既有砌体结构型钢夹墙节点筏板工作性状研究

摘要

针对既有砌体结构新增筏板存在墙体或基础损伤的问题，提出一种型钢夹墙筏板节点，通过缩尺模型试验研究了所提型钢夹墙筏板节点与传统销键穿墙节点的受力性能，得出型钢夹墙节点具有更好的抗弯抗剪承载性能;采用有限元对不同地基基础参数型钢夹墙节点筏板的受力进行研究，得到不同地基土模量、不同筏板厚度条件下筏板板底土反力分布和墙体应力分布。最后分析型钢夹墙节点的破坏模式，所得结论可为类似地基基础加固工程提供理论参考和工程借鉴。

关键词

砌体结构;型钢夹墙筏板节点;筏板工作性状;破坏模式

中图分类号：TU362"" 文献标志码：A"" 文章编号：1004-0366（2024）06-0044-06

既有砌体结构住宅常因地基不均匀沉降或加固改造后荷载的增加，导致地基承载力或沉降不满足设计要求，后增筏板基础具有承载性能好、沉降小的优点，是既有砌体结构地基基础加固的优先选择。

近年来，国内外专家学者对筏板基础加固开展研究，并取得一定的研究成果。EL等［1］、KASSEM等［2］通过在基础侧面植筋实现新增筏板基础;顾天熊等［3］在条形基础两侧增加边梁，通过筏板钢筋与边梁钢筋的拉结，形成新增筏板基础;傅友东［4］通过在砖墙底部设置基础暗梁和穿墙剪力键，完成新增筏板基础;李荻等［5］将新增筏板基础板顶标高设置在距室内地面-0.5 m位置，通过砖墙开洞，洞内浇筑钢筋混凝土穿墙销键，实现后增筏板;崔成博［6］采用砖墙开洞型钢穿墙销键后增筏板的方法实现后增筏板与原结构的连接。以上研究结果表明，无论在基底标高还是在基底标高以上新增筏板基础，均会因植筋或砖墙开洞对原有基础或墙体造成损伤，增大施工过程中的结构安全风险，且室内大量开挖回填土，施工费用高。因此，研究室内土方开挖小、对既有基础或墙体损伤小的后增筏板加固，具有重要的现实意义和工程应用价值。

本文提出一种新型型钢夹墙筏板节点，通过室内模型试验和有限元模拟研究了所提节点和筏板的工作性状，采用所提节点完成的新增筏板，具有筏板工作性状好，对墙体损伤小，室内土方开挖少和现场施工方便的优点，可为既有砌体结构后增筏板加固提供工程借鉴和理论参考。

1 筏板与墙体连接节点模型试验

1.1 节点介绍

型钢夹墙筏板节点由槽钢背对背夹墙，通过预应力对拉穿墙螺杆使槽钢夹紧墙体，筏板顶板和底板钢筋通过砖墙砂浆缝横穿墙体，实现相邻房间筏板钢筋的连接［7］。型钢夹墙筏板节点如图1所示。

1.2 模型试验设计

试验采用1∶2缩尺模型，砌体墙高620 mm，墙厚120 mm，墙长500 mm;新增筏板在砖墙右侧沿墙体方向长500 mm、宽500 mm，砖墙左侧长500 mm、宽200 mm，筏板厚150 mm。模型试验共两组：传统钢筋混凝土销键穿墙筏板节点试验和本次型钢夹墙筏板节点试验，试验内容为筏板与墙体连接节点的抗弯、抗剪特性。

销键穿墙筏板节点试验：钢筋混凝土销键穿入砌体墙预留孔洞，筏板板顶、板底钢筋穿墙。钢筋混凝土销键截面尺寸90 mm×110 mm，右侧伸入筏板250 mm，左侧伸入筏板180 mm。

