開槽砌塊灌孔砌體的抗剪性能試驗(yàn)研究*

黃 靚，許仲遠(yuǎn)，高 翔

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2. 中國建筑工程(香港)有限公司，廣東 深圳 518001)

砌體是一種歷史悠久的建筑材料，具有較強(qiáng)的生命力[1]，在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)仍然是最主要的結(jié)構(gòu)形式之一，但傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)存在許多問題[2]，而配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)則能夠在很大程度上改善傳統(tǒng)砌體的整體性能[3].在配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)中，為方便預(yù)留用于放置水平鋼筋的水平通孔，工程中常采用肋部有開槽的混凝土砌塊，砌筑墻體時，將砌塊開槽肋敲掉便可形成橫向通孔.

目前，國外學(xué)者建立了多種剪壓復(fù)合作用下砌體抗剪強(qiáng)度計算式[4]，這其中最經(jīng)典的是：Turnseck以及Froeht，Borchelt等人提出的主拉應(yīng)力破壞理論，Hendry和Sinha提出的庫侖破壞理論，Chinwah，Pieper，Schneider和Trautsch等人根據(jù)試驗(yàn)研究提出的剪摩破壞機(jī)理.

國內(nèi)方面，駱萬康等人采用剪摩理論，引入剪壓復(fù)合受力影響系數(shù)的概念，建立了砌體的抗剪強(qiáng)度計算式，已被我國現(xiàn)行砌體規(guī)范所采用[5].洪峰將主拉強(qiáng)度理論與剪摩理論相結(jié)合，提出一種新的拉摩強(qiáng)度理論，這種理論對剪摩和剪壓兩類破壞擬合均比較好，但缺乏對于斜壓破壞的描述[6].蔡勇通過最小耗能原理建立了簡捷實(shí)用的設(shè)計公式，但公式?jīng)]有下降段，且缺乏對高軸壓比狀態(tài)的描述[7].

然而到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者大多只研究了未開槽砌塊砌體的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、本構(gòu)關(guān)系等基本力學(xué)性能，卻忽視了肋部開槽對砌體基本力學(xué)性能可能產(chǎn)生的影響，故其研究結(jié)論具有一定的局限性.開槽砌塊灌孔砌體的力學(xué)性能與普通灌孔砌塊砌體相比更接近工程實(shí)際,所以砌塊開槽對砌體基本力學(xué)性能的影響有進(jìn)一步的研究價值.

本文對3組18個開槽砌塊灌孔砌體的抗剪試件進(jìn)行了靜力試驗(yàn)，以了解開槽砌塊灌孔砌體的受剪開裂荷載、受剪極限承載力，并利用Hoffman準(zhǔn)則，對開槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度的計算公式進(jìn)行了建立，并以此為根據(jù)，建立了開槽與不開槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度的統(tǒng)一表達(dá)式.

1 開槽砌塊灌孔砌體抗剪試驗(yàn)

開槽砌塊灌孔砌體試件，所用砌塊為一種普通K型開槽砌塊，敲掉砌塊開槽部位的混凝土.主砌塊的塊型尺寸為：390 mm×190 mm×190 mm；副砌塊的塊型尺寸為：190 mm×190 mm×190 mm．砌塊的孔洞率為40%，開槽寬度110 mm，深度60 mm，開槽位置見圖1.

開槽砌塊灌孔砌體抗剪試件的尺寸為390 mm×190 mm×590 mm，如圖2所示.試件的制作方法與試驗(yàn)過程均依據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GBJ129-90)[8]的規(guī)定進(jìn)行.開槽砌塊灌孔砌體抗剪試件均是全灌孔，3組18個抗剪試件的編號分別為A-S-1～6，B-S-1～6及C-S-1～6.試件的材料強(qiáng)度及灌孔情況見表1.試驗(yàn)裝置圖見圖3.

