灌孔N式砌塊砌體抗壓強度理論研究*

萬 智,黃 靚,劉 燕,徐紫鵬,高 翔,陳勝云

(1.中南大學土木建筑學院,湖南長沙 410075;2.湖南大學土木工程學院,湖南長沙 410082; 3.湖南省交通科學研究院,湖南長沙 410015)

灌孔N式砌塊砌體抗壓強度理論研究*

萬 智1,3,黃 靚2?,劉 燕2,徐紫鵬2,高 翔2,陳勝云2

(1.中南大學土木建筑學院,湖南長沙 410075;2.湖南大學土木工程學院,湖南長沙 410082; 3.湖南省交通科學研究院,湖南長沙 410015)

對12個灌孔N式砌塊砌體抗壓試件(其中半灌孔試件6個,全灌孔試件6個)進行了受壓性能試驗,分析了灌孔砌塊砌體受壓的破壞形態(tài)和極限承載力.試驗結果表明: N式砌塊砌體與普通混凝土小型砌塊砌體(標準砌塊)相比,其獨特的截面幾何形狀使得N式砌塊砌體孔、肋具備良好的對齊率,較好地改善了砌塊砌體的受壓性能.對于灌孔N式砌塊砌體,給出了半經驗半理論的抗壓強度計算公式,公式計算值與試驗結果吻合良好.

N式砌塊;灌孔率;抗壓強度;破壞機理

混凝土小型空心砌塊作為一種非黏土墻體材料,具有取材廣泛、施工方便、造價低廉等優(yōu)點,因此在許多國家被廣泛應用.實踐證明混凝土小型空心砌塊符合可持續(xù)性發(fā)展要求,是一種極具競爭力的墻體材料.但目前在國內常用的砌塊存在“壁薄、肋不對齊和受力面積少”等缺點,傳力途徑比較復雜. N式砌塊(見圖1)通過對砌塊塊形的改進,在砌筑時實現(xiàn)了孔、肋對齊[圖2(a)],并且比一般混凝土砌塊[圖2(b)]孔洞率減少10%,很大程度上解決了上述常用砌塊砌體中的幾個問題.本文對N式砌塊的受壓力學性能進行了試驗研究,并提出了灌孔N式砌塊砌體抗壓強度的計算公式.

圖1 N式砌塊與普通混凝土小型砌塊示意圖Fig.1 Two ends opened block masonry and ordinary sma ll concrete b lock

圖2 砌體墻片剖面示意圖Fig.2 Sectional view o f tw o typemasonry walls

1 灌孔N式砌塊砌體試驗概況

抗壓試件共12個.半灌孔試件分2組共6個,編號分別為CB1～CB3,DB1～DB3;全灌孔試件分2組共6個,編號分別為CA 1～CA 3,DA 1～DA 3,試件詳細信息見表1.

表1 N式砌塊砌體試件材料基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters about test specimen

2 N式砌塊砌體抗壓強度分析

2.1 影響灌孔N式砌塊砌體受壓性能的因素

確定影響砌體受壓的因素以及每一因素對抗壓強度值影響的大小是正確建立砌體抗壓強度表達式的關鍵所在.國內外學者通過試驗與理論分析[1-3],或利用ANSYS程序[4-5]做過大量卓有成效的研究,認為對無筋砌體抗壓強度影響比較大的幾個因素為砌體的塊體強度、砂漿強度、塊體和砂漿的強度比、試件的高厚比、灰縫砂漿的厚度、以及砌塊砌體的孔、肋對齊率等因素;對于灌孔砌體主要考慮芯柱混凝土的強度、砌塊與芯柱混凝土強度比兩個因素.

砌塊的截面形狀[1]、截面尺寸[4]對于未灌孔砌體的抗壓強度的影響不大.N式砌塊相比于普通混凝土砌塊只是砌塊截面幾何形狀和孔洞率有所改變,所以影響普通混凝土砌塊砌體抗壓強度的因素對N式砌塊砌體同樣成立——即對于未灌孔N式砌塊砌體主要考慮塊體強度f1,砂漿強度f2,塊體與砂漿的彈性模量比Eb/Em(Eb為塊體的彈性模量,E m為砂漿的彈性模量),試件高厚比t b/t m(t b為塊體的高度,t m為砂漿的厚度),砌體的孔、肋對齊率等;對于灌孔N式砌塊砌體主要考慮未灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度和灌孔混凝土的強度等因素.

2.2 灌孔砌塊砌體抗壓強度表達式

關于灌孔砌體的抗壓強度值計算公式,AhmadA.Hamid和Robert G.Drysdale對灌孔混凝土砌塊砌體受壓性能進行研究,以彈性理論的模式提出了相應的破壞準則并建立了灌孔混凝土砌塊砌體抗壓強度的表達式[2].由于灌孔N式砌塊砌體有較好的延性和較大的塑性變形[6],其受壓破壞過程不能簡單地以彈性過程來替代分析,所以本文從理論分析入手,結合試驗回歸的手段對灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度進行分析并建立相關數(shù)值表達式.