型钢夹墙筏板节点试验：槽钢背对背夹墙，穿墙预应力螺杆紧固槽钢，筏板板顶、板底钢筋穿墙。型钢采用［6.3背对背槽钢，穿墙螺杆采用8.8级高强对拉螺栓M8。砖墙采用MU10烧结普通黏土砖240 mm×115 mm×53 mm，M10混合砂浆。筏板钢筋采用HRB335级ф8@100双层双向布置，混凝土采用C30商品混凝土。依据文献［8］中规定，筏板钢筋须伸出墙面另一侧180 mm，以满足钢筋锚固和受剪区要求。

1.3 试验过程及现象

试验装置采用钢梁反力架系统，液压千斤顶加载，百分表观测试件变形。试验前对试件表面粉刷乳胶漆，用墨笔划分50 mm×50 mm网格。

当加载过程中出现砖墙位移突变、黏结力失效、液压千斤顶持荷困难，百分表读数难以保持稳定时，试件砖块剥落严重，试件丧失承载力，试验结束。

1.4 试验结果

图2为销键穿墙和型钢夹墙筏板节点抗弯、抗剪试验曲线，试验中相同节点试件分为2组，每组在砖墙顶面施加的竖向轴力分别为40 kN和60 kN。

图2（a）中销键穿墙节点试件的受剪破坏荷载为225 kN，型钢夹墙节点为315 kN，型钢夹墙节点试件抗剪承载性能明显高于销键穿墙节点，经计算销键穿墙试件节点抗剪强度为1.50 N/mm2，型钢夹墙节点为2.09 N/mm2，型钢夹墙节点抗剪强度为传统销键穿墙节点的1.4倍。

图2（b）显示墙顶施加竖向轴力40 kN时，销键穿墙节点的破坏弯矩为2 kN·m，型钢夹墙节点为3.5 kN·m。墙顶施加竖向轴力60 kN时，销键穿墙节点的破坏弯矩为4.2 kN·m，型钢夹墙节点为5.0 kN·m，因此可知，型钢夹墙节点的抗弯性能优于销键穿墙节点，增加墙顶轴心受压荷载能明显提高节点的抗弯承载力。

2 型钢夹墙节点筏板有限元分析

2.1 有限元模型建立

墙体、筏板、型钢及螺栓均采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2桁架单元。各材料参数如表1所列，地基土参数如表2所列。

（1） 节点有限元模型建立

为验证有限元模型的准确性，建立与模型试验相同参数的型钢夹墙筏板节点有限元模型，模拟模型试验中抗弯、抗剪过程。型钢夹墙筏板节点有限元模型如图3所示。

（2） 筏板有限元模型建立

模型中砌体墙厚240 mm，筏板长5.46 m，宽2.76 m，地基土长宽取筏板长宽的5倍［9］，厚度取筏板宽度的4倍，地基土尺寸为27.3 m×13.1 m×11 m。型钢夹墙节点采用［12.6背对背槽钢，穿墙螺杆采用8.8级M16高强螺栓。筏板采用HRB400级直径16 mm钢筋，土体本构关系采用摩尔-库伦模型，经计算作用于墙顶的竖向荷载按300 kN/m考虑。

房间墙体有限元模型如图4所示，型钢夹墙节点筏板如图5所示。初始地应力平衡应满足土体的竖向位移数量级达到10-4或者更小的要求［10］，本模型经地应力平衡后土体竖向位移最大值为3.078×10-4 m。

2.2 节点模型验证分析

图6为节点模型试验和有限元分析结果对比曲线，节点弯矩-转角对比曲线中对墙体施加的竖向轴力分别为40 kN和60 kN。

由图6可知，有限元模型模拟结果与节点模型试验得到的节点剪力-位移曲线与弯矩-转角曲线整体走势基本一致且拐点较为接近。二者存在误差的原因是在有限元模型中将砖墙简化为均质实体单元，模型试验中穿墙螺杆因墙体不均匀变形所造成的预紧力损失在有限元模型中无法被精确考虑。总体来看，有限元分析结果与模型试验结果具有规律的一致性，说明有限元模型参数选取合理且模型可信。

