一种新型砌体结构的抗剪试验研究.pdf

第 3 6卷第 2期 2 0 1 0年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 5 一 种新型砌体结构的抗剪试验研究 龚进 ， 周鲁敏 同济大学建筑设计研究院， 上海2 0 0 0 9 2 摘要 采用销键使混凝土小型空心砌块相互咬合 ， 可以有效地提高砌体结构的抗剪强度， 改善砌体结构的抗震性能， 是一种 新型的砌体结构。通过对这种新型砌体结构的单面和双面剪切试验， 分析了新型砌体结构的剪切变形过程， 与普通砌体结构 进行了对比， 提出了此新型抗震砌体结构的抗剪强度计算方法。 关键词 销键 ； 混凝土小型空心砌块 ； 抗剪强度 中图分类号 T U 3 6 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 0 0 20 1 5 0 5 Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n s h e a r c a p a b i l i t y o f a n e w ma s o n r y s t r u c t u r e G0NG J i n． Z HOU L u mi n T o n al U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a Ab s t r a c t By i n s e r t i n g a c o n c r e t e b o l t i n t h e h o l e C an c h a i n t h e u p p e r b l o c k wi t h l o we r b l o c k， t h e s h e a r s t e r n g t h o f t h e s mall h o l l o w c o n c r e t e b l oc k ma s o n r y c a n b e i n c r e a s e d e ff e c t i v e l y a n d s e i s mi c p e r f o r ma n c e i mp r o v e d ． T h i s i s a n e w t y p e o f ma s o n r y s t r u c t u r e ． 1 5 0 n e w s ma l l -- s i z e d h o H o w c o n c r e t e b l oc k ma s o n r i e s a r e c o mp a r e d w i t h 1 5 0 n o rm a l s ma l l - s i z e d h o o w c o n c r e t e b l o c k ma s o n r i e s u n d e r 5 d i f f e r e n t a x i al l o a ds i n t hi s e x p e rime n t t o t e s t t he i r s he a r r e s i s t an c e． Th e s he ar de f o r ma t i o n pr o c e s s wa s a na l y z e d a n d i t s s he a r c a p a b i l i t y f o rm ul a o bt a i ne d ． Ke y wo r d s c o n c r e t e b o l t ； s ma l l s i z e d h o l l o w c o n c r e t e b l o c k； s h e a r c a p ab i l i t y O 引 言 在汶川大地震 中， 采用砌体结构形式 的建筑物 破坏较重。震害分析表明 ， 砌体结构 由于 由砖 、 石等 砌筑而成 ， 砌块之间的连接较差 ， 虽然设置了钢筋混 凝土构造柱 、 圈梁等加强措施 ， 但 当遇到强震 时， 在 水平和竖向交替振动作用下 ， 砌块之 间的连接容易 被破坏 ， 导致砌体松散 、 竖 向受力构 件破 坏 ， 是震区 砌体结构建筑物垮塌 的主要原因。砌体抗剪强度 的 提高 ， 可有效地提高砌块建筑 的抗震性 能。试验证 明 利用砌块的孔洞， 插上用混凝 土制成 的销键 ， 使 上下砌块相互咬合 ， 形成连锁 ， 共 同承担剪力 ， 可大 幅提高砌体结构 的抗剪强度 ， 如图 1 所示 。 