砌体房屋平移中砖柱托换节点受力性能分析.docx

    砌体房屋平移中砖柱托换节点受力性能分析    陈大川 周楚瑶 张建华 刘武Summary：托换节点的可靠性是保证房屋整体平移安全的重要因素之一.为研究砖柱托换节点在平移过程中的受力性能，以某保护建筑为例，采用ABAQUS有限元软件建立了平移工程中砖柱托换节点的有限元模型，分别对采用高性能水泥复合砂浆钢筋网（HPFL）加固的托换节点和未加固的托换节点的受力和变形性能进行分析，同时结合现场监测数据对有限元结果进行对比分析.结果表明，采用HPFL加固方式能有效提高砖柱托换节点的承载力和变形能力，有效抵抗平移过程中各种不利作用，该加固托换方式是安全可靠的；实际监测结果与模拟结果吻合较好，证明了该模拟方法的可行性.Key：砌体结构；托换节点；砖柱；加固；平移：TU398文献标志码：AAnalysis on Mechanical Behavior of Brick Columns Underpinning Joints in Masonry Building Structure MovingCHEN 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優秀历史建筑记录了社会文明的发展和文化的积淀，不可随意进行拆除破坏，在与城市规划相冲突的背景下，对其进行保护和合理利用已成为当务之急.建筑移位技术为解决这一问题提供了有效途径，其中结构托换是建筑物移位过程中的关键环节.砌体结构是历史保护建筑的主要结构形式，砖墙、柱作为竖向受压构件，具有较好的抗压能力，但由于砂浆和块体间的黏结能力较弱，抗拉、抗剪、抗弯的能力均很低，具有脆性特征.结构在长期使用过程中经历自然环境的侵蚀和人为损伤，结构构件承载能力、抗变形能力基本不能满足现行规范标准的安全要求，更不能有效抵抗平移过程的附加作用，须采取针对性加固补强措施以确保托换及平移过程的安全.目前对建筑物托换节点的研究工作主要是随着工程应用而逐步开展的.在已开展的建筑物移位工程中，框架结构占比较多，为此有许多学者对框架柱托换节点进行了静力加载试验研究和模拟分析.研究发现，界面连接筋、托换梁配筋、托换梁剪跨比是影响框架柱托换节点承载力的主要因素，建立了托换梁的拉-压杆受力模型，提出了托换梁的承载力计算公式[1-5].上述对托换节点的研究均是针对钢筋混凝土框架柱的情况，缺乏对砖柱托换节点的力学性能研究.本文以某保护建筑平移工程为例，采用ABAQUS有限元软件建立了平移工程中砖柱托换节点的有限元模型，分别对采用HPFL加固的托换节点和未加固的托换节点的受力和变形性能进行分析，最后结合现场监测数据对有限元结果进行对比分析.结果可以为类似砌体结构房屋平移工程提供参考.1工程概况XX宾馆是近现代保护建筑，位于湖南省长沙市，由于城市发展需要，需将建筑物北栋整体向北直线平移36.56 m，建筑物总质量约为5 000 t，占地面积约1 400 m2，总建筑面积约3 800 m2，主体三层，局部四层.结构形式为砌体结构，带转换梁的横墙承重为主，部分纵墙承重；基础形式为墙下放大脚条形基础、砖柱独立基.地基基础较稳定，整体变形较小.房屋未设置构造柱，未设置圈梁，整体抗震性能弱.平移示意图如图1所示，托换结构布置图如图2所示.2砖柱托换节点原砖柱由实测强度M10烧结黏土普通砖和M1的砂浆砌筑而成，截面尺寸为610 mm×700 mm，高为1.2 m.加固采用四面钢筋网复合砂浆（HPFL）形式，钢筋直径为6 mm，纵横间距均为50 mm，加固层厚30 mm，加固后构件详图见图3.对砖柱采用四边包裹的托换形式，托换材料采用C35混凝土，托换梁和托换连梁采用250 mm×600 mm矩形截面，钢筋均选用HRB400钢筋，托换梁下部每隔150 mm布置直径为60 mm的鋼滚轴，托换节点示意图如图4所示，托换节点配筋图如图5所示.