芯柱對(duì)砌塊墻體抗震性能的影響

李跟虎 趙考重 張洪磊

摘要 本文通過工程實(shí)踐中的一個(gè)例子，提出并分析小型混凝土砌塊墻體中芯柱對(duì)該體系墻片的抗震性能與未配芯柱的墻片地震剪力的不同。結(jié)果表明采用適當(dāng)配置芯柱的混凝土砌塊墻體地震抗剪性能得到明顯提高。

關(guān)鍵詞 混凝土砌塊；芯柱；抗震； 抗剪；

the earthquake-resistance of concrete block walls by the use of core column system

LI Gen-hu 1，ZHAO Kao-zhong1，ZHANG Hong-lei 1

(1. Department of Civil Engineering, Shan dong jian zhu University , Jinan 250101，China)

Abstract In this paper, through an example in the engineering presented practice, we put forward and analysis the hollow concrete block walls with core column system.the aseismic behavior of these structures have heen studied by contrast testing.The analysis of the results show that the earthquake-resistance of concrete block walls were improved obviously by the use of core column system.

Key words: concrete block；core column；aseismicity；shear;

研究的背景和目的：

2000年6月，160多個(gè)大中城市都以政府令或通告形式，明令在住宅建設(shè)中禁止使用實(shí)心粘土磚。“禁實(shí)”帶動(dòng)了建筑墻體材料材質(zhì)、規(guī)格的多樣化發(fā)展。砌塊墻體具有自重輕，施工方便，保溫節(jié)能性能好，節(jié)省土地等經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)用天然或人工骨料做成小型混凝土空心砌塊取代粘土磚是墻體改革的方向之一[1]。

在小型混凝土空心砌塊的發(fā)展歷程中，我們大部分都是將其作為自承重墻使用，但是很多時(shí)候要將其向承重結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)在發(fā)展比較成熟的有無筋砌體結(jié)構(gòu)、配筋砌體結(jié)構(gòu)等。在無筋砌體結(jié)構(gòu)中，為了充分利用小型混凝土砌塊的“空心”，提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震承載力，我們?cè)诳招闹泄嘧⒒炷?，形成“芯柱”?國家對(duì)此出臺(tái)了一系列的規(guī)范來指導(dǎo)我們進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是，在現(xiàn)行的規(guī)范下，芯柱配制的數(shù)量對(duì)于無筋砌體的抗震承載力影響有多大呢？我們可以結(jié)合實(shí)例以《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50003-2001）為主要指導(dǎo)從理論上進(jìn)行分析。

實(shí)例原型：

該建筑位于山東省濟(jì)南市東部一片住宅小區(qū)內(nèi)，屬于附屬的公共建筑。其采用小型混凝土砌塊作為承重墻。我們選擇了一面長度最大的橫墻作為研究對(duì)象。此墻長度為6.8m，截面上共有空洞34個(gè)，即最多可以設(shè)置34根芯柱。每個(gè)孔洞形成芯柱截面為120mm×120mm，插筋為一級(jí)鋼，直徑為，灌孔的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20?；炷疗鰤K尺寸為390mm×190mm×190mm，砌塊強(qiáng)度等級(jí)為MU15，砌塊砂漿強(qiáng)度等級(jí)為Mb5。該建筑中空心混凝土砌塊樣式如下圖1所示：

圖1：混凝土砌塊分析圖及實(shí)圖

理論分析：

為了從理論上分析芯柱對(duì)于混凝土砌塊墻體抗震性能的影響，我們分別應(yīng)用下列五種情況進(jìn)行分析：第一：當(dāng)墻體兩端各填實(shí)2孔。第二：墻體兩端各填實(shí)3孔。第三：兩端各填實(shí)3孔條件下中間再填實(shí)10孔。第四：全部孔洞都填實(shí)。第五：墻體不進(jìn)行填實(shí)。根據(jù)現(xiàn)行的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算分析比較，理論上得出芯柱對(duì)抗震性能的影響。

該建筑施工質(zhì)量控制等級(jí)為B級(jí)，齡期為28d的以毛截面計(jì)算的各類砌體的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值根據(jù)砌體規(guī)范相關(guān)條文及表格可以得到，當(dāng)采用Mb5砌塊砂漿時(shí)混凝土砌塊抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值=0.06Mpa。由《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50003-2001）給出的計(jì)算公式

（公式1）[2]

將數(shù)據(jù)帶入公式1，易得Mpa。其中根據(jù)建筑上部傳遞的荷載和自身重力產(chǎn)生的平均壓應(yīng)力與砌體水平抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比例，統(tǒng)一采用墻體正應(yīng)力影響系數(shù)取為1.25。

該橫墻截面面積為1.292，其中每一根芯柱截面面積為0.0144，由現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）可以得到C20的混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為[3]

每根鋼筋截面面積為113，設(shè)計(jì)的墻體兩端都有芯柱，我們根據(jù)砌體規(guī)范中抗震設(shè)計(jì)的要求，承載力抗震調(diào)整系數(shù)都取用0.9[4].

