布置直徑為60 mm的鋼滾軸，托換節(jié)點示意圖如圖4所示，托換節(jié)點配筋圖如圖5所示.

為了保證新增構(gòu)件與磚柱之間的可靠黏結(jié)，在進(jìn)行HPFL加固時，應(yīng)將磚柱的表面泥渣、灰粉碎屑清理干凈，表面進(jìn)行鑿毛處理并沖刷干凈后再涂刷界面劑；在進(jìn)行外包鋼筋混凝土托換時，應(yīng)特別注意結(jié)合面之間的處理，若結(jié)合面處理不當(dāng)，結(jié)合面黏結(jié)力太小，托換結(jié)構(gòu)缺乏足夠的強度和剛度，上部主體結(jié)構(gòu)的荷載和水平牽引荷載得不到有效傳遞，將造成結(jié)構(gòu)的變形過大甚至破壞.磚柱結(jié)合面施工具體的做法為：磚柱在沿托換梁高度每隔一皮磚剔出水平槽，水平槽深度控制在25 mm左右，托換梁與磚柱之間沿高度方向插入兩道界面連接筋，施工時要避免對上部主體產(chǎn)生過大擾動，結(jié)合面沖刷干凈，并涂刷一層水泥砂漿，以保證結(jié)合面的質(zhì)量和可靠性，磚柱結(jié)合面處理如圖6所示.

3有限元建模

3.1模型的建立

砌體結(jié)構(gòu)的非線性有限元模擬比較復(fù)雜，對比分析后選取整體連續(xù)體模型對磚柱進(jìn)行分析.磚柱、混凝土和高性能水泥復(fù)合砂漿層采用C3D8R單元，鋼筋選用T3D2單元，不考慮鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)滑移作用，將鋼筋嵌入到混凝土中.托換結(jié)構(gòu)和磚柱的相互作用采用面-面接觸單元來模擬，托換結(jié)構(gòu)接觸面為主面，磚柱接觸面為從面，法向采用硬接觸以保證接觸面之間能有效傳遞接觸壓應(yīng)力并且不會發(fā)生穿透現(xiàn)象，切向方向采用罰函數(shù)來模擬磚柱和托換結(jié)構(gòu)之間的摩擦[6].HPFL和磚柱之間采用Tie約束方式.

3.2材料本構(gòu)模型

本文采用ABAQUS中的CDP（concrete damaged plasticity）模型來建立混凝土、砌體和復(fù)合砂漿材料的本構(gòu)關(guān)系，混凝土材料本構(gòu)采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）[7]附錄C中的混凝土單軸受壓（拉）應(yīng)力-應(yīng)變曲線，質(zhì)量密度取2 400 kg/m3.砌體材料質(zhì)量密度取1 500 kg/m3，受拉本構(gòu)模型參考文獻(xiàn)[8]選用，受壓本構(gòu)采用楊衛(wèi)忠[9]的基于細(xì)觀模型的力平衡條件，考慮單元體強度分布特點來確定損傷演化的表達(dá)式.簡化后的表達(dá)式見式（1）（2）（3）.

鋼筋采用理想彈塑性模型來建立其本構(gòu)關(guān)系，不考慮其硬化強度[14-15].

3.3加載過程

托換梁底面采用簡支支座來模擬鋼滾軸支撐，磚柱底面模擬成固定端，約束三向位移.模擬過程中，定義4個工況，工況1為初始工況，托換結(jié)構(gòu)施工完成，此時豎向荷載直接通過磚柱傳遞給基礎(chǔ)，托換結(jié)構(gòu)并未直接參與托換，即在柱頂作用1 000 kN豎向荷載；工況2為斷柱工況，磚柱底部與基礎(chǔ)分離，此時受力模式發(fā)生改變，托換結(jié)構(gòu)參與托換，上部荷載全由托換結(jié)構(gòu)承擔(dān)，即釋放磚柱底部的位移約束；工況3為平移工況，移位速率控制在60 mm/ min以內(nèi)[11]，模擬托換節(jié)點在正常平移工況下的受力情況，按照吳二軍等[12]提出的公式（5）求出水平牽引力值等效成靜力加載在柱頂，即在磚柱頂部作用105 kN水平荷載.

