约束煤矸石多孔砖墙体抗剪承载能力的研究

　　摘要:本文针对煤矸石多孔砖墙在构造柱和圈梁约束下抗剪承载能力,进行试验研究。在此基础上提出了约束煤矸石多孔砖墙体的抗剪承载能力计算公式,并总结出了约束煤矸石多孔砖墙体抵抗水平力的一些特征。 　　Abstract:This paper has carried out experimental research on shearing resistance of gangue perforted brick wall which is under the constraint of the structural column and ring beam. On this basis, the formula for calculating shearing resistance of constraining gangue perforted brick wall is proposed, and some features of resisting horizontal force of it are also summarized in the paper. 　　 　　关键词:煤矸石多孔砖;约束墙体;抗剪承载力 　　 　　Key words:gangue per forted brick;constrain wall;shearing resistance 　　中图分类号:TU5 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)01-0141-02 　　 　　1概述 　　 　　煤矸石多孔砖是以煤矸石、粉煤灰等工业废料为主要材料烧制而成的,可以实现“保护土地”、“节约能源”、“充分利用工业废料、保护环境”的目的,是一种比较理想的替代实心粘土砖的墙体材料,煤矸石多孔砖目前被广泛应用到房屋建筑中。地震是一种给人们带来巨大财产损失和人员伤亡的突发自然灾害,由于地震的复杂性,现在还很难准确预报地震发生,人类能做到的是通过合理的设计来减少地震灾害所造成的损失。增设构造柱和圈梁是砌体结构抗震的有效措施,设置构造柱和圈梁后就对墙体就形成一定的约束,为了掌握在构造柱和圈梁约束下煤矸石多孔砖墙体的抗震性能,就有必要对约束煤矸石多孔砖墙体抗剪性能进行研究,通过试验对约束煤矸石多孔砖抗剪性能进行研究。 　　 　　2抗剪承载能力实验 　　 　　根据JGJ137-2001《多孔砖砌体结构设计规范》[1]设计制作设置了圈梁和构造柱的墙体试件3片墙体,①号墙片为采用M7.5砂浆砌筑,竖向压力为0=0.31N/mm2;②号墙片为采用M7.5砂浆砌筑,竖向压力为0=0.55N/mm2;③号墙片为采用M5.0砂浆砌筑,竖向压力为0=0.31N/mm2。墙片两端设钢筋混凝土构造柱,上部设钢筋混凝土圈梁,底部设钢筋混凝土地梁。墙体外廓尺寸3200×240×3150mm,按7度区考虑,构造柱与墙体连接处砌成马牙槎,沿墙高每隔500mm设2Φ6拉结筋,每边伸入墙内不宜小于1米,钢筋采用HPB235。 　　构造柱:截面240×240mm,截面配筋按构造要求配置:纵筋4Φ12,箍筋Φ8@250,两端500mm范围箍筋加密,Φ8@150。 　　圈梁:墙顶部截面240×150mm,3.2m长,混凝土等级:C20;截面配筋按构造要求配置:纵筋4Φ12,箍筋Φ8@250,钢筋采用HPB235。 　　2.1 试验装置 　　本试验所使用的主要仪器设备主要有:水平荷载加载由MTS液压伺服加载系统完成,竖向加载由配有300吨可自动补偿千斤顶和多功能加载架完成,数据量测位移分别由精密传感器位移计和百分表完成。 　　2.2 加载制度 　　在恒定竖向加载下进行水平往复作用加载的方式。低周期反复荷载试验的加载方式主要有三种,力控制加载、位移控制加载、力―位移混合控制加载三种。本试验采用力―位移混合控制加载,加载制度如图1所示。墙体底端地圈梁用螺栓固定,墙体顶端用带有滚轴的油压千斤顶加分配梁实现施加竖向均布荷载。水平荷载由侧向的MTS电液伺服系统加载。构造柱顶端设2个位移计测顶端的水平位移,墙体中间设6个百分表测定加载过程中的水平和竖向位移,具体布置情况如图2所示。水平荷载波形采用三角波形。开始用力控制加载,每次增加18KN直到加到开裂荷载后,用位移控制加载。 　　在试验时,竖向压应力0分别为:0=240KN/240×3200=0.31N/mm2;0=420KN/240×3200=0.55N/mm2。 　　2.3 试验结果整理 　　墙片①竖向恒定压力为0=0.31N/mm2,水平方向施加往复荷载。墙片①荷试验结果经整理后见表1。 　　表1 墙片①性能参数实测值 　　墙片②竖向恒定压力为0=0.55N/mm2,水平方向施加往复荷载。墙片②荷载-位移实测值见表2 。 　　表2 墙片②性能参数实测值 　　墙片③竖向恒定压力为0=0.55N/mm2,水平方向施加往复荷载。墙片③的试验结果经整理后性能参数见表3。 　　表3 墙③性能参数实测值 　　图3-5分别给出了墙片①、②、③在水平往复荷载作用下的P-Δ骨架曲线。 　　对于墙片①、②、③在水平往复荷载达到100KN以前,墙片处于弹性工作阶段,荷载和位移的关系接近线性关系,之后墙体刚度有所降低,滞回曲线斜率减小。