1 试验方法 采用 1 5 0片普通砌体和 1 5 0片新型砌体进行单 面和双面剪切试验 ， 以系统分析新型砌体结构的抗 剪性能和破坏机理 。 按竖 向荷载为 0 ， 2 5 ， 5 0 ， 7 5， 1 0 0 k N五种情况 ， 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 9 - 0 8 作者简介 龚进 1 9 7 7一 ， 男 ， 江西南 昌人 ， 一 级注册结 构工程 师 ， 主要从事建筑结构设计工作 。 Ema l l 1 2 G J t j a d r 1 ． c o n 图 1 新 型砌块 砌体构造示意 Fi g ． 1 S k e t c h m a p o f t h e n e w- s t y l e ma s o n r y s t r u c t u r e 砂浆强度等级为 M5 ， M7 ． 5 ， MI O三种情况 ， 把 新型 砌体和普通砌体各分为 1 5组 ， 每组砌筑 5个砌体 。 单面剪切试验 的每个砌体 为双皮砌筑 ， 由每皮一块 半砌块搭接形成。双面剪切试验 的每个砌体为 3皮 砌筑 ， 每皮一块半砌块搭接形成 。 砌体按照规范规定 ， 采用混合砂浆砌筑。其中， 对于新型砌体增加 了砌筑销键 的工序 ， 即在下皮砌 块砌筑后 ， 先将销键的凸榫四周抹上砂浆 ， 插入下皮 砌块的空洞中， 然后 ， 再砌筑上皮砌块。 砌块强度等级为 MU 1 0 实测值为 1 2 ． 5 5 M P a ， 销键采用与混凝土砌块 同标号的混凝土制作。 砌块几何尺寸同标准混凝土小型空心砌块 ，销 键尺寸如图 2所示 。 试验在东南大学结构试验室进行 ， 试验加载装 置如图 3 ， 4所示。 试验时， 在试件对角面上设 置 1 0 B 1 T I 厚砂浆找 1 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 十 _ - f 日 寸 基 l 塑 1 9 盟壁 图2 销键示意 Fi g ． 2 S k e t c h ma p o f t he n e w- s t y l e m a s o n r y s t r u c t u r e 平层 ， 这是为了减小砌体表面凹凸不平的影响 ， 防止 由于局部压应力造成砌块提前破坏， 并确保应力分 布均匀。竖向荷载通过分配梁传至试件。 图 3 双剪试验加载示意 F i g ． 3 Te s t m o d e o f s i n g l e s i d e d s h e a r t est 图 4单剪试验加载示意 Fi g ． 4 Te s t m od e o fdou bl e- s i de d s he ar t est 为使在竖向荷载试验过程 中保持恒定 ， 竖 向千 斤顶与杠杆平衡系统相接。杠杆平衡系统是通过另 一 外千斤顶与试验竖 向千斤顶 串联 ， 在外千斤顶上 作用一水平杠杆 ， 水平杠杆一端铰接固定 ， 在以外千 斤顶为支点的水平杠杆另一端加设砝码 ， 以使外 千 斤顶上的压力保持恒定 ， 从而可使竖 向千斤 顶的压 力在试验过程中保持恒定。水平力的加设是用手动 油压顶完成 ， 可直接读取水平力值。 砌体的剪切位移的量测是采用砌体两面设置百 分表量测上下皮砌体间位移进行的。两侧百分表的 平均值， 即为上下皮砌体的剪切位移值。百分表支 撑点与固定杆支撑点的水平距离为量测距离， 剪切 位移除以量测距离， 即为砌体的平均剪切应变。 本次试验的加载采用混合加载制度 ， 即水平荷 载到达砌体的极限水平荷载前， 采用荷载增量控制， 以极限荷载 1 0 ％左右 5 k N 作为荷载增量， 到达极 限水平荷载后以位移增量控制 以0 ． 2 m m作为位 移增量 。 2 试验现象 在单剪和双剪试验中， 普通砌 体与新型砌体的 开裂破坏形态均显现出明显 的规律性特征。 2 ． 1 普通砌体 在开始施加水平荷载时 ， 百分表读数与水平荷 载基 本呈 线 性关 系。水 平 荷 载加 至极 限荷载 的 4 0 ％ ～ 8 0 ％时， 砌体开裂， 水平荷载略有下降， 初裂 缝位于近加载端 的水平灰缝处。随着水平 荷载增 大， 水平通缝瞬间形成， 水平荷载陡降， 上皮砌体沿 水平通缝滑移。通缝形成后 ， 砌体宣告破坏 ， 剪切承 载力基本丧失。竖向荷载较小时， 砌体 只出现沿水 平灰缝与砌块粘结面的一条通缝 ， 砌块完整。竖 向 荷载较大且通缝形成时， 灰缝发出细微劈裂声 ， 除表 面存在少量斜裂缝外 ， 砌块基本完整。 2 ． 2 新型砌体 在开始施加水平荷 载时 ， 百分表读数与水平荷 载基本呈线性关 系。当水平荷载达到极 限荷载 的 5 0 ％ ～ 8 0 ％时， 近加载端水平灰缝处出现微细裂缝。 