砌體房屋平移中磚柱托換節點受力性能分析

陳大川 周楚瑤 張建華 劉武

摘要：托換節點的可靠性是保證房屋整體平移安全的重要因素之一.為研究磚柱托換節點在平移過程中的受力性能，以某保護建筑為例，采用ABAQUS有限元軟件建立了平移工程中磚柱托換節點的有限元模型，分別對采用高性能水泥復合砂漿鋼筋網（HPFL）加固的托換節點和未加固的托換節點的受力和變形性能進行分析，同時結合現場監測數據對有限元結果進行對比分析.結果表明，采用HPFL加固方式能有效提高磚柱托換節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；實際監測結果與模擬結果吻合較好，證明了該模擬方法的可行性.

關鍵詞：砌體結構；托換節點；磚柱；加固；平移

中圖分類號：TU398文獻標志碼：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

優秀歷史建筑記錄了社會文明的發展和文化的積淀，不可隨意進行拆除破壞，在與城市規劃相沖突的背景下，對其進行保護和合理利用已成為當務之急.建筑移位技術為解決這一問題提供了有效途徑，其中結構托換是建筑物移位過程中的關鍵環節.

砌體結構是歷史保護建筑的主要結構形式，磚墻、柱作為豎向受壓構件，具有較好的抗壓能力，但由于砂漿和塊體間的黏結能力較弱，抗拉、抗剪、抗彎的能力均很低，具有脆性特征.結構在長期使用過程中經歷自然環境的侵蝕和人為損傷，結構構件承載能力、抗變形能力基本不能滿足現行規范標準的安全要求，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點的研究工作主要是隨著工程應用而逐步開展的.在已開展的建筑物移位工程中，框架結構占比較多，為此有許多學者對框架柱托換節點進行了靜力加載試驗研究和模擬分析.研究發現，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，缺乏對磚柱托換節點的力學性能研究.本文以某保護建筑平移工程為例，采用ABAQUS有限元軟件建立了平移工程中磚柱托換節點的有限元模型，分別對采用HPFL加固的托換節點和未加固的托換節點的受力和變形性能進行分析，最后結合現場監測數據對有限元結果進行對比分析.結果可以為類似砌體結構房屋平移工程提供參考.

1工程概況

XX賓館是近現代保護建筑，位于湖南省長沙市，由于城市發展需要，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.結構形式為砌體結構，帶轉換梁的橫墻承重為主，部分縱墻承重；基礎形式為墻下放大腳條形基礎、磚柱獨立基.地基基礎較穩定，整體變形較小.房屋未設置構造柱，未設置圈梁，整體抗震性能弱.平移示意圖如圖1所示，托換結構布置圖如圖2所示.

2磚柱托換節點

原磚柱由實測強度M10燒結黏土普通磚和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復合砂漿（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，托換節點示意圖如圖4所示，托換節點配筋圖如圖5所示.

為了保證新增構件與磚柱之間的可靠黏結，在進行HPFL加固時，應將磚柱的表面泥渣、灰粉碎屑清理干凈，表面進行鑿毛處理并沖刷干凈后再涂刷界面劑；在進行外包鋼筋混凝土托換時，應特別注意結合面之間的處理，若結合面處理不當，結合面黏結力太小，托換結構缺乏足夠的強度和剛度，上部主體結構的荷載和水平牽引荷載得不到有效傳遞，將造成結構的變形過大甚至破壞.磚柱結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生過大擾動，結合面沖刷干凈，并涂刷一層水泥砂漿，以保證結合面的質量和可靠性，磚柱結合面處理如圖6所示.

3有限元建模

3.1模型的建立

砌體結構的非線性有限元模擬比較復雜，對比分析后選取整體連續體模型對磚柱進行分析.磚柱、混凝土和高性能水泥復合砂漿層采用C3D8R單元，鋼筋選用T3D2單元，不考慮鋼筋和混凝土之間的黏結滑移作用，將鋼筋嵌入到混凝土中.托換結構和磚柱的相互作用采用面-面接觸單元來模擬，托換結構接觸面為主面，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力并且不會發生穿透現象，切向方向采用罰函數來模擬磚柱和托換結構之間的摩擦[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、砌體和復合砂漿材料的本構關系，混凝土材料本構采用《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）[7]附錄C中的混凝土單軸受壓（拉）應力-應變曲線，質量密度取2 400 kg/m3.砌體材料質量密度取1 500 kg/m3，受拉本構模型參考文獻[8]選用，受壓本構采用楊衛忠[9]的基于細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式.簡化后的表達式見式（1）（2）（3）.

