摘要：为了研究差异沉降下多层砖砌体建筑抗震加固技术及优化效果，选用四层砖砌体建筑作为研究对象，通过ANSYS有限元分析软件对研究对象完成建模及计算分析。采用SOLID45单元模拟地基土，基于Drucker-Prager准则考虑材料的本构关系，给定模型的约束条件，并施加地震荷载。输入地震波选用汶川地震中采集到的卧龙地震波，将Drucker-Prager屈服准则作为桩-土抗震加固结构的破坏准则，利用法向和切向的弹簧使桩-土介质体连接起来，将介质体间的节理面当成块体的边界，根据牛顿第二定律，研究介质体能量聚集及分散过程中的力学问题，实现能量分析，完成加固技术优化。
关键词：差异沉降；砖砌体；抗震加固；优化；Drucker-Prager准则；介质体
1引言
引起多层砖砌体建筑结构产生裂缝的一个重要原因就是差异沉降，近几年，由于差异沉降造成的一些工程事故，给人们的生命、财产安全带来极大的损害。砖砌体因其制造成本低廉，原料易于获取，被作为建筑承载结构的主要材料。砌体建筑一旦出现裂缝会极大地影响墙体截面，造成墙体的整体性损坏，大大减弱建筑结构的承载能力和抗震水平。据调查，某地区新建成的75座多层砖砌体结构建筑物中有69所建筑物的墙面存在明显裂缝，这些裂缝主要是由差异沉降及温度变化所造成的。因此，研究差异沉降下多层砖砌体建筑的抗震加固技术及优化效果，对现有的建筑施工技术有重大指导意义。
2研究对象及数值分析
2.1工程概况
本文研究的工程原型为某商品楼，该楼于2017年建成，楼房共4层，建筑高度为13m，占地总面积为127m2。该工程的墙体材料采用多层砖砌体，基础为条形基础，埋置于地下1.2m处。地基处理上先铺上砂土，垫层厚度为1.2m，接着采用100#素混凝土垫层，垫层厚度为0.3m。砖砌体墙的厚度均为240mm，墙体采用75号黏土砖，下面两层使用50号混合砂浆筑制，上面两层由使用25号混合砂浆筑制。建筑中的基础梁、圈梁等梁结构和楼板均由200号混凝土浇筑，所用的钢筋为Ⅰ级和Ⅱ级钢筋。按照设计要求，该楼的抗震设防烈度为8级，各楼层都设有圈梁，门、窗处设计过梁。地基土参数根据某地质勘探报告确定。混凝土的强度等级为C30，泊松比0.2，弹性模量为3.0×104N/mm2；钢筋的强度等级为HRB335，弹性模量为2.0×105N/mm2；砌体采用MU7.5砖，弹性模量为2.2×103N/mm2。
2.2地震波选择
输入地震波采用汶川地震中采集到的卧龙地震波，从该地震波中提取出峰值加速度出现较多的一段时程，作为有限元计算时模拟地震荷载，输入地震波持时为30s。分别沿有限元模型的强轴和弱轴两个方向，依次完成8度小震、中震及大震的模拟地震加载。
2.3有限元计算
2.3.1有限元模型
实际工程中，建筑构件和构筑物实际上为三维结构，然而有限元计算中，应根据计算精度、分析理论等要求，按照不同结构的几何尺寸、形状及受力特点等，建立模型时可做适当简化。因此，本文在建立多层砖砌体建筑的有限元模型时，选择了对应种类的模块实现数值仿真：多层砖砌体建筑的承载力构件是楼板和砖砌体墙，采用SHELL181壳单元模拟板面和墙面；基础和地基土采用三维实体单元SOLID45模拟，通过ANSYS有限元分析软件对研究对象完成建模及计算分析。
2.3.2计算准则
通过ANSYS有限元计算对多层砖砌体建筑及基础的沉降进行分析，分析过程中需考虑不同土层之间的相互作用，所选单元类型应准确对三维土体进行仿真，单元节点存在三维空间移动自由度，能够可靠跟踪接触部分接触状态的变化，故用SOLID45对地基土进行模拟，基于Drucker-Prager准则考虑材料的本构关系。