当水平荷载增加到250KN以上时,墙体两端的构造柱横截面出现裂缝,随着荷载的进一步增加,墙片⑤、⑥底部圈梁出现竖向裂缝,并随着水平荷载的增加,裂缝不断开展,同时水平荷载增长变缓,墙体位移急剧上增加,当墙片①、②的水平往复荷载分别达到432KN和401KN时,最终圈梁发生破坏。墙片③由于在底部圈梁采用钢板加固,最终墙体形成交叉裂缝,最终导致墙体出现交叉裂缝,发生破坏,所承受的最大荷载为420KN。墙片②的破坏情况与墙片①类似,但由于竖向压力的增大,墙体②的开裂荷载与极限荷载均较墙①略高。 　　 　　3煤矸石多孔砖墙体抗剪承载力计算 　　 　　煤矸石多孔砖墙体抗剪承载力计算有两种考虑,一种不考虑构造柱何圈梁对墙体的约束作用,一种是考虑构造柱何圈梁对墙体的约束作用。 　　3.1 不考虑构造柱对墙体抗剪承载力的贡献 　　根据GB 50003-2001《砌体结构设计规范》[2]查得抗剪强度计算 　　MU10多孔砖,砌筑砂浆为M5时,fv=0.11MPa; 　　MU10多孔砖,砌筑砂浆为M7.5时,fv=0.14MPa 　　GB 50003-2001《砌体结构设计规范》规定,各类砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值,应按下面式计算 　　fvE=Nfv 　　式中:fvE―砌体沿梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值;fv―非抗震设计的砌体抗剪强度设计值;N―砌块抗震抗剪强度的正应力影响系数,由0/fv,的值确定。 　　采用M5混合砂浆砌筑的煤矸石多孔砖墙体,轴向压应力0.55 MPa时,==5,N=1.5,fvE=1.5×0.11=0.165MPa; 　　采用M7.5混合砂浆砌筑的煤矸石多孔砖墙体,轴向压应力0.55 MPa时==3.929,N=3.929,fvE=1.385×0.14=0.194MPa; 　　采用M7.5混合砂浆砌筑的煤矸石多孔砖墙体,轴向压应力0.31 MPa时,==2.214,N=1.170,fvE=1.170×0.14=0.164MPa; 　　当不考虑构造柱的约束作用单片墙抗力时按式(1)计算 　　R=(1) 　　式中:A-墙体横截面面积,多孔砖指毛截面面积;RE-承载力抗震调整系数。 　　实测值和公式(1)计算值的比较见表4 　　表4实测值与公式(1)计算值的比较 　　从表4中可以看出实测值远高出规范计算值。 　　3.2 考虑构造柱对墙体抗剪承载力的贡献 　　考虑构造柱对墙体抗剪承载力提高的作用,对中部有构造柱参与工作的组合墙体,《建筑结构抗震设计规范》(GB50011-2001)[3],给出了截面抗力按式(2)进行计算 　　R=[cfvE(A-Ac)+ftAc+0.08fyAs](2) 　　Ac―中部构造柱截面面积;ft―中部构造柱混凝土轴心抗拉强度设计值;As―中部构造柱的中钢筋截面总面积;fy―钢筋抗拉强度设计值;―中部构造柱参与工作系数;居中设一根时取0.5,多于一根取0.4;c―墙体约束修正系数;一般情况取1.0,构造柱间距不大于2.8m时取1.1。 　　按公式(2)的计算结果与实测值的比较见表5 　　表5实验值与公式(2)计算值的比较 　　 　　 　　 　　从表5中可以看出,实测值还是远比计算值高,可见煤矸石多孔砖墙体的抗剪承载能力,煤矸石空心砖砌体抗剪承载能力要充分考虑构造柱和圈梁对墙体的约束作用。 　　3.3 约束煤矸石多孔砖墙体承载力计算 　　本次试验所研究的墙体是两端设置了构造柱,顶部设置了圈梁的约束墙体,因此应该考虑构造柱对抗震承载力的贡献。经比较分析对式(2)进行修正,其承载力设计值建议采用下面公式进行计算 　　R=['cfvE(A-Ac)+ftAc+0.08fyAs](3) 　　Ac―两端构造柱截面面积;ft―构造柱混凝土轴心抗拉强度设计值;As―构造柱的中钢筋截面总面积;fy―钢筋抗拉强度设计值;―构造柱参与工作系数,取0.4;'c―墙体约束修正系数;一般情况取1.8,构造柱间距不大于2.8m时取2。 　　按式(3)重新计算设计承载力与实测值的比较见表6 　　表6实测值与按公式(3)的计算结果比较 　　从表6中可以看出,计算值与实测值比较接近。 　　 　　4结论 　　 　　(1)煤矸石多孔砖墙在设置构造柱和圈梁后具有较好的抗震性能。煤矸石多孔砖砌体圈梁和构造柱连成一个整体,由于墙体受到圈梁和构造柱的约束,增强了墙体的延性和整体性,同时又由于灰缝间砂浆形成销键作用,使得煤矸石多孔砖墙体水平抗剪能力大大提高;(2)设置构造柱和圈梁的煤矸石多孔砖墙体的水平抗剪承载能力建议按下式计算: 　　R=['cfvE(A-Ac)+ftAc+0.08fyAs] 　　其中:'c墙体约束修正系数建议取值范围为1.8-2。 　　 　　参考文献: 　　 　　[1]JGJ 137-2001,多孔砖砌体结构技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001. 　　[2]GB 50003-2001,砌体结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002. 　　[3]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.