2.3 灌孔N式砌塊砌體抗壓強度破壞機理分析

根據(jù)灌孔N式砌塊砌體的受力機理,并借鑒已有研究資料的成果[7-9],本文認為灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度由2部分組成:一部分來自外圍砌體的抗壓強度貢獻,一部分來自芯柱混凝土的抗壓強度貢獻.通過分析發(fā)現(xiàn),灌孔N式砌塊砌體在受壓破壞時,外圍砌塊還要承受來自芯柱混凝土的張力,使得砌塊壁處于雙向拉-壓的不利狀態(tài),在破壞時外圍砌體的抗壓強度貢獻值小于未灌孔時的抗壓強度f m.而芯柱則受到砌塊的約束,處于三軸受壓的有利狀態(tài),但在破壞時,由于外圍砌塊的提前破壞,約束應力的消失,多軸強度不一定充分發(fā)揮,所以芯柱混凝土的抗壓強度應是芯柱混凝土某一應力水平下的三軸抗壓強度,即σ3=βf3(β為外圍砌塊破壞瞬間芯柱的三軸應力水平修正系數(shù),f3為芯柱混凝土的三軸抗壓強度平均值).

當芯柱混凝土的強度明顯比外圍砌體強時,灌孔砌體的受壓破壞其實不是同時發(fā)生的.根據(jù)文獻[10]可知,如果砌塊的抗壓強度按凈面積確定,實際上為砌塊混凝土材料的棱柱體抗壓強度,所以從理論上說當灌孔砌塊砌體中芯柱混凝土的立方體抗壓強度fcu,m≥f1/(0.76α)(α為灌孔砌體的灌孔混凝土面積與毛面積的比值)時,在外圍砌體退出工作后芯柱混凝土的單軸抗壓強度大于外圍砌體破壞時灌孔混凝土承擔的壓應力,仍可以繼續(xù)工作.但在實際工程中一般砌塊與芯柱混凝土有良好的匹配,很少出現(xiàn)上述情形.且本實驗未出現(xiàn)此種情況,因此本文僅針對外圍砌體與芯柱砌體同時破壞時提出抗壓強度計算公式.

2.4 灌孔N式砌塊砌體抗壓強度表達式

通過以上分析,本文提出灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度表達式可寫成式(1)形式:

式中:f gm為灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度值, MPa;fm為未灌孔兩端開口N式砌塊砌體的抗壓強度值,MPa;α為灌孔砌體的灌孔混凝土面積與毛面積的比值,即填芯率;ξ為待求系數(shù),由上分析可知:ξ≤1;β為芯柱三軸強度應力水平,β≤1;f3為芯柱混凝土棱柱體三軸抗壓強度平均值,MPa.

由式(1)可知,只要確定了未知系數(shù)ξ與β便可以得出灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度值.

由灌孔N式砌塊砌體的受壓應力圖(見圖3),以外圍砌體(取應力單元體A)與芯柱混凝土(取應力單元體B)為研究對象,在豎向壓力Fy作用下,外圍砌體破壞時橫向拉應力去除砂漿對砌塊的影響后,與芯柱的約束力平衡,大小根據(jù)Kup fer破壞準則[3],有:

式中:σx b為外圍砌體在破壞時存在的橫向拉應力, MPa;f tb為砌體的抗拉強度,MPa,忽略砂漿的影響,近似取為砌塊的單軸抗拉強度平均值,即取ftb≈σtb;f cb為砌體的抗壓強度,MPa,忽略砂漿的影響,近似取為砌塊的單軸抗壓強度平均值,即取f cb≈f1;σyb為砌塊中的豎向壓應力大小,M Pa,近似

取σyb≈ξf m.

在試驗中觀察到灌孔N式砌塊砌體抗壓試件的破壞往往呈現(xiàn)出砌塊壁寬面處破壞的形態(tài),這是因為N式砌塊只有2條橫肋,外圍砌體在承受來自芯柱對砌塊壁的張力時,無論全灌還是半灌砌體發(fā)生破壞時寬面都是弱側,所以本文對于半灌孔N式砌塊砌體取如圖4所示的隔離體,由∑Fx=0則有

圖3 灌孔N式砌塊砌體受壓應力圖Fig.3 Compression stress diagram of tw o ends opened b lock masonry

由式(3)可得:

芯柱在三向受壓狀態(tài)下的應力為[11]:

式中:σx g為作用于芯柱上的橫向約束應力,MPa; σc g為無約束條件下芯柱的抗壓強度,MPa.

圖4 半灌孔N式砌塊砌體隔離體受力圖Fig.4 Force diagram of half-grouted tw o ends opened b lockmasonry iso lated body

根據(jù)文獻[12],有σtb=5 fb(fb為砌塊基于凈面積的抗壓強度值(Psi)),將之換算成以MPa為單位,并將式中基于凈面積表示砌塊的抗壓強度值轉換成用基于毛面積的砌塊抗壓強度值表示:

式中:δ為砌塊的孔洞率.