圖1 開槽砌塊尺寸(mm)

圖2 抗剪試件

圖3 抗剪試驗(yàn)裝置

表1 開槽砌塊灌孔砌體抗剪試件的材料強(qiáng)度、灌孔情況

2 開槽砌塊灌孔砌體的受剪破壞特征

試驗(yàn)結(jié)果顯示，開槽砌塊灌孔砌體沿豎向灰縫的受剪面有兩種破壞形態(tài)：單面破壞與雙面破壞，見圖4.試驗(yàn)過程中灰縫砂漿與芯柱混凝土的破壞呈現(xiàn)出先后性，砌體受剪試件破壞并非瞬間發(fā)生，在豎向灰縫受力開裂時，因芯柱混凝土并沒有到達(dá)抗剪承載力極限狀態(tài)，試件承載力仍在增加，呈現(xiàn)出一定的延性.砌體試件破壞時，除了上、下兩芯柱正截面受剪破壞外(圖5所示AB，CD截面)，還會在開裂灰縫和相應(yīng)一側(cè)的底部承壓面之間出現(xiàn)斜裂縫.大多數(shù)試件的斜裂縫的開始位置剛好便是砌塊敲掉開槽肋的地方，個別試件稍有上、下移動，且斜裂縫和底部承壓面之間大致呈60°角(圖5所示EF截面).由試驗(yàn)結(jié)果所測得的開槽砌塊灌孔砌體隨著灌孔混凝土強(qiáng)度的變化，受剪開裂荷載和極限荷載的比值的表現(xiàn)為A組試件是66%～88%，B組試件是55%～71%，C組試件為53%～91%，可知，當(dāng)灌孔混凝土的強(qiáng)度增大時，砌體受剪開裂有所推遲.

圖4 開槽砌塊灌孔砌體受剪破壞

圖5 開裂截面

3 開槽砌塊灌孔砌體受剪試驗(yàn)結(jié)果

砌體在通縫截面處的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)值使用下式計算：

(1)

式中fv,m為砌體在通縫截面處的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)值，MPa；Nv為砌體的抗剪破壞荷載，N；A為砌體單面受剪面的面積，mm2.

表2是開槽砌塊灌孔砌體的抗剪試驗(yàn)的結(jié)果.從表2中能夠看出，規(guī)范的平均值取值對于芯柱混凝土強(qiáng)度較高的抗剪試件來說過于保守.

表2 開槽砌塊灌孔砌體抗剪試驗(yàn)的結(jié)果與比較

4 開槽砌塊灌孔砌體抗剪強(qiáng)度研究

4.1 開槽砌塊灌孔砌體抗剪理論模型

我們可以從開槽砌塊灌孔砌體的抗剪試驗(yàn)看出，開槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度是由未灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度fv0,m和灌孔混凝土的抗剪強(qiáng)度fv,c這兩個方面組成的，即：

fvg,m=fv0,m+fv,c

(1)

其中普通空心砌塊砌體的抗剪強(qiáng)度和砂漿的強(qiáng)度成正比[9],亦即：

(2)

這里我們主要研究的是灌孔芯柱混凝土所貢獻(xiàn)的抗剪強(qiáng)度.目前關(guān)于混凝土的純剪切強(qiáng)度的取值在試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到了比較好的成果，但是根據(jù)Morsch等所做的混凝土的抗剪分析易知(如圖6所示)，芯柱混凝土的受力狀況很復(fù)雜，剪切破壞面上的剪應(yīng)力τxy分布很不均勻，且剪切面上不僅在豎直方向存在正應(yīng)力σy，在水平方向上同時存在很小的正應(yīng)力σx，因此，砌體抗剪試驗(yàn)得到的芯柱混凝土的剪切破壞強(qiáng)度是其在剪應(yīng)力與拉應(yīng)力共同作用之下的剪切強(qiáng)度，并非芯柱混凝土的純剪切強(qiáng)度，如圖7所示，故計算芯柱混凝土的抗剪強(qiáng)度不可單純的使用已有的混凝土剪切強(qiáng)度計算式.