随着水平荷载不断加大， 灰缝碎屑不断剥落， 裂缝不 断开展 ， 灰缝发出细微劈裂声 ， 上下皮砌体间逐渐形 成一条水平通缝 ； 与普通砌体相比， 水平通缝形成速 度较慢。通缝形成后， 由于销键的咬合作用， 砌体承 载力仍未达到极限， 水平荷载仍可继续增加 。最后 砌块表面出现多条斜裂缝 ， 承载力下降， 砌 体破坏。 砌体破坏时， 砌块壁 出现多条垂直于水平砂浆灰缝 的竖向裂缝 ， 砂浆层形成一条水平通缝 ， 裂缝数量 明 显多于普通砌体。砌体 中间的销键基本均 已剪坏 。 竖 向荷载较大时， 砌块表面 的斜裂缝数量大于竖向 荷载较小时的斜裂缝数量。 砌体典型裂缝分布情况如图 5～ 7所示 。 图 5 普通砌体破坏裂缝分布 F i g ． 5 Cr a c k i n g mo d e s o f c o mmo n ma s o n r y s t r u c t u r e 2 0 1 0 N o ． 2 龚进 ， 等 一种新型砌体结构的抗剪试验研究 图 6 新型砌体破 坏裂缝分布 F i g ． 6 Cr a c k i n g mo d e s o f n e w- s t y l e m a s o n r y s t r u c t u r e 3 试 验结果分析 国标 规定 ， 混凝土小 型空心砌块砌体 的通缝 抗剪强度试验方法宜采用双剪试验进行。但双剪试 图 8 新型砌体和普通砌体 荷载位移 曲线 Fi g ． 8 The l oa d- di s pl ac e me nt c ur v e 图 7 销键破坏情况 Fi g ． 7 F a il ur e mo d e s o f t h e c o n c r e t e b o l t 验往往出现上下两条灰缝无法 同时剪坏的情况。为 系统地研究此种新型砌 体结构 的剪切性能 ， 对新 型 砌体与普通砌体在不同竖向荷载下单剪、 双剪试验 结果分别进行统计 ， 以对比分析 图 8 ， 表 1 ， 2 。 1 2 0 1 0 0 8 0 至 6 0 4O 20 0 0 0 ． 4 0 8 1 2 l 6 0 0． 2 O ． 4 0 ． 6 0． 8 l 1 ． 2 1 4 1 ． 6 1 ． 8 表 1 普通砌体 和新型砌体极 限抗 剪强度对比 Ta b l e 1 Co m p a r i s o n o f t he u l t i m a t e s h e a r c a p a c i t y o f th e c o n l i n o n m a s o n r y s t ru c t u r e a n d wh i c h o f t he ne w- s t y l e mas on r y s t r uc t ur e 注 1 表中的抗剪强度 试验值 的平均值／ 剪切面 的毛面积 即 P1 0 0 0 ／ 5 9 01 9 0 ； 2 砌体编号规则 Q 7 5 T为砌 体砂浆强度等级为 M 7 ． 5的新型砌体 ； Q 7 5为砌体砂浆强度等级 为 M7 ． 5的普通砌体 。 加 加 ∞∞ ∞ ∞加 o N】 f 1 8 四川建筑科学研究 第 3 6 卷 表 2 普通砌体和新型砌体极限水平荷载对应的位移 Ta b l e 2 Co mp a r i s o n o f t h e d i s p l a c e me n t o f t h e C O 1 ] O 1 ] ma s o n r y s t r u c t u r e u n d e r t h e ma x i mu m l o a d a n d wh i c h o f t h e f l e w- s t y l e ma s o n r y s t ru c t u r e 由表 1 ， 2和图 8可知 1 新型砌体的开裂荷载和极 限抗剪强度大于 同等条件 砂浆等级 和竖 向荷载 下 的普通 砌体。 极限抗剪强度 比普通砌体高 3 1 ％ ～ 5 4 ％。 2 新型砌体在到达极限水平荷载时， 对应的 位移大于同等条件下的普通砌体。 3 从剪切变形过程上看 经过荷载位移线性 变化 的初期弹性 阶段 ， 到达 弹性 阶段顶点 通缝形 成 后 ， 新型砌体并未显示出与普通砌体相同的承 载力快速丧失 ， 而是通过销键的咬合作用继续承载 ， 剪切变形显示 出一定 的延性特征 。 4 抗剪承载力计算方法 剪摩理论认为 砌体抗剪强度是 由砌体的粘结 强度与法向压应力产生的摩阻力之和。根据国标试 验规范要求 采用双剪试验结果 ， 按剪摩理论 ， 进行 线性回归得出的普通砌体的抗剪承载力公式为 0 ． 