將N式砌塊孔洞率δ=0.6代入式(5)得:

聯(lián)立式(2),式(3),式(4)和式(6),t s取砌塊壁、肋的平均厚度,則t s=(45+40)/2=42.5mm,w= 119 mm,代入(4)可得:

式中:f c,m為灌孔混凝土棱柱體抗壓強度平均值, MPa.

式中:f cu,m為灌孔混凝土立方體抗壓強度平均值, MPa.

將式(8)代入式(1),得灌孔兩端開口N式砌塊砌體抗壓強度表達式的另一種形式:

式(9)右邊括號第2項0.98αβf-1/21往往很小,所以式(9)可簡化為:

對于全灌孔兩端開口N式砌塊砌體抗壓試件取如圖5所示的隔離體,由∑Fx =0則有:圖5 全灌孔兩端開口砌塊砌體隔離體受力圖Fig.5 Force diagram of grouted tw o ends

opened block masonry isolated body

按照半灌孔N式砌塊砌體的推導方法,聯(lián)立式(2),式(4),式(6)和式(11),t s取砌塊壁肋的平均厚度42.5 mm,w＇=390 mm,代入可得:

對比式(10)和式(12)半灌孔和全灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度計算公式,除了等號右邊第2項系數(shù)不同外,形式完全一樣.經分析可知:半灌孔試件α=0.2,而全灌孔試件α=0.4,不論填芯率如何,式(10)和式(12)等號右邊第2項中填芯率α與它前面的系數(shù)的乘積都是個定值.綜上分析,半灌孔和全灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度計算公式可統(tǒng)一用式(13)表示:

根據(jù)本文的試驗數(shù)據(jù)(見表2),回歸分析得ξ= 0.9,β=0.9,代入式(13)得灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度表達式為:

按式(14)計算本文得出的灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度平均值及與本文的試驗強度值的比值見表2.

表2 灌孔N式砌塊砌體抗壓強度按規(guī)范的計算值、按式(14)的計算值及本文試驗值Tab.2 Comparison between test resu lts and calcu lated va lue from formu la(14)o f grouted specimens

3 結 論

通過12個灌孔N式砌塊砌體試件的受壓試驗研究和理論分析,得到了以下結論:

1)灌孔N式砌塊砌體從上至下,孔、肋可完全對齊,軸向壓應力沿高度方向分布均勻,橫向應力沿砌體高度方向突變也小,使灌孔N砌塊砌體的受壓性能得到明顯改善.

2)與砌體規(guī)范相應的強度平均值公式計算值相比,半灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度平均值提高了24%;全灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度平均值提高了23%.

3)灌孔N式砌塊砌體在破壞時可能會出現(xiàn)2種情況,即:外圍砌體與芯柱同時破壞和外圍砌體破壞后芯柱還可以繼續(xù)工作.本文建立了第1種破壞模式的灌孔N式砌塊砌體的抗壓強度表達式,公式反映了破壞時芯柱混凝土的三軸應力水平與外圍砌體的強度利用情況,與試驗值吻合良好.

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Research on the Com pressive Behaviors of Grouted N-type Block Masonry

WAN Zhi1,3,HUANG Liang2?,LIU Yan2,XU Zi-peng2,GAO Xiang2,CHEN Sheng-yun2

(1.Civil&A rchitectural Engineering College,Central South Univ,Changsha,Hunan 410075,China;
2.College of Civil Engineering,Hunan Univ,Changsha,H unan 410082,China;
3.Hunan Communications Research Institute,Changsha,Hunan 410015,China)

Through the experiments of 12(6 half-grouted and 6 full-grouted)com pressive specim ens, the failure pattern and the u ltimate capacity o f concrete b lock masonry were analyzed.Test resu lts showed that the compressive strength and the elastic modulus of two ends opened block masonry were enhanced com pared to the common concrete block masonry(like K-block).Based on the compression mechanism of tw o ends opened b lock masonry,a sem i-em pirical theory form ula was p resented for grouted tw o ends opened block masonry.And the calculation resultswith the form ulas were in good agreementw ith the test results.

two ends opened block masonry;grouted rates;com pressive-resistance strength;failure mechanism

TU 362.02

A

1674-2974(2011)04-0020-05 *

2010-04-05

湖南省交通運輸廳2009年科技進步與創(chuàng)新計劃資助項目(200916);國家985工程資助項目(521805020003);國家自然科

學基金青年基金資助項目(50808074);教育部新教師基金資助項目(200805321044)

萬 智(1976-),男,湖南安鄉(xiāng)人,中南大學博士研究生,湖南省交通科學研究院副研究員

?通訊聯(lián)系人,E-mail:huang liangstudy@126.com