2.3 筏板工作性状分析

为研究筏板厚度和地基土模量对筏板工作性状的影响，筏板厚度取200～400 mm，土体模量取10～30 MPa，分别选取筏板短跨和长跨跨中断面，提取筏板不同位置板底土反力，筏板长、短跨跨中断面坐标如图7所示。

（1） 筏板荷载分担分析

图8和图9分别为不同土体模量和板厚条件下筏板板底土反力分布。由图8和图9可知，筏板板底土反力分布呈抛物线形，跨中土反力最大，板边土反力最小。对于土体模量10～30 MPa筏板跨中土反力，板厚200 mm为92.62 kPa、89.64 kPa和86.79 kPa;板厚300 mm为103.11 kPa、100.59 kPa和97.39 kPa;板厚400 mm为107.85 kPa、106.39 kPa和103.42 kPa，可见板底土反力随着筏板厚度的增大而增大，随着土体模量的增大而减小，表明增加筏板厚度能提高筏板分担上部结构荷载的性能，增加地基土模量能使筏板板底土反力分布更趋均匀。

对比图8和图9的分布形态，可以看出，由于砌体结构既有基础的存在，原基础顶面与新增筏板板底之间的地基土反力较小，基础外侧房心土位置的地基土反力较大。可以推知，当采用后增筏板时，板跨中位置以受弯为主，板边位置以受剪为主。

（2） 墙体应力分析

图10为300 mm板厚不同土体模量墙体应力分布。土体模量10 MPa、20 MPa和30 MPa时墙体最大应力分别为3.20 MPa、3.09 MPa和3.07 MPa，随着土体模量的增大，墙体应力逐渐减小，表明墙体受力更趋均匀。

对比长短跨方向墙体应力可以看出，墙体在长跨方向应力较大。对于同一面墙体，墙体最大应力处为墙体与筏板相交的角部位置，板顶以上墙体角部出现应力集中，所以墙体应力由大到小排序为角部gt;长跨方向墙体gt;短跨方向墙体。

3 型钢夹墙节点筏板破坏模式分析

在正常使用荷载作用下，砌体结构采用型钢夹墙节点后增筏板时，筏板跨中板底土反力最大，与墙体连接节点位置土反力最小，表明筏板在跨中板顶受拉，板底受压，板跨中破坏模式为受弯破坏。筏板与墙体连接的型钢夹墙节点位置，其破坏主要为受剪破坏。

当型钢夹墙节点的抗剪强度大于筏板与墙体界面之间的剪应力，型钢夹墙节点筏板将不会产生受剪破坏。结合1.4节中型钢夹墙模型试验结果，型钢夹墙节点抗剪强度为2.09 N/mm2，经计算此节点抗剪强度能够保证墙体受到300 kN/m竖向荷载作用时型钢夹墙节点不发生受剪破坏，表明在正常使用荷载作用下，型钢夹墙节点筏板承载性能满足使用要求。

从不同地基土模量和不同筏板厚度筏板板底土与墙体受力分析可知，筏板板底土在筏板跨中位置土反力最大，墙体应力在筏板角部位置出现应力集中。考虑到有限元分析时筏板与墙体之间的接触为变形连续，在筏板实际工作时，由于型钢夹墙节点设置不连续，因筏板角部无型钢夹墙节点，受穿墙钢筋变形的影响，筏板角部与墙体之间会产生一定量的剪切变形，通过此剪切变形的协调，使筏板产生应力重分配，墙体角部应力集中现象消弱，筏板受力更趋均匀。

总体来看，采用型钢夹墙筏板节点，根据型钢节点抗剪强度和筏板受弯承载力进行计算，对筏板和型钢夹墙节点进行设计，在既有砌体结构正常使用荷载作用下，能够保证后增筏板和砌体墙体的安全。