2.3.3约束条件以及荷载施加
在不考虑土与结构相互作用的情况下，建立有限区域的土体模型，地基水平区域取70m×40m长方形；地基沉降计算深度，即地基土模型深度取25m。并作以下假定：地基沉降作用中土体的产生位移范围是有限的，故认为与有限元模型距离较远的深处土体不会出现线位移，仅会出现角位移；且上部结构与地基接触的部位看作是完全固接。
3差异沉降下多层砖砌体建筑抗震加固技术
目前，差异沉降下多层砖砌体建筑抗震加固技术的做法如下：选用锚杆静压桩实施加固，采用锚杆静压桩的加固方案可在建筑物所处的位置开展，具有操作容易、机具简单，噪声小等优点，同时实施加固时不会产生差异沉降问题，并与周围土体构成桩-土介质体共同提高结构的承载能力。对问题原因进行分析，并给出建筑加固可行性方案,如图1所示。
图 1 承台间增设锚杆静压桩
针对具体问题进行实际原因及技术分析，本文给出该建筑抗震加固的可行性方案，具体操作如下：首先，加固主要通过加固14轴和K轴实现；其次，对原场地相同范围内的试桩做静载实验，得到单根桩的最大承载力是250kN，再根据上层结构得荷载及锚杆静压桩的荷载，求出需安置的静压桩个数，得出此建筑需增设6根静压桩；最后确定新增6根锚杆静压桩的设计参数，承接面尺寸为250mm×250mm，长度约为13m (两个参数通过试桩实验推算，根据最后压桩力求得)，锚杆静压桩的接头处使用硫黄胶泥固定在一起。
4技术优化分析
4.1加固后对基础的影响
采用锚杆静压桩对多层砖砌体建筑进行抗震加固，不仅能避免差异沉降，且存在一个显著的特点，即新加桩需在原有地基的基础板上实现，会对基础板形成冲切作用。本文研究表明，可采用多种布桩方案来处理，具体优缺点对比如下：布桩方案一，基础板不产生裂缝，仅在桩的上部形成了较大的应力集中；而布桩方案二及方案三，由于桩被布置于无横墙的位置，导致基础板的刚度不足，引起开裂；第四种方案因为桩的间隔为其和其余几种距离的一半，因此对基础板的冲切程度更深，造成大面积开裂。综上所述，选用第一种布桩方式。
4.2能量分析
加固后基础可能产生变形，在地震荷载及自重影响下会出现能量改变，利用介质体的节理吸收静能对能量变化进行描述，为研究建筑结构在第一种布桩方案下的可靠性，通过变形增加曲线的最大沉降值对比，完成抗震加固性能分析。结构从基础开始变形至完全破坏的过程用图2进行描述。
图 2 能量分析过程
5结论
分析抗震加固对建筑结构的墙体和基础的影响可知，第一种布桩方案的加固效果最佳，故选用此布桩方案。通过能量分析结果可知，采用上述加固技术后，在最大沉降值高于70mm的情况下，建筑结构才开始不稳定，然而如果采用文献[4]和文献[5]的方法进行加固，在最大沉降值为30mm和35mm的情况下，建筑结构即开始不稳定，说明上述加固技术对多层砖砌体建筑的抗震加固性能较好。通过静载实验结果可知，在地震作用下，结构弱轴方向的最大顶点位移是1.41mm，对应的基底剪力是1402kN，结构强轴方向的最大顶点位移是0.82 mm，对应的基底剪力是1311kN。研究表明：结构未出现大裂缝，仍保持较好的承载能力，仅在楼房四角存在细微的裂缝。
参考文献：
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论文作者:白婷,雷墉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/5
标签：建筑论文; 砌体论文; 多层论文; 静压论文; 地基论文; 结构论文; 基础论文; 《防护工程》2018年第35期论文;