一种新型基础竖向承载能力试验研究与数值分析

王丽艳 马进 于航

(1．吉林建筑大学，吉林长春 130000;2．吉林省阳光建设工程咨询有限公司，吉林长春 130000)

0 引言

地基不均匀沉降引起上部墙体开裂问题，不仅影响了建筑的功能和美观，造成房屋渗漏，甚至导致结构安全度和抗震性能降低，引发安全事故［1］。从改善地基不均匀沉降问题出发，提出墙梁组合式基础:在地圈梁与基础梁之间布置适量的构造柱，将地圈梁、墙体、基础梁联系起来，形成刚度相对较大的组合式基础，使地圈梁、墙体、基础梁三者协同以抵抗地基变形所引起的上部结构不利影响［2，3］。

1 墙梁式组合基础物理模型试验

1．1 试验模型资料

试验模型分两组，试件1为中间设构造柱的组合式基础试件试验模型，试件2为中间未设构造柱的组合式基础试件试验模型，分别如图1所示。

图1 墙梁式组合基础试件模型

试验模型尺寸为2 100 mm×1 000 mm×150 mm，采用C30混凝土、M5水泥砂浆和MU10粘土砖等试验材料，梁底部纵向受力筋采用Φ10 HRB335钢筋。同时进行相关材料的力学性能试验:混凝土标准试块(150 mm×150 mm×150 mm)、砂浆标准试块(70．7 mm ×70．7 mm ×70．7 mm)、粘土砖(240 mm × 115 mm ×53 mm)、HRB335钢筋等［4］，试验材料的力学性能见表1。

表1 试验材料力学特性

1．2 试验加载制度

通过设置对照试验研究构造柱的布置对墙梁式组合基础受力变形、破坏形态的影响。基础试件模型制作完成、养护并达到设计强度后，用四立柱微机控制电液伺服压力试验机进行竖向承载能力试验，得到基础受力后的挠度、混凝土与钢筋的应力、应变情况和墙体裂缝发展状况、试件破坏形式等主要指标。

1．3 试验结果分析

1．3．1 试件1破坏过程

首先进行预加载试验，预加载值50 kN。在预加载过程中试件没有出现裂缝，各项应力、应变指标均正常，处于弹性阶段。再进行正式加载，当荷载加载到131 kN时，靠近边柱偏上处墙体首先出现轻微斜裂缝，并向柱脚延伸;当加载到150 kN时，出现第二条斜裂缝，与第一条裂缝出现于墙体同一面，开始向下延伸;在此期间裂缝的发展比较缓慢;随着荷载逐步加大，墙体的裂缝开始加快发展，大多数裂缝延伸至柱脚，但靠近中柱的墙体裂缝很少。加载至200 kN时，墙体表面砌体开始脱落，地圈梁的跨中挠度变大;加载到216 kN时，试件最终以底梁纵向钢筋达到颈缩状态被拉断而破坏。试件1最终破坏形态见图2a)。

1．3．2 试件2破坏过程

同样进行预加载试验，在预加载过程中没有出现裂缝，各项应力、应变指标正常。进入正式加载阶段，在荷载达到81 kN时，靠近边柱偏上处墙体出现第一条轻微斜裂缝;随后在加载到90 kN左右时，裂缝开始迅速开展发育且分布较分散，但没有延伸至底梁。当荷载加大到102 kN时，墙体出现贯穿裂缝，并且裂缝多为延伸至底梁指向柱脚的斜裂缝;当荷载加载至130 kN以上，墙体中的部分墙体开始断裂，试件在146 kN时以底梁跨中位置纵向钢筋颈缩被拉断而破坏。试件2最终破坏形态见图2b)。

图2 试件1，2破坏形态

1．3．3 试件1与试件2破坏形态分析

1)组合式基础试件模型从开始加载到破坏，基本上经历了弹性、弹塑性和破坏三个阶段。加荷值小于破坏荷载的40%时，试件表面与钢筋的应力与应变之间基本上是线性关系，且试件纵向及横向变形都较小。加荷值超过破坏荷载的50%后，两试件靠近边柱偏上处的墙体先出现斜裂缝，且都向柱脚延伸，但试件1中墙体裂缝的发展较试件2相对缓慢，表明中间构造柱对墙体具有约束作用，其在墙体开裂后表现更为明显。随后，边柱上部的水平方向变形逐渐增大，呈现出上部向外凸、下部向内凹的曲线状。