圖6 Morsch純剪試驗(yàn)

圖7 剪切破壞面應(yīng)力分布

因?yàn)殚_槽砌塊灌孔砌體敲掉了砌塊的開槽部位，上下芯柱混凝土被聯(lián)通起來，能夠協(xié)同工作，此外，從試驗(yàn)破壞過程能夠得到，在灰縫砂漿開裂后砌塊中間承壓面處對芯柱只有加荷的作用，即上、下芯柱所受到的壓力是由承壓面與砌塊的中肋所加載的，砌塊以兩邊的受壓面處的中肋、下肋為芯柱的支座，我們在此假定砂漿開裂后不能傳遞壓應(yīng)力，則可得芯柱混凝土的受力模型如圖8所示.

圖8 芯柱混凝土的抗剪模型

4.2 開槽砌塊灌孔砌體抗剪強(qiáng)度表達(dá)式

開槽砌塊灌孔砌體是由砌塊、砂漿和芯柱混凝土構(gòu)成的復(fù)合試件，故而能夠把它看做一種復(fù)合材料，并使用Hoffman準(zhǔn)則來對其進(jìn)行分析.Hoffman強(qiáng)度準(zhǔn)則[10]表示為：

K1(σx-σy)2+K2(σy-σz)2+

K3(σz-σx)2+K4σx+K5σy+

(3)

式中K1，K2，…，K9是表征材料性能的強(qiáng)度參數(shù)，它們由9個基本強(qiáng)度定義.其中3個單向拉伸強(qiáng)度：Fxt，F(xiàn)yt，F(xiàn)zt；3個單向壓縮強(qiáng)度：Fxc，F(xiàn)yc，F(xiàn)zc；3個剪切強(qiáng)度：Fxy，F(xiàn)yz，F(xiàn)xz.

考察單向拉伸、單向壓縮和純剪切時發(fā)生破壞的情況，則可從式(3)解得：

(4)

令ft，fc，fv0,m分別為芯柱混凝土單軸抗拉、單軸抗壓強(qiáng)度、純剪強(qiáng)度，同時考慮到剪切面受力狀態(tài)為平面應(yīng)力狀態(tài)(σz=σzx=σzy=0)和y-z平面為各向同性，且芯柱AB，CD剪切面上的正應(yīng)力σx在剪切面破壞時很小，可以認(rèn)為σx=0，則可從公式(3)，(4)得：

(5)

混凝土芯柱受剪情況下最薄弱的位置為剪應(yīng)力τxy和豎向正應(yīng)力σy比較大的位置，現(xiàn)將所求應(yīng)力狀態(tài)取為圖7中正應(yīng)力σy曲線與剪應(yīng)力τxy曲線的交點(diǎn)位置C處的應(yīng)力狀態(tài).利用有限元分析軟件進(jìn)行開槽砌塊灌孔砌體的有限元仿真模擬靜力抗剪試驗(yàn)可以得到，AB，CD剪切面上的應(yīng)力分布與Morsch等所做的混凝土抗剪性能的分析基本上是一致的，C點(diǎn)處的正應(yīng)力σy大概為0.5ft.將σy=0.5ft代入式(5)，并且假定ft=0.1fc即可得：

τxy=0.72fv0,m

(6)

在混凝土芯柱的斜截面EF上，我們也取剪切面上的正應(yīng)力σx=0.同時，通過有限元仿真模擬實(shí)驗(yàn)可以得到，EF截面的薄弱點(diǎn)處的σy大概是ft的三分之二，將之代入式(5)，并設(shè)ft=0.1fc即可得：

(7)

又可知在發(fā)生剪切破壞時，開槽砌塊灌孔砌體的受力平衡方程為：

(8)

式中Ac為砌塊單個通孔的面積；Ac′為砌塊開槽肋敲掉部位的灌孔混凝土的截面面積，取0.3Ac；θ為斜截面的破壞界面的角度，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，取為60°.

將式(6)，(7)代入式(8)，并在式(8)的兩邊同除以所用砌塊的毛面積A，即可得到開槽砌塊灌孔砌體的芯柱混凝土的抗剪強(qiáng)度計算公式：

fv,c=1.17αfv0,m

(9)

式中α為開槽砌塊灌孔砌體灌孔率；fv0,m為芯柱混凝土的純剪切強(qiáng)度.