工況4為啟動和卸荷工況，取消激活工況3的水平荷載，在磚柱頂點位置施加變幅位移荷載，初始位移為0.2 mm，最大位移為6 mm.

4結(jié)果和分析

4.1斷柱工況

將柱子截斷后，結(jié)構(gòu)的傳力機制發(fā)生變化，原來上部荷載由磚柱傳遞給基礎(chǔ)，斷柱后由托換結(jié)構(gòu)承受全部的上部荷載通過滾軸傳遞給下軌道.限于篇幅，本文僅給出加固后托換節(jié)點在斷柱工況下有限元計算所得的應(yīng)力云圖如圖7所示.通過有限元結(jié)果可以了解到柱子的最大應(yīng)力集中在梁柱交接處的四個角部區(qū)域；托換連梁較托換梁受力大，最大應(yīng)力約為托換梁的2倍，應(yīng)力主要集中在支座斜上方延伸至頂部水平段形成的拱形區(qū)域，上部受壓下部受拉；托換節(jié)點底部應(yīng)力主要集中在柱子四角由結(jié)合面向外延伸區(qū)域；托換梁應(yīng)力主要集中在支座處，并沿著梁的高度方向往上遞減[13].托換連梁符合拉-壓桿受力模型，即將上部荷載等效為兩點集中荷載作用在柱邊位置，而托換梁由于支座滿布滾軸，不再符合拉壓桿受力模型.

由表1可以看出在未加固之前，砌體柱在斷柱工況下最大應(yīng)力已經(jīng)不滿足承載力要求，在梁柱交接處發(fā)生破壞.這是因為在斷柱后，磚柱是通過界面黏結(jié)和界面插筋與托換結(jié)構(gòu)連接在一起共同作用，梁柱交界處會出現(xiàn)應(yīng)力集中，而未加固的磚柱承載力較低.采用HPFL加固磚柱之后，HPFL能發(fā)揮其套箍作用，對磚柱形成一定的約束力，提高其整體性，可以有效地增大柱子軸壓承載能力和抗變形能力，并且在斷柱工況下能有效地將豎向荷載傳遞給托換結(jié)構(gòu).托換結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力發(fā)生在托換連梁跨中下部為1.48 MPa，最大壓應(yīng)力發(fā)生在托換連梁跨中上部為4.07 MPa，混凝土不會發(fā)生開裂和壓碎現(xiàn)象，鋼筋的最大應(yīng)力為64 MPa，未達(dá)到屈服強度400 MPa，最大變形發(fā)生在托換連梁跨中處為0.06 mm.數(shù)據(jù)表明：在斷柱工況下，托換節(jié)點能滿足平移工程的承載力和變形的安全性要求.

4.2啟動和卸荷工況

建筑物沿既定路線到達(dá)新址需經(jīng)過多個周期作業(yè).在每個周期中，都會經(jīng)歷千斤頂加壓啟動和千斤頂降壓回油卸荷階段，建筑物會處于由靜止到移動和由移動到靜止反復(fù)交替的狀態(tài)，這個過程會對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個加速度.因此對于平移過程中啟動和卸荷工況，采用擬靜力加載試驗來模擬，以研究磚柱托換節(jié)點的抵抗水平加速度的性能.

從有限元得到的骨架曲線圖8來看，未加固托換節(jié)點和加固后托換節(jié)點的峰值荷載分別為91 kN和188 kN.加固后的托換節(jié)點的峰值荷載較未加固節(jié)點明顯增大，并且遠(yuǎn)大于平移過程中最大牽引力105 kN，可滿足水平牽引荷載下的承載力要求.同時在達(dá)到峰值荷載之后下降得更加平緩，延性更好；而未加固的節(jié)點很快達(dá)到峰值荷載，并且急劇下降，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞.

從圖9有限元結(jié)果來分析，加固之后的磚柱在水平往復(fù)荷載作用下，主要是由柱受力.磚柱在結(jié)合面以上的中間處損傷最嚴(yán)重，柱根和托換結(jié)構(gòu)損傷很小，托換梁和托換連梁受力較小，說明梁柱黏結(jié)較好，托換結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，能夠承受牽引時的水平力.采用HPFL加固后的托換節(jié)點能有效抵抗平移和施工過程中可能產(chǎn)生的牽引鋼索繃斷或千斤頂失穩(wěn)等各種不利作用，滿足房屋后續(xù)的安全使用功能，避免磚柱發(fā)生脆性破壞導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞，提高了結(jié)構(gòu)的安全性.

