灌孔N式砌块砌体抗压强度理论研究*

万 智,黄 靓,刘 燕,徐紫鹏,高 翔,陈胜云

(1.中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410075;2.湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082; 3.湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)

灌孔N式砌块砌体抗压强度理论研究*

万 智1,3,黄 靓2†,刘 燕2,徐紫鹏2,高 翔2,陈胜云2

(1.中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410075;2.湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082; 3.湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)

对12个灌孔N式砌块砌体抗压试件(其中半灌孔试件6个,全灌孔试件6个)进行了受压性能试验,分析了灌孔砌块砌体受压的破坏形态和极限承载力.试验结果表明: N式砌块砌体与普通混凝土小型砌块砌体(标准砌块)相比,其独特的截面几何形状使得N式砌块砌体孔、肋具备良好的对齐率,较好地改善了砌块砌体的受压性能.对于灌孔N式砌块砌体,给出了半经验半理论的抗压强度计算公式,公式计算值与试验结果吻合良好.

N式砌块;灌孔率;抗压强度;破坏机理

混凝土小型空心砌块作为一种非黏土墙体材料,具有取材广泛、施工方便、造价低廉等优点,因此在许多国家被广泛应用.实践证明混凝土小型空心砌块符合可持续性发展要求,是一种极具竞争力的墙体材料.但目前在国内常用的砌块存在“壁薄、肋不对齐和受力面积少”等缺点,传力途径比较复杂. N式砌块(见图1)通过对砌块块形的改进,在砌筑时实现了孔、肋对齐[图2(a)],并且比一般混凝土砌块[图2(b)]孔洞率减少10%,很大程度上解决了上述常用砌块砌体中的几个问题.本文对N式砌块的受压力学性能进行了试验研究,并提出了灌孔N式砌块砌体抗压强度的计算公式.

图1 N式砌块与普通混凝土小型砌块示意图Fig.1 Two ends opened block masonry and ordinary sma ll concrete b lock

图2 砌体墙片剖面示意图Fig.2 Sectional view o f tw o typemasonry walls

1 灌孔N式砌块砌体试验概况

抗压试件共12个.半灌孔试件分2组共6个,编号分别为CB1～CB3,DB1～DB3;全灌孔试件分2组共6个,编号分别为CA 1～CA 3,DA 1～DA 3,试件详细信息见表1.

表1 N式砌块砌体试件材料基本参数Tab.1 Basic parameters about test specimen

2 N式砌块砌体抗压强度分析

2.1 影响灌孔N式砌块砌体受压性能的因素

确定影响砌体受压的因素以及每一因素对抗压强度值影响的大小是正确建立砌体抗压强度表达式的关键所在.国内外学者通过试验与理论分析[1-3],或利用ANSYS程序[4-5]做过大量卓有成效的研究,认为对无筋砌体抗压强度影响比较大的几个因素为砌体的块体强度、砂浆强度、块体和砂浆的强度比、试件的高厚比、灰缝砂浆的厚度、以及砌块砌体的孔、肋对齐率等因素;对于灌孔砌体主要考虑芯柱混凝土的强度、砌块与芯柱混凝土强度比两个因素.

砌块的截面形状[1]、截面尺寸[4]对于未灌孔砌体的抗压强度的影响不大.N式砌块相比于普通混凝土砌块只是砌块截面几何形状和孔洞率有所改变,所以影响普通混凝土砌块砌体抗压强度的因素对N式砌块砌体同样成立——即对于未灌孔N式砌块砌体主要考虑块体强度f1,砂浆强度f2,块体与砂浆的弹性模量比Eb/Em(Eb为块体的弹性模量,E m为砂浆的弹性模量),试件高厚比t b/t m(t b为块体的高度,t m为砂浆的厚度),砌体的孔、肋对齐率等;对于灌孔N式砌块砌体主要考虑未灌孔N式砌块砌体的抗压强度和灌孔混凝土的强度等因素.

