實心砌體墻體局部承壓強度研究綜述

姜 勇 蘇小卒

局部承壓是砌體結構中常見的一種受力狀態，例如支承梁或屋架的端部砌體、預應力錨固端等均產生局部承壓。砌體局部承壓問題一直是一個爭論的焦點，國內外專家對砌體局部受壓計算公式提出了不同的見解和局部承壓計算公式。本文總結了實心砌體結構局部均勻受壓強度研究，并對該領域的研究提出了展望。

1 強度提高機理

關于砌體局部承壓強度提高機理，國內外的專家學者做出了很多的分析，給出了各種各樣的解釋。總括主要有三種:1)庫侖提出的“套箍”理論，該理論認為砌體局部承壓強度提高是因為周圍砌體對局部受壓處砌體的“套箍”作用;2)居易翁提出的“擴散”理論，該理論認為砌體局部承壓強度提高是由于力在砌體中的擴散作用;3)丁大均［1］提出的“套箍”與“擴散”相結合的理論，該理論認為砌體局部承壓強度提高是由于“套箍”和“擴散”相互結合作用，兩者不是簡單的疊加，而是后者過來加強前者。

我國原73砌體設計規范局部承壓強度提高系數表達式實際上是混凝土局部承壓開裂時的計算公式，根據套箍強化理論按極限平衡原則推導得到。由于材料特性不同，磚砌體的局部承壓工作和混凝土的局部承壓工作有差異，且難以用套箍原理來解釋邊緣或角部的局部承壓。唐岱新［2］等通過試驗研究認為力的擴散在砌體局壓強度提高中起到了主要的作用。Malek，Hendry［3］也認為用力的擴散來解釋局部承壓工作性質比較恰當，只要存在未直接受荷的面積及有力的擴散現象，也就能在不同程度上提高直接受壓部分的強度。Arora［4］則認為局部承壓強度的提高是“套箍”與“擴散”相互作用產生的。

2 試驗研究

早在20世紀30年代，英國結構工程師協會［5］對36個不同墻體試件在鋼梁下局部受壓進行了14組試驗，得到結論:在梁底設置較薄的鋼板或在局部區域設置高強度塊材對局部受壓強度提高作用不明顯，但是如果將大梁砌在墻體當中時，可以提高其承載力。Hendry［6］通過實心粘土磚墻局部承壓試驗研究得到結論:加載面積比(加載面積Al與墻體總面積A之比)比荷載位置更重要，建議對于加載面積比Al/A小于50%時，可將局部承壓強度相對標準抗壓強度提高10%。唐岱新［2］通過對磚墻局壓試驗結果進行回歸提出了γ=1+ξ［(A-Al)/Al］1/2局部承壓公式，其中，γ為相對軸壓強度的提高系數;ξ為回歸系數。這意味著砌體的局部承壓強度由兩部分所組成:1)局部承壓面積本身Al的軸心抗壓強度;2)非局部承壓面積(A-Al)所提供的側壓力影響，有較為明確的物理概念。對于不同的局壓類型給出了γ限值，最高達2.5。該文的設計建議為中國現有砌體設計規范所采納。試驗結果表明:網狀配筋對于提高砌體局部承壓承載力是非常有效的，開裂荷載和極限荷載均大為提高。Arora［4］對超過50個(1.8m寬1.4m高)磚墻局部承壓試驗數據進行擬合，提出了局壓強度提高系數公式γ=K1·K2·K3(1+K4·A/Al)。其中，K1為材料影響系數;K2為墻體厚度影響系數;K3為荷載偏心影響系數;K4為加載位置影響系數;γ最高限值為2.0。Malek，Hendry［3］對296個磚砌體進行局部承壓試驗，研究了加載面積比、荷載位置、砌體強度對強度提高系數的影響，提高系數是基于砌體的特征抗壓強度，分別對中心加載、端部加載和中部加載進行回歸，得到了γ= a(Al/A)b的形式，a，b為回歸系數。Page，Hendry［7］根據以往所有試驗和分析結果提出了實心砌體局部承壓強度提高設計建議。強度提高系數是加載面積比、加載位置的函數。其他因素如材料類型、荷載類型以及試件尺寸都包括在試驗結果的離散特性當中。作者建議該設計γ對于中部加載應小于2.0，端部加載應小于1.5。建議被AS3700-1998澳大利亞砌體設計規范所采納。