5工程監(jiān)測結(jié)果對比分析

5.1測點布置

為了確保托換節(jié)點在平移全過程中的安全，選取了力學(xué)分析中受力較大的5軸交A軸、D軸和H軸的磚柱托換節(jié)點埋設(shè)應(yīng)變計，分別命名為1#柱、2#柱和3#柱，實時監(jiān)測磚柱截斷過程中托換節(jié)點的內(nèi)力傳遞規(guī)律，以及牽引移動過程中托換節(jié)點的內(nèi)力變化，應(yīng)變計的位置及編號如圖10所示.

5.2工程實測結(jié)果分析

應(yīng)變數(shù)據(jù)通過無線采集設(shè)備進(jìn)行采集.應(yīng)變傳感器的應(yīng)變變化曲線如圖11和圖12所示.

監(jiān)測結(jié)果表明，在整個過程中所有的托換節(jié)點的應(yīng)變變化不大，斷柱后應(yīng)變均大于平移過程中應(yīng)變.在斷柱工況下，所有測點的應(yīng)變均發(fā)生一定幅度的增長，變化趨勢較一致，但未出現(xiàn)應(yīng)力大幅突變的情況.說明在斷柱過程中，磚柱的卸力方式較合理；最大應(yīng)變?yōu)?31με，說明整個托換結(jié)構(gòu)能有效承擔(dān)上部荷載.在平移工況下，最大的應(yīng)變不超過118με.應(yīng)變波動主要是由平移施工和上下托換滾軸協(xié)調(diào)受力引起的，總體情況顯示應(yīng)變波動不大，均未超過300με預(yù)警限值.托換節(jié)點區(qū)域未出現(xiàn)損傷狀況，托換底盤有足夠的剛度，平移過程較平穩(wěn)，不會對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力造成結(jié)構(gòu)破壞.

5.3模擬和實測結(jié)果對比分析

提取有限元中同實測相同位置托換節(jié)點處的應(yīng)變，模擬和實測應(yīng)變數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表2.

從模擬數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，斷柱工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)變均大于平移工況下的應(yīng)變，模擬和實測最大誤差為22.9%；平移工況下模擬和實測最大誤差為25.5%.考慮到有限元模擬的是單個柱托換節(jié)點的受力變化，模擬精度有限，而實際工程中為保證托換結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和整體性，將各個托換節(jié)點之間通過連梁、斜撐拉結(jié)形成托換底盤，每根柱實際受力有所不同，并且下軌道高低不平會造成滾軸受力不均，托換節(jié)點內(nèi)力會重分布.故該誤差是在可接受范圍內(nèi)的，說明該模擬方式是可行的.

6結(jié)論

1）模擬結(jié)果表明，當(dāng)采用滿布滾軸的支撐方式時，托換梁不再符合拉-壓桿受力模型.托換連梁最大應(yīng)力為托換梁的2倍，相較托換梁為薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)加強托換連梁結(jié)構(gòu)設(shè)計.對于托換節(jié)點下滿布滾軸支撐方式的受力機理和破壞模式，仍需進(jìn)一步進(jìn)行試驗探究.

2）采用ABAQUS模擬磚柱平移各工況是可行的，與磚柱實際受力狀態(tài)吻合較好，有限元結(jié)果和工程監(jiān)測結(jié)果誤差在可接受范圍內(nèi).通過有限元結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在平移各工況下，斷柱工況為最不利工況，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)較大，對于此類整體性較差的建筑移位工程，可以將此工況作為控制工況.

3）采用HPFL加固老舊磚柱，施工簡單，可顯著提高磚柱托換節(jié)點的抗壓和水平承載能力，增強托換節(jié)點的延性，工程監(jiān)測表明整個平移過程中最大應(yīng)變均未超過300με預(yù)警限值，托換節(jié)點能有效抵抗平移過程中各種不利作用，并且能滿足房屋后續(xù)使用的抗震要求.

4）該工程是目前國內(nèi)已完成的最大磚柱獨立基礎(chǔ)平移工程，整個平移過程平穩(wěn)安全，上部結(jié)構(gòu)影響較小，達(dá)到了預(yù)期目的，可為以后此類工程提供參考.

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