2.2 灌孔砌块砌体抗压强度表达式

关于灌孔砌体的抗压强度值计算公式,AhmadA.Hamid和Robert G.Drysdale对灌孔混凝土砌块砌体受压性能进行研究,以弹性理论的模式提出了相应的破坏准则并建立了灌孔混凝土砌块砌体抗压强度的表达式[2].由于灌孔N式砌块砌体有较好的延性和较大的塑性变形[6],其受压破坏过程不能简单地以弹性过程来替代分析,所以本文从理论分析入手,结合试验回归的手段对灌孔N式砌块砌体的抗压强度进行分析并建立相关数值表达式.

2.3 灌孔N式砌块砌体抗压强度破坏机理分析

根据灌孔N式砌块砌体的受力机理,并借鉴已有研究资料的成果[7-9],本文认为灌孔N式砌块砌体的抗压强度由2部分组成:一部分来自外围砌体的抗压强度贡献,一部分来自芯柱混凝土的抗压强度贡献.通过分析发现,灌孔N式砌块砌体在受压破坏时,外围砌块还要承受来自芯柱混凝土的张力,使得砌块壁处于双向拉-压的不利状态,在破坏时外围砌体的抗压强度贡献值小于未灌孔时的抗压强度f m.而芯柱则受到砌块的约束,处于三轴受压的有利状态,但在破坏时,由于外围砌块的提前破坏,约束应力的消失,多轴强度不一定充分发挥,所以芯柱混凝土的抗压强度应是芯柱混凝土某一应力水平下的三轴抗压强度,即σ3=βf3(β为外围砌块破坏瞬间芯柱的三轴应力水平修正系数,f3为芯柱混凝土的三轴抗压强度平均值).

当芯柱混凝土的强度明显比外围砌体强时,灌孔砌体的受压破坏其实不是同时发生的.根据文献[10]可知,如果砌块的抗压强度按净面积确定,实际上为砌块混凝土材料的棱柱体抗压强度,所以从理论上说当灌孔砌块砌体中芯柱混凝土的立方体抗压强度fcu,m≥f1/(0.76α)(α为灌孔砌体的灌孔混凝土面积与毛面积的比值)时,在外围砌体退出工作后芯柱混凝土的单轴抗压强度大于外围砌体破坏时灌孔混凝土承担的压应力,仍可以继续工作.但在实际工程中一般砌块与芯柱混凝土有良好的匹配,很少出现上述情形.且本实验未出现此种情况,因此本文仅针对外围砌体与芯柱砌体同时破坏时提出抗压强度计算公式.

2.4 灌孔N式砌块砌体抗压强度表达式

通过以上分析,本文提出灌孔N式砌块砌体的抗压强度表达式可写成式(1)形式:

式中:f gm为灌孔N式砌块砌体的抗压强度值, MPa;fm为未灌孔两端开口N式砌块砌体的抗压强度值,MPa;α为灌孔砌体的灌孔混凝土面积与毛面积的比值,即填芯率;ξ为待求系数,由上分析可知:ξ≤1;β为芯柱三轴强度应力水平,β≤1;f3为芯柱混凝土棱柱体三轴抗压强度平均值,MPa.

由式(1)可知,只要确定了未知系数ξ与β便可以得出灌孔N式砌块砌体的抗压强度值.

由灌孔N式砌块砌体的受压应力图(见图3),以外围砌体(取应力单元体A)与芯柱混凝土(取应力单元体B)为研究对象,在竖向压力Fy作用下,外围砌体破坏时横向拉应力去除砂浆对砌块的影响后,与芯柱的约束力平衡,大小根据Kup fer破坏准则[3],有:

式中:σx b为外围砌体在破坏时存在的横向拉应力, MPa;f tb为砌体的抗拉强度,MPa,忽略砂浆的影响,近似取为砌块的单轴抗拉强度平均值,即取ftb≈σtb;f cb为砌体的抗压强度,MPa,忽略砂浆的影响,近似取为砌块的单轴抗压强度平均值,即取f cb≈f1;σyb为砌块中的竖向压应力大小,M Pa,近似

取σyb≈ξf m.

在试验中观察到灌孔N式砌块砌体抗压试件的破坏往往呈现出砌块壁宽面处破坏的形态,这是因为N式砌块只有2条横肋,外围砌体在承受来自芯柱对砌块壁的张力时,无论全灌还是半灌砌体发生破坏时宽面都是弱侧,所以本文对于半灌孔N式砌块砌体取如图4所示的隔离体,由∑Fx=0则有

图3 灌孔N式砌块砌体受压应力图Fig.3 Compression stress diagram of tw o ends opened b lock masonry

由式(3)可得:

芯柱在三向受压状态下的应力为[11]:

式中:σx g为作用于芯柱上的横向约束应力,MPa; σc g为无约束条件下芯柱的抗压强度,MPa.