4 结论

针对既有砌体住宅楼新增筏板加固时存在基础或墙体损伤的问题，提出新型型钢夹墙节点筏板，通过室内模型试验和有限元模拟，研究了新型节点筏板的工作性状和破坏模式，所得结论如下：

（1） 型钢夹墙节点室内缩尺模型试验参数下型钢夹墙节点的抗剪强度为2.09 N/mm2，是传统钢筋混凝土销键穿墙节点的1.4倍，增加砖墙轴心受压荷载能提高节点的抗弯性能。

（2） 型钢夹墙节点筏板分担上部结构的荷载随筏板厚度的增大而增大，随土体模量的增大板底土反力更趋均匀。筏板板底土反力分布形态呈抛物线形，跨中土反力最大，板边土反力最小。

（3） 型钢夹墙节点筏板墙体最大应力随土体模量的增大而减小，墙体应力更趋均匀。墙体应力在筏板角部出现应力集中，墙体应力由大到小排序为角部＞长跨方向墙体＞短跨方向墙体。

（4） 型钢夹墙节点筏板破坏模式为筏板跨中受弯破坏和型钢夹墙节点受剪破坏;墙体破坏模式为墙体角部受拉破坏。根据砌体结构墙体竖向荷载对筏板和型钢夹墙节点设计计算，能够保证型钢夹墙节点、筏板和墙体的安全。

参考文献：

［1］EL SAMNY，M K，El SAMEE，et al.Retrofitting andstrengthening of existing building foundation［J］.International Journal of Engineering Studies，2013，5（1）：111-128.

［2］ KASSEM E S M，NASHAAT A E S W.Rehabilitation of existing foundation building to resist lateral andvertical loads［J］.International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences，2014（3）：950-961.

［3］ 顾天熊，严正旭，费继华，等.一种条形基础置换成筏板基础的加固方法及加固结构：CN201610232390.4［P］.CN106436732A［2023-07-04］.

［4］ 傅友东.既有砌体结构加固节点设计探讨［J］.福建建设科技，2019，168（5）：25-27.

［5］ 李荻，潘从建.某砌体结构加固改造设计及施工［J］.山西建筑，2013，39（1）：25-27.

［6］ 崔成博.砌体结构后增筏板型钢穿墙连接研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2022.

［7］ 范超颖.砌体结构型钢夹墙筏板节点试验研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2022.

［8］ 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局.建筑地基基础设计规范：GB 50007-2019［S］.北京：中国建筑工业出版社，2019.

［9］ 李志.考虑土与结构共同作用的筏板基础有限元分析［D］.上海：同济大学，2007.

［10］ 张忠想.复杂地质条件桩筏基础设计研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2018.

Research on the work characteristics of reinforced concrete-steel

encased wall joints with raft foundation

LIU Shuhao1，LIU Donglin1，FAN Chaoying2

（1.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China;

2.Administrative Approval Bureau of Fucheng County，Hengshui City，Hebei Province，Hengshui 053000，China）

Abstract

In response to the presence of wall or foundation damage in existing masonry structures with added raft slabs，a novel steel-encased wall-raft slab joint is proposed.The structural performance of this steel-encased joint and the conventional key-through-wall joint is investigated through scaled-model experiments，revealing that the steel-encased joint exhibits superior flexural and shear load-carrying capacity. Finite element analysis is employed to investigate the load response of steel-encased wall-raft slab joints under different foundation parameters.The distribution of soil reaction at the bottom of the raft slab and the stress distribution in the wall are obtained for various foundation soil moduli and raft slab thicknesses.Furthermore，the failure mode of the steel-encased joint is analyzed.The obtained conclusions provide theoretical references and engineering insights for similar foundation reinforcement projects.

Key words

Masonry structure;Steel encased wall raft joint;Working behavior of raft;Failure mode

（本文责编：毛鸿艳）