簡支墻梁結構的受力模型及力學分析*

黃華恢

（桂林航天工業學院能源與建筑環境學院，廣西 桂林 541004）

隨著生活水平的不斷提髙，人們對建筑物的空間利用率也有一定要求。墻梁作為承重結構，不僅節約鋼材、模板和水泥，降低造價，還可以適應較大的跨度和承擔較重的荷載。墻梁屬于量大面廣的構件，受力狀態復雜，計算方法繁多。為了掌握墻梁結構在均布荷載下的受力模型及傳力方式，以便在結構設計中進行使用，文章對普通墻梁進行靜載實驗，通過分析，得出墻梁結構計算簡圖，分析力學性質，為以后力學計算提供依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本次試驗制備墻梁試件參數如表1所示。

表1 試件參數

本次試驗設計的試件托梁采用了普通混凝土C25，其配合比如表2所示。

表2 托梁混凝土C25配合比（kN/m3）

1.2 試驗裝置及測點布置

根據試驗目的，簡支墻梁凈跨均為1500mm。參照胡瓊對再生混凝土柱試驗過程的加載方式，在墻頂放置分配梁及橡膠墊以施加均布荷載，模擬墻梁受荷后的實際工況[3-4]。加載裝置具體情況如圖1所示。

圖1 試驗的裝置及數據采集系統各試件現場加載圖片

2 試驗結果與分析

試件受荷初期，在墻頂三分點與支座的連線位置，出現了許多細小的裂縫，裂縫連線與拱模型及其相似。加載初期，施加的試驗力較小，試驗梁沒有任何的現象發生。待加載至150～200kN，墻梁出現不同大小的裂縫，主要集中在支座附近位置。待荷載繼續增加，墻梁試件左右兩邊支座均形成明顯裂縫，并且越過墻體與托梁交界處向上部墻體延伸。由于裂縫的逐漸增大導致上部砌體開裂形成通縫而最終被破壞。

豎向荷載作用下簡支墻梁上部墻體主要承受壓力，下部托梁主要承受拉力。墻體中的壓應力與托梁處的拉應力共同作用組成合力偶來抵抗豎向荷載產生的彎矩[5-8]。由于墻體和托梁組合作用，相當于一定高度的深梁構件，形成的內力臂將大于普通鋼筋混凝土淺梁構件，這將在墻梁內部形成較大的抗彎剛度和承載能力。支座斜上方的墻體受到拉、壓復合應力，同時，由于托梁頂面將受到剪應力和豎向壓應力的共同作用，此時托梁跨中將出現部分彎矩，受荷后試件處于小偏心受拉狀態。

3 墻梁模型受力分析

根據試驗結果，初步確定墻梁結構的計算簡圖為帶拉桿的兩鉸拱模型，如圖2所示。

圖2 墻梁計算簡圖

其中，E、E1為拱肋、拉桿的彈性模量；I為拱肋的慣性矩；A、A1為拱肋、拉桿截面面積。將拉桿X1作為基本未知力，列結構力學力法[9]基本方程如下（此時切口兩邊無相對位移）：

由此可見，托梁的拉力與墻梁結構的矢高有關，并隨著矢高的增大而減小。

4 結論

簡支墻梁結構受荷后受力情況與拉桿拱相似，以托梁為拉桿承受拉力，墻體內部形成拱結構承受壓力。墻體與托梁具有較好的組合作用，墻梁試件的承載能力較相同配筋的鋼筋混凝土淺梁要高出數倍甚至數十倍。所以，在進行墻梁設計中需要考慮墻體和托梁的共同作用，以達到更好的承載效果。對于簡支墻梁，主壓應力軌跡線沿兩側垂直指向托梁支座處，而中部的主壓應力軌跡線形似與拱形結構指向支座。托梁處的拉力與結構的矢高有一定的影響，這對今后墻梁的結構設計提供參考。