图4 半灌孔N式砌块砌体隔离体受力图Fig.4 Force diagram of half-grouted tw o ends opened b lockmasonry iso lated body

根据文献[12],有σtb=5 fb(fb为砌块基于净面积的抗压强度值(Psi)),将之换算成以MPa为单位,并将式中基于净面积表示砌块的抗压强度值转换成用基于毛面积的砌块抗压强度值表示:

式中:δ为砌块的孔洞率.

将N式砌块孔洞率δ=0.6代入式(5)得:

联立式(2),式(3),式(4)和式(6),t s取砌块壁、肋的平均厚度,则t s=(45+40)/2=42.5mm,w= 119 mm,代入(4)可得:

式中:f c,m为灌孔混凝土棱柱体抗压强度平均值, MPa.

式中:f cu,m为灌孔混凝土立方体抗压强度平均值, MPa.

将式(8)代入式(1),得灌孔两端开口N式砌块砌体抗压强度表达式的另一种形式:

式(9)右边括号第2项0.98αβf-1/21往往很小,所以式(9)可简化为:

对于全灌孔两端开口N式砌块砌体抗压试件取如图5所示的隔离体,由∑Fx =0则有:图5 全灌孔两端开口砌块砌体隔离体受力图Fig.5 Force diagram of grouted tw o ends

opened block masonry isolated body

按照半灌孔N式砌块砌体的推导方法,联立式(2),式(4),式(6)和式(11),t s取砌块壁肋的平均厚度42.5 mm,w＇=390 mm,代入可得:

对比式(10)和式(12)半灌孔和全灌孔N式砌块砌体的抗压强度计算公式,除了等号右边第2项系数不同外,形式完全一样.经分析可知:半灌孔试件α=0.2,而全灌孔试件α=0.4,不论填芯率如何,式(10)和式(12)等号右边第2项中填芯率α与它前面的系数的乘积都是个定值.综上分析,半灌孔和全灌孔N式砌块砌体的抗压强度计算公式可统一用式(13)表示:

根据本文的试验数据(见表2),回归分析得ξ= 0.9,β=0.9,代入式(13)得灌孔N式砌块砌体的抗压强度表达式为:

按式(14)计算本文得出的灌孔N式砌块砌体的抗压强度平均值及与本文的试验强度值的比值见表2.

表2 灌孔N式砌块砌体抗压强度按规范的计算值、按式(14)的计算值及本文试验值Tab.2 Comparison between test resu lts and calcu lated va lue from formu la(14)o f grouted specimens

3 结 论

通过12个灌孔N式砌块砌体试件的受压试验研究和理论分析,得到了以下结论:

1)灌孔N式砌块砌体从上至下,孔、肋可完全对齐,轴向压应力沿高度方向分布均匀,横向应力沿砌体高度方向突变也小,使灌孔N砌块砌体的受压性能得到明显改善.

2)与砌体规范相应的强度平均值公式计算值相比,半灌孔N式砌块砌体的抗压强度平均值提高了24%;全灌孔N式砌块砌体的抗压强度平均值提高了23%.

3)灌孔N式砌块砌体在破坏时可能会出现2种情况,即:外围砌体与芯柱同时破坏和外围砌体破坏后芯柱还可以继续工作.本文建立了第1种破坏模式的灌孔N式砌块砌体的抗压强度表达式,公式反映了破坏时芯柱混凝土的三轴应力水平与外围砌体的强度利用情况,与试验值吻合良好.

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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

湖南省交通运输厅2009年科技进步与创新计划资助项目(200916);国家985工程资助项目(521805020003);国家自然科

学基金青年基金资助项目(50808074);教育部新教师基金资助项目(200805321044)

万 智(1976-),男,湖南安乡人,中南大学博士研究生,湖南省交通科学研究院副研究员

†通讯联系人,E-mail:huang liangstudy@126.com