Morsch等提出的混凝土抗剪強(qiáng)度計算式為：

(10)

混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度能夠通過混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系來確定：

fc=0.76fcu(fcu≤C50)

(11)

(12)

綜合以上各式即可得到用于計算開槽砌塊灌孔砌體芯柱混凝土的抗剪強(qiáng)度的公式：

(13)

將式(13)代入式(1)便能夠得到開槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度計算公式：

(14)

式中f2為砂漿抗壓強(qiáng)度的平均值；α為砌體的灌孔率；k5取0.069；fcu為芯柱混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的平均值.

表3為按式(14)計算的開槽砌塊灌孔砌體抗剪強(qiáng)度fvg,m同實(shí)測fvg,m0以及《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003-2001)[11]的抗剪強(qiáng)度平均值fvg,m1的比較.從中能夠看出，式(14)的計算值fvg,m與本文所得到的試驗(yàn)結(jié)果吻合得比較好.

4.3 開槽與不開槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度統(tǒng)一表達(dá)式

根據(jù)對芯柱混凝土抗剪強(qiáng)度的研究，不開槽砌塊灌孔砌體的剪切面的應(yīng)力分布與開槽砌塊灌孔砌體的單根芯柱剪切面的應(yīng)力分布是很相近的，因而式(6)也能夠用來表示不開槽砌塊灌孔砌體的單根芯柱的抗剪強(qiáng)度，將式(10)，式(11)和式(12)代入式(6)并考慮灌孔率的影響，即可得到不開槽砌塊灌孔砌體的芯柱混凝土的抗剪強(qiáng)度計算式：

(15)

將之代入式(1)可得計算開槽與不開槽砌塊灌孔砌體的統(tǒng)一公式：

(16)

式中f2為砂漿抗壓強(qiáng)度的平均值；fcu為芯柱混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的平均值；α為砌體的混凝土灌孔率；k5取0.069；λ為強(qiáng)度計算系數(shù)，對于開槽砌塊灌孔砌體，取為0.4，對于普通灌孔 砌塊砌體，取0.24.

表3為按公式(16)確定的開槽與不開槽砌塊灌孔砌體抗剪強(qiáng)度計算值fvg,m和實(shí)測值fvg,m0的比較.試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，開槽砌塊來自本文，不開槽砌塊來自文獻(xiàn)[12-13]的共113組試驗(yàn)數(shù)據(jù).

表3 fvg,m/fvg,m0的數(shù)據(jù)對比

從表中可以看出，公式(16)計算值fvg,m與試驗(yàn)值吻合良好.此外，開槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度比不開槽砌塊砌體的高，其主要原因是砌塊開槽肋的敲掉使得上下層的芯柱混凝土聯(lián)通，能夠協(xié)同工作，芯柱的抗剪面增大，由此使砌體的抗剪強(qiáng)度得到提高.同時，計算結(jié)果也表明在計算不開槽砌塊砌體的抗剪強(qiáng)度時使用(16)式是可行的.

5 結(jié) 論

本文通過對3組18個開槽砌塊灌孔砌體試件進(jìn)行的受剪試驗(yàn)研究和理論分析，主要得到了以下結(jié)論：

1)開槽砌塊灌孔砌體沿通縫截面有兩種受剪破壞形態(tài)：單面破壞和雙面破壞.灰縫砂漿的破壞和芯柱混凝土的破壞具有先后性.

2)開槽砌塊灌孔砌體試件在發(fā)生剪切破壞時，會在開裂灰縫與相應(yīng)一側(cè)的底部承壓面中間產(chǎn)生斜向裂縫，角度大致呈60°.

3)開槽砌塊灌孔砌體由于敲掉了砌塊的開槽肋，被聯(lián)通的上下芯柱混凝土能夠協(xié)同工作，使其開槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度與普通灌孔砌塊砌體相比有一定的增大.

4)利用Hoffman準(zhǔn)則建立用于計算開槽砌塊灌孔砌體抗剪強(qiáng)度的公式，其計算值與本文的試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.

5)以開槽砌塊灌孔砌體抗剪強(qiáng)度計算公式為基礎(chǔ)，統(tǒng)一了開槽與不開槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度計算式，用此式計算不開槽砌塊砌體抗剪強(qiáng)度是可行的，其計算值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.

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