6 5 0 - 0 1 式中 砌体的复合受力抗剪强度； 砌体抗剪强度 无压 ； 。 法向压应力 。 此公式与已有研究 结果 较为吻合 。单剪 试 验出于附加次弯矩影 响， 试验结果略小于公式 1 计算值。 新型砌体结构的抗剪承载力可 以认为普通砌体 的抗剪承载力与销键咬合作用的叠加。本次单剪和 双剪试验结果和以往研究结果 均表明 销键对砌 体极限抗剪承载力的提高值并不是恒定 竖向荷载 较小时， 提高值随竖向荷载增大而增大， 竖向荷载较 大时， 提高值不再随竖向荷载变化， 基本为恒定值。 而在同一竖向荷载作用下， 销键对砌体极限抗剪承 载力的提高值不随砂浆强度变化而变化， 基本为恒 定值。根据加 载结束 后 的试验现 象 ， 内插销键 有 8 0 ％以上均被剪坏 ， 可认为销键对砌体极 限抗剪承 载力的提高值与销键 的剪切破坏强度有关 ， 假定为 线性关系。 对销键提高值 以竖 向荷载为参变量， 进行线性 回归， 得出公式 的销键提高项 ， 再 加上公式 1 ， 可 得出新型砌体的抗剪承载力计算公式为 厶 0 ． 6 5 。 0 ． 0 1 7 3 2 式 中 新 型 砌 体 的 复 合 受 力 抗 剪 强 度 M P a ； 普通砌体零正应力抗剪强度 M P a ； 法向压应力对销键作用影响系数 ， 2 ． 4 4 5 0 且不大于 3 ． 3 4 5 ； 销键抗压强度 MP a ； A 销键截面面积 小头 ； A砌体抗剪截面面积 ； 砌体中销键个数。 计算结果与试验值对 比见表 3 。 公式 2 计算结果对双剪试验结果 的回归平方 和为 n O “ 0 ． 0 2， 对单剪试验结果的回归平方和为 ／ t O - 0 ． 0 8， 总体吻合较好。 5 结论 1 新型砌体结构利用销键使砌块间形成咬合 作用， 提高了普通混凝土小型空心砌块砌体的抗剪 强度， 增强了砌体结构的延性和变形能力， 使建筑物 在强震作用下 ， 砌块问连接不易丧失 ， 墙体的完整性 和竖 向承载力得以维持 ， 从而改善 了砌体结构的抗 震性能。 2 销键的设置客观上提高了砌块 间砂浆的饱 满度， 有利于防止} 昆 凝土小型空心砌块墙体的裂缝。 本次试验结果表明， 新 型砌块结构的墙体开裂荷载 比普通 砌块 结构大2 4 ％ ～4 1 ％ 。 只采用 了一种强 2 0 1 O N o ． 2 龚进 ， 等 一 种新 型砌体结构 的抗剪试 验研究 表 3 连锁砌体极 限抗剪强度计算值和试验 值 Ta b l e 3 Co mp a r i s o n o f c al c u l a t i n g v a l u e a n d t e s t i n g v a l u e 度的销键块体 ， 因此 ， 式 2 中销键强度对砌体抗剪 强度的影响 ， 尚需深入试验研究 。 3 新型砌体结构施工较 为简便 ， 与普通混凝 土小型空心砌块结构基本相 同， 便于技术推广。 4 本文提出 的抗剪 承载力 的计算方法 ， 可为 此类砌体结构设计时提供参考。 参 考 文 献 [ 1 ] 湖南大学， 太原工学院， 福州大学． 建筑结构试验[ M] ． 北京 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 2] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 朱伯龙 ． 建 筑抗 震试验 [ M] ． 北京 ． 地震 出版社 ， 1 9 8 9 ． 龚进 ． 连锁式混凝土小 型空心砌块墙抗 震试验研 究[ D] ． 南 京 东南 大学， 2 0 0 3 ． GB 5 0 0 0 3 2 0 0 1砌体结构设计规范 [ s ] ． 钱 义良， 施楚 贤， 混凝 土砌块论文集 [ M] ． 长沙 湖南大学 出版 社， 1 9 8 9 ． 戴永常 ． 连锁式混凝土小 型空心砌块砌体 抗剪试验 研究 [ D] ． 南京 东南 大学 ， 2 0 0 0 ． 四川省建设委员会． G B J I 2 99 0砌体基本力 学性能试 验方法 标准 [ s ] ． 上接 第4页 较高， 可以在点支式玻璃建筑中采用。 4 铸铝支承件既能克服不锈钢支承件强度储 备过大而不经济的缺点 ， 又能显著减轻支 承件 的 自 重 ， 具有广泛应用的潜力 。 参 考 文 献 [ 2 ] [ 3 ] 王元清 ， 石永久 ， 李少甫 ， 等． 点支式玻 璃建筑结 构体系及其 应 用技术研究[ J ] ．土木工程学报 ， 2 0 0 1 ， 3 4 4 1 - 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