节能砌块内置钢筋混凝土墙板偏心受压试验研究

颜军，李泽良（宿迁学院建筑工程学院，江苏宿迁　223800）



节能砌块内置钢筋混凝土墙板偏心受压试验研究

颜军，李泽良
（宿迁学院建筑工程学院，江苏宿迁223800）

摘要：为研究节能砌块内置钢筋混凝土墙板的破坏特征和受压性能，进行了4个1/2模型节能砌块内置钢筋混凝土墙板偏心受压试验，分析了各试件的破坏过程、破坏形态及承载力、协同工作性能。研究结果表明：节能砌块与内置钢筋混凝土之间协同工作性能良好；随着偏心距的增大，试件破坏由小偏心受压逐渐变为大偏心受压，破坏荷载逐渐降低，符合偏心受压构件的破坏规律；所有试件的破坏均属于材料破坏，没有发生平面外失稳破坏；按GB 50003—2011计算结果与试验结果吻合良好，能够满足工程实际要求。

关键词：节能砌块；内置钢筋混凝土墙体；偏心受压；协同工作

0　引言

加气混凝土砌块作为一种轻质墙体材料已被广泛应用于多高层建筑中。多年来的研究及实践表明，加气混凝土砌块砌体不仅可以用于填充墙体，而且可以与钢筋混凝土有机结合形成承重墙体。本文提出一种由节能砌块内置钢筋混凝土新型配筋墙体[1]作为承重墙、现浇钢筋混凝土圈梁及楼板组成的结构形式。节能砌块内置钢筋混凝土墙板具有内外2层加气混凝土保温层，同时外部加气混凝土墙体砌筑后可作为内置钢筋混凝土墙的模板，有效降低模板的使用量，节约成本。李升才等[2-8]开发并深入研究了节能砌块隐形密框结构的受力机理及设计方法，为节能砌块隐形密框结构的推广应用奠定了基础。姚谦峰等[9-10]对密肋复合墙板的受压及抗震性能展开研究表明：密肋复合墙板结构体系中的砌块、框格及框架均能充分发挥作用，具有多道抗震防线，抗震性能良好。孙恒军等[11-13]对混凝土小砌块配筋砌体的抗剪、受压及抗弯等性能进行了详细的研究，并分析了在各类荷载作用下的变形及破坏特征，结果表明，此类结构具有良好的抗压、抗弯性能，其变形能力甚至比剪力墙结构更好。姜洪斌等[14]进行了7个内置箍筋的砌块砌体剪力墙约束边缘试件的轴压试验，结果表明，加设内置箍筋后，试件的承载力和变形能力都有较大程度的提高。目前对节能砌块内置钢筋混凝土结构的研究尚无报道。本文对此类结构墙体进行偏心荷载作用下的抗压试验研究。

1　试验概况

1.1试件设计

为研究墙板在偏心受压作用下的受力性能，设计了4片只考虑偏心距影响的1/2比例的节能砌块内置钢筋混凝土墙板模型。墙体模型尺寸为600mm×200mm×1400mm，顶梁及底梁高度均为200mm，试件模型的总高度为1800mm，墙体几何尺寸及配筋如图1所示。墙体高厚比为7.0，试件高厚比为9.0。内置墙体混凝土强度设计等级为C25，墙内纵筋为5Φ10mm，对试件W1、W2、W3、W4分别按偏心距为50、100、150、200mm施加轴向荷载。

图1　墙体尺寸及配筋示意

1.2材料的力学性能

墙体内只配了经调直后的HPB300级钢筋，实测屈服强度标准值为373.4MPa。混凝土立方抗压强度标准值为PW1：20.0MPa；PW2：25.0MPa；PW3：25.0MPa；PW4：20.0MPa。砌块采用宿迁市鑫盛新型墙体材料有限公司生产的蒸压加气混凝土砌块。该砌块的干密度571 kg/m3，立方体抗压强度标准值4.7MPa，棱柱体抗压强度3.36MPa，弹性模量1.613 GPa。