鋼筋采用理想彈塑性模型來建立其本構關系，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，托換結構施工完成，此時豎向荷載直接通過磚柱傳遞給基礎，托換結構并未直接參與托換，即在柱頂作用1 000 kN豎向荷載；工況2為斷柱工況，磚柱底部與基礎分離，此時受力模式發生改變，托換結構參與托換，上部荷載全由托換結構承擔，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[11]，模擬托換節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結果和分析

4.1斷柱工況

將柱子截斷后，結構的傳力機制發生變化，原來上部荷載由磚柱傳遞給基礎，斷柱后由托換結構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點在斷柱工況下有限元計算所得的應力云圖如圖7所示.通過有限元結果可以了解到柱子的最大應力集中在梁柱交接處的四個角部區域；托換連梁較托換梁受力大，最大應力約為托換梁的2倍，應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域，上部受壓下部受拉；托換節點底部應力主要集中在柱子四角由結合面向外延伸區域；托換梁應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力已經不滿足承載力要求，在梁柱交接處發生破壞.這是因為在斷柱后，磚柱是通過界面黏結和界面插筋與托換結構連接在一起共同作用，梁柱交界處會出現應力集中，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構.托換結構最大拉應力發生在托換連梁跨中下部為1.48 MPa，最大壓應力發生在托換連梁跨中上部為4.07 MPa，混凝土不會發生開裂和壓碎現象，鋼筋的最大應力為64 MPa，未達到屈服強度400 MPa，最大變形發生在托換連梁跨中處為0.06 mm.數據表明：在斷柱工況下，托換節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新址需經過多個周期作業.在每個周期中，都會經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交替的狀態，這個過程會對上部結構產生一個加速度.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，未加固托換節點和加固后托換節點的峰值荷載分別為91 kN和188 kN.加固后的托換節點的峰值荷載較未加固節點明顯增大，并且遠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.同時在達到峰值荷載之后下降得更加平緩，延性更好；而未加固的節點很快達到峰值荷載，并且急劇下降，表現出明顯的脆性破壞.

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

5工程監測結果對比分析

5.1測點布置

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

5.2工程實測結果分析

應變數據通過無線采集設備進行采集.應變傳感器的應變變化曲線如圖11和圖12所示.

監測結果表明，在整個過程中所有的托換節點的應變變化不大，斷柱后應變均大于平移過程中應變.在斷柱工況下，所有測點的應變均發生一定幅度的增長，變化趨勢較一致，但未出現應力大幅突變的情況.說明在斷柱過程中，磚柱的卸力方式較合理；最大應變為131με，說明整個托換結構能有效承擔上部荷載.在平移工況下，最大的應變不超過118με.應變波動主要是由平移施工和上下托換滾軸協調受力引起的，總體情況顯示應變波動不大，均未超過300με預警限值.托換節點區域未出現損傷狀況，托換底盤有足夠的剛度，平移過程較平穩，不會對上部結構產生過大的附加應力造成結構破壞.

5.3模擬和實測結果對比分析

提取有限元中同實測相同位置托換節點處的應變，模擬和實測應變數據對比結果見表2.

從模擬數據和監測數據可以看出，斷柱工況下結構應變均大于平移工況下的應變，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點的受力變化，模擬精度有限，而實際工程中為保證托換結構具有足夠的剛度和整體性，將各個托換節點之間通過連梁、斜撐拉結形成托換底盤，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，托換節點內力會重分布.故該誤差是在可接受范圍內的，說明該模擬方式是可行的.

6結論

1）模擬結果表明，當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.托換連梁最大應力為托換梁的2倍，相較托換梁為薄弱環節，應加強托換連梁結構設計.對于托換節點下滿布滾軸支撐方式的受力機理和破壞模式，仍需進一步進行試驗探究.

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吻合較好，有限元結果和工程監測結果誤差在可接受范圍內.通過有限元結果和監測數據，發現在平移各工況下，斷柱工況為最不利工況，結構的響應較大，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點的抗壓和水平承載能力，增強托換節點的延性，工程監測表明整個平移過程中最大應變均未超過300με預警限值，托換節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使用的抗震要求.

4）該工程是目前國內已完成的最大磚柱獨立基礎平移工程，整個平移過程平穩安全，上部結構影響較小，達到了預期目的，可為以后此類工程提供參考.

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