3 數值分析研究

Mann，Pfeifer［8］對集中荷載下實心砌體進行了線彈性研究，提出了簡化破壞準則，認為是集中荷載下橫向拉應力導致磚塊開裂并最終破壞，并將提出的理論與試驗結果進行比較，二者吻合得較好。Page，Ali［9，10］采用二維非線性有限元分離模型對集中荷載下的墻體的極限承載力進行模擬分析，考慮了材料非線性、砌體平面內破壞準則、材料拉伸軟化效應、開裂模式等因素，對加載面積比、加載位置和墻體幾何特征影響，進行了參數研究。研究表明這三個變量對集中力下局部區域的承壓強度提高有很大影響。回顧了已有的設計規范，結果表明在許多情況下是偏不安全，不完整的。由參數研究結果提出了更理想的設計規則。Asteris，Syrmakezis［11］研究了集中荷載作用下砌體的強度，采用正交各向異性單元模型模擬墻體行為。考慮了砌體的材料非線性變形特性和各向異性特征，提出了一個新的砌體墻體的三階張量多項式形式的各向異性屈服(破壞)曲面。采用參量分析了加載區長度與總長度比值，加載位置與墻端關系，墻體幾何特性的影響。

4 結語

本文總結了實心砌體墻體局部均勻受壓強度研究，對該領域研究有以下認識:1)由于對局部承壓工作機理認識的不統一，局部承壓強度提高計算公式也各不相同，現有的公式也只限于試驗或者數值模擬結果擬合而成，對于局部承壓強度理論研究還不成熟;2)由于砌體結構是由塊材和砂漿組成的復合材料，而且在集中荷載下應力非常復雜，所以對于砌體結構非線性有限元的模擬還不成熟，特別是關于砌體破壞準則以及三維有限元模擬仍然是以后研究的方向。

［1］ 丁大均.結構破壞機理的研究與砌體強度新理論的創立［J］.工業建筑，1994(2):97-99.

［2］ 唐岱新，羅維前，孟憲君.磚砌體局部受壓強度試驗與實用計算方法［J］.建筑結構學報，1980(4):53-55.

［3］ M.H.MALEK，A.W.HENDRY.Compressive strength of brickwork masonry under concentrated loading［J］.British Masonry Soc.Proc.，1988(2):56-60.

［4］ S.K.ARORA.Performance ofmasonrywalls under concentrated load［J］.British Masonry Soc.Proc.，1983(2):50-51.

［5］ Institution of Structural Engineers.Reporton bearing pressure on brickwork walls［J］.The Structural Engineer，1938，16(8):242.

［6］ A.W.HENDRY.Concentrated loads on brick work.Progress Report［R］.Structural Ceramic Research，University of Edinburgh，Scotland，1981.

［7］ A.W.PAGE，A.W.HENDRY.Design rules for solid masonry subjected to concentrated loads［J］.The Structural Engineer，1988(66):272-281.

［8］ W.MANN，M.PFEIFER.Investigations on the stresses in masonry walls subjected to concentrated loads［A］.Proceedings of the seventh International Brick Masonry Conference(Melbourne)［C］.1985:735-746.

［9］ S.ALI，A.W.PAGE.Finite elementmodel formasonry subjected to concentrated loads［J］.Journal of structural engineering，1988，114(8):1761-1784.

［10］ S.ALI，A.W.PAGE.Concentrated loads on solid masonry wallsaparametric study and design recommendations［A］.Proceedings of the Institution of Civil Engineers［C］.1988:271-289.

［11］ P.G.ASTERIS，C.A.SYRMAKEZIS.Strength of unreinforced masonry walls under concentrated compression loads［J］. ASCE，2005，10(2):133.