为了保证新增构件与砖柱之间的可靠黏结，在进行HPFL加固时，应将砖柱的表面泥渣、灰粉碎屑清理干净，表面进行凿毛处理并冲刷干净后再涂刷界面剂；在进行外包钢筋混凝土托换时，应特别注意结合面之间的处理，若结合面处理不当，结合面黏结力太小，托换结构缺乏足够的强度和刚度，上部主体结构的荷载和水平牵引荷载得不到有效传递，将造成结构的变形过大甚至破坏.砖柱结合面施工具体的做法为：砖柱在沿托换梁高度每隔一皮砖剔出水平槽，水平槽深度控制在25 mm左右，托换梁与砖柱之间沿高度方向插入两道界面连接筋，施工时要避免对上部主体产生过大扰动，结合面冲刷干净，并涂刷一层水泥砂浆，以保证结合面的质量和可靠性，砖柱结合面处理如图6所示.3有限元建模3.1模型的建立砌体结构的非线性有限元模拟比较复杂，对比分析后选取整体连续体模型对砖柱进行分析.砖柱、混凝土和高性能水泥复合砂浆层采用C3D8R单元，钢筋选用T3D2单元，不考虑钢筋和混凝土之间的黏结滑移作用，将钢筋嵌入到混凝土中.托换结构和砖柱的相互作用采用面-面接触单元来模拟，托换结构接触面为主面，砖柱接触面为从面，法向采用硬接触以保证接触面之间能有效传递接触压应力并且不会发生穿透现象，切向方向采用罚函数来模拟砖柱和托换结构之间的摩擦[6].HPFL和砖柱之间采用Tie约束方式.3.2材料本构模型本文采用ABAQUS中的CDP（concrete damaged plasticity）模型来建立混凝土、砌体和复合砂浆材料的本构关系，混凝土材料本构采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[7]附录C中的混凝土单轴受压（拉）应力-应变曲线，质量密度取2 400 kg/m3.砌体材料质量密度取1 500 kg/m3，受拉本构模型Reference[8]选用，受压本构采用杨卫忠[9]的基于细观模型的力平衡条件，考虑单元体强度分布特点来确定损伤演化的表达式.简化后的表达式见式（1）（2）（3）.钢筋采用理想弹塑性模型来建立其本构关系，不考虑其硬化强度[14-15].3.3加载过程托换梁底面采用简支支座来模拟钢滚轴支撑，砖柱底面模拟成固定端，约束三向位移.模拟过程中，定义4个工况，工况1为初始工况，托换结构施工完成，此时竖向荷载直接通过砖柱传递给基础，托换结构并未直接参与托换，即在柱顶作用1 000 kN竖向荷载；工况2为断柱工况，砖柱底部与基础分离，此时受力模式发生改变，托换结构参与托换，上部荷载全由托换结构承担，即释放砖柱底部的位移约束；工况3为平移工况，移位速率控制在60 mm/ min以内[11]，模拟托换节点在正常平移工况下的受力情况，按照吴二军等[12]提出的公式（5）求出水平牵引力值等效成静力加载在柱顶，即在砖柱顶部作用105 kN水平荷载.工况4为启动和卸荷工况，取消激活工况3的水平荷载，在砖柱顶点位置施加变幅位移荷载，初始位移为0.2 mm，最大位移为6 mm.4结果和分析4.1断柱工况将柱子截断后，结构的传力机制发生变化，原来上部荷载由砖柱传递给基础，断柱后由托换结构承受全部的上部荷载通过滚轴传递给下轨道.限于篇幅，本文仅给出加固后托换节点在断柱工况下有限元计算所得的应力云图如图7所示.通过有限元结果可以了解到柱子的最大应力集中在梁柱交接处的四个角部区域；托换连梁较托换梁受力大，最大应力约为托换梁的2倍，应力主要集中在支座斜上方延伸至顶部水平段形成的拱形区域，上部受压下部受拉；托换节点底部应力主要集中在柱子四角由结合面向外延伸区域；托换梁应力主要集中在支座处，并沿着梁的高度方向往上递减[13].托换连梁符合拉-压杆受力模型，即将上部荷载等效为两点集中荷载作用在柱边位置，而托换梁由于支座满布滚轴，不再符合拉压杆受力模型.由表1可以看出在未加固之前，砌体柱在断柱工况下最大应力已经不满足承载力要求，在梁柱交接处发生破坏.这是因为在断柱后，砖柱是通过界面黏结和界面插筋与托换结构连接在一起共同作用，梁柱交界处会出现应力集中，而未加固的砖。