2)随着荷载增加至破坏荷载，墙体内裂缝扩展延伸并增多，向下部延伸贯通使墙体破坏。试件1的墙体表面裂缝相对集中，从加载位置延伸至柱脚;墙体表面脱落，裂缝贯穿，破坏严重。而试件2墙体表面裂缝比较分散;墙体表面未脱落，破坏较轻且与砂浆脱离形成贯穿裂缝;同时跨中挠度变形较试件1明显，均表明试件1的整体性较试件2要好。靠近边柱墙体内裂缝延伸及开展情况较靠近中柱处程度要深，边柱侧面偏上处沿着墙体表面斜裂缝开展方向出现裂缝，边柱内部受力钢筋应力可接近钢筋的屈服强度，但中柱上未出现裂缝，柱中钢筋未达到屈服强度，表明构造柱能够大幅度提升整体协同受力性能。

对比两试件破坏形态发现，裂缝一旦出现，就迅速发展，但试件2裂缝发展速度明显较快，最后以中间填充墙体脱落和底梁跨中挠度过大屈服而破坏，此时靠近中柱的墙体较完好，说明中间设构造柱对试件的抗压性能有明显的提升作用。

2 数值模拟组合式基础模型试验

2．1 有限元模拟模型简介

利用ANSYS软件进行数值模拟，采用分离式模型建模，混凝土采用Solid65单元，定义了混凝土开裂、压碎破坏准则、单轴应力—应变关系以确定屈服准则、流动法则、硬化法则等［5-7］;钢筋采用Link8单元，采用双线性随动强化模型。

2．2 数值模拟试验结果处理和分析

2．2．1 试件1数值模拟云图

图3 试件1加载过程应变云图

图3a)应变云图中部颜色较深表示发生位移最小，边柱部位发生位移最大，变形表现为从中部向两端递增的趋势，变化很均匀;图3b)很直观地预测了试件的破坏形态，破坏比较集中，与物理试验破坏状态较为吻合。

2．2．2 试件2数值模拟云图

图4 试件2加载过程应变云图

图4a)位移云图中，Y向位移表现为从中部向两端递增的趋势，变化比较均匀;图4b)预测了试件的破坏形态，破坏状态比较分散，基本与物理试验破坏状态吻合。

应变云图预测了破坏形态，同时也体现出试件1和试件2破坏形态存在差异，这与物理试验是相互吻合的。各部位的拉压应力状态和应变大小，体现了中间设置构造柱后不同的受力状态。但是，物理试验与数值模拟试验结果存在一定的差别，如跨中挠度值和竖向最大承载力等，分析原因在于数值模拟时支座处理及建立模型与实际情况存在差异所致，同时进入塑性阶段有关参数的取值与实际情况有所差异。

3 结语

通过上述的受压承载能力试验与数值模拟，分析得到的结论:

1)在墙体内设置的构造柱能够与地圈梁、墙体、基础梁共同作用，约束墙体受压时的横向变形和改善墙体受压时的稳定性能，提高墙体的承载能力。

2)砌筑试件时采取的构造措施，如墙体与构造柱之间采用马牙槎连接、墙体内设分布筋等措施能够保证柱与墙体的整体性及两者的协同工作，使柱与墙体直到临近破坏时，未见明显的分离现象。

3)构造柱能够将地圈梁、墙体和基础梁联系起来共同工作，形成简单有效的组合式基础，同时使结构具有更大的刚度以承受更大的荷载，达到抵抗弯曲变形的效果，减轻地基不均匀沉降对上部结构的影响。

4)墙梁式组合基础作为一种新型基础形式，与传统的基础形式相比，如采用箱形基础和筏板基础，可以在不显著增加建筑材料用量的同时降低工程施工复杂程度和成本，并具有较大的刚度。

［1］刘 畅，郑 刚．地基不均匀沉降对上部结构影响的弹性支撑分析法［J］．建筑结构学报，2004(8):24-27．

［2］陈行之，李 卫．设置钢筋混凝土柱的砖墙体受压时的承载能力［J］．建筑结构学报，1995(1):33-39．

［3］李启鑫，翟希梅．设置构造柱混凝土砌块墙体受压承载力试验研究［J］．建筑砌块与砌块建筑，2004(6):7-11．

［4］GB 50010-2002，混凝土结构设计规范［S］．

［5］董 军，邓洪洲，马 星．地基不均匀沉降引起上部钢结构损坏的非线性全过程分析［J］．土木工程学报，2000(2):101-106．

［6］陆新征，江见鲸．利用ANSYSSolid65单元分析复杂应力条件下的混凝土结构［J］．建筑结构，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．