1.3试验加载设备

本试验在宿迁学院结构试验室进行，试验通过长春试验机研究所生产的5000 kN长柱压力机施加竖向荷载，加载装置如图2所示。试件安放完毕后在顶梁顶面用一定的建筑结构胶修平并与加载顶梁粘结在一起，可确保加载位置的准确。

图2　试件加载装置

1.4加载制度

本试验是静力荷载试验，对试件进行单调加载。正式试验前对试件进行预加载，预加载分为3级，每级施加预估极限荷载的5%，然后再分3级卸载。通过预加载环节，可以检查试验设备的可靠性及测量仪器工作的正常性，如发现异常可及时纠正，预加载结束后方可进行正式加载阶段。正式加载阶段采用位移控制的加载模式，即加载速率控制在2mm/min，直至试件破坏，方可停止加载。

1.5测试内容

在试验过程中主要测试内容包括：①采用力传感器及位移计测量试件的荷载及竖向变形；②采用电阻应变片分别测量纵筋、水平分布筋和砌块的应变；③采用位移计测量试件平面外的变形及底座位移变化。以上测试内容所获得的数据均通过DH3816静态应变测试系统进行采集。

2　试验结果与分析

2.1试件破坏过程及分析

各试件的最终破坏形态如图3所示。

图3　墙体破坏形态照片

2.1.1试件W1～W4的破坏过程

试件W1：刚开始加载时，试件无明显变化，此状态保持相当长一段时间。当加载至304.4 kN时，墙体内部传来响声，并随着荷载的继续增加响声越明显。当荷载加到353.89 kN时，在无任何预兆的情况下试件有部分砌块压碎、脱落，混凝土被压碎，发现上下两部分有错开的现象，纵向钢筋应变明显增大并最终屈服，随即荷载下降。在整个加载过程中试件并无裂缝出现。

试件W2：加载开始后，试件表现较为稳定且无裂缝出现。当荷载加至336.5 kN时，墙体内部传来响声，并随荷载增加响声越发明显。加载至550 kN时，墙体右上方出现第1条斜裂缝，在很短的时间内该处裂缝数量增多且密，同时试件背面左上方出现水平裂缝，该裂缝向试件中部延伸。此后荷载增加较慢，试件左侧并无新裂缝产生，最右侧受压钢筋已达到屈服应变。当荷载增加至555 kN时，试件被压跨，右侧砌块被压碎、崩落，混凝土被压碎，右侧钢筋被压弯。

试件W3：加载之初，试件并无明显变化。当加载至240 kN时，试件左上方出现第1条水平裂缝，并逐渐贯通整个界面。当荷载增加至304 kN时，墙体内部传出响声，此时荷载又突然下降至295 kN，但随后荷载仍继续增加，经分析这种现象是由于万能试验机顶板发生倾斜所致。当加载至350 kN时，试件右侧下角出现竖向裂缝，并随着荷载的继续增加，裂缝宽度逐渐变大。当荷载增至380.5 kN时，试件右下角砌块被压碎，部分崩落，内部混凝土也被压碎，左侧钢筋达到受拉屈服，右侧钢筋被压弯。

试件W4：加载至65.0 kN时，第1条水平裂缝产生于试件左上部，随着荷载的增加，该裂缝不断发展同时伴以新裂缝的出现。当加载至185.3 kN时，试件右侧上方出现竖向裂缝，裂缝宽度逐渐增大并向试件下部发展。随着荷载的增加，两侧裂缝数量不断增加，并逐渐延伸。当荷载增至195 kN时，裂缝宽度增加明显，右侧裂缝宽度达3.5mm左右。当荷载加至204.44 kN时，试件左侧钢筋达到受拉屈服，右侧混凝土被压碎，右侧纵筋受压屈服。

比较分析上述各试件的受压过程及破坏现象发现：试件W1在整个加载过程并未出现裂缝，突然破坏。试件W2虽出现裂缝但此时荷载已接近破坏荷载，二者表现出脆性性质。试件W3和W4在加载过程中，裂缝均在受拉一侧较早出现，破坏时有明显的预兆，表现出明显的延性性质，试件W4延性性质最突出。

2.1.2试件的荷载-侧向挠度曲线

试件W1～W4的荷载-侧向挠度曲线如图4所示。

图