通過我們假定的四種情況，分別進(jìn)行分析，主要應(yīng)用規(guī)范為《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中無筋砌體構(gòu)件中混凝土砌塊墻體的截面抗震承載力驗(yàn)算公式，抗震剪力設(shè)計(jì)值具體為：

（公式2）[2]

其中：—灌孔混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）采用：

—灌孔混凝土或芯柱截面總面積；

—芯柱鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

—芯柱鋼筋截面總面積；

—芯柱參與工作系數(shù)，根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50003-2001）提供的資料采用，表格一如下：

表一：芯柱參與工作系數(shù)

注：灌孔率指芯柱根數(shù)（含構(gòu)造柱和填實(shí)孔洞數(shù)量）與孔洞總數(shù)之比

當(dāng)兩端各填實(shí)2孔時(shí)：

灌孔率=4/34=0.12<0.15，此時(shí)，由表一可以得出=0，進(jìn)而其抗震承載力計(jì)算為

當(dāng)兩端各填實(shí)3孔時(shí)：

灌孔率=6/34=0.18，此時(shí)，由表一可以得出=1，但是通過簡單計(jì)算可以知道兩端芯柱之間最大凈距約為5.6m，不符合《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50003-2001）中抗震要求的最大凈距不大于2.0m的規(guī)定，所以在計(jì)算式我們不能考慮芯柱抗剪作用[5]。因此其抗震承載力計(jì)算式為

當(dāng)兩端各填實(shí)3孔條件下再在中間填實(shí)10孔時(shí)：

灌孔率=16/34=0.47，此時(shí)，由上表可以得出=1.1，芯柱之間凈距的要求符合規(guī)定，考慮芯柱的抗剪作用，其抗震承載力計(jì)算式為

當(dāng)全部孔洞填滿時(shí)：

灌孔率=1，此時(shí)，由表一可以得出=1.15，其抗震承載力為

作為一個(gè)參照，當(dāng)不進(jìn)行灌孔填實(shí)時(shí)：

此時(shí)其抗震承載力全部由小型空心砌塊承擔(dān)。其大小同工況一相同。

綜上分析，繪制成表格二如下：

表二：灌孔率對(duì)砌塊墻體抗震承載力的影響

根據(jù)上述理論計(jì)算表明，每增加一根普通芯柱，大約增加6～7kN左右的抗剪承載力。當(dāng)兩端填實(shí)孔洞很少時(shí)，芯柱在計(jì)算中不起作用，但芯柱填實(shí)量加大后，對(duì)砂漿等級(jí)較低且正應(yīng)力影響系數(shù)不大的小型混凝土砌塊墻體，芯柱可以起到重要作用，甚至可以達(dá)到純砌體抗剪承載力的兩倍還要多。

結(jié)論：

在現(xiàn)行規(guī)范下，對(duì)灌孔砌塊的研究深度還不夠，因?yàn)闃?gòu)件的抗震承載力與很多無法量化的因素有關(guān)，數(shù)量存在“越級(jí)”現(xiàn)象，我們只能偏于保守的確定基本承載力。本文通過工程中的實(shí)例提煉進(jìn)行理論分析，可以得出在工程實(shí)踐中采用小型混凝土砌塊墻體承重時(shí)，短墻將芯柱數(shù)量比例增加到25%以上，長墻芯柱數(shù)量比例增加到50%以上時(shí)，可以有效的提高混凝土砌塊的抗震性能。

參考文獻(xiàn):

[1] 楊德健 高永孚 孫錦鏢 王書祥. 構(gòu)造柱-芯柱體系混凝土砌塊墻體抗震性能試驗(yàn)研究建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)[J],2000.8 p22-p27

[2]GB50003-2001砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3] GB50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4] 傅傳國 砌體結(jié)構(gòu) 科學(xué)出版社 2005.7

[5] 劉錫薈 張鴻熙 劉經(jīng)緯 用鋼筋混凝土構(gòu)造柱加強(qiáng)磚房抗震性能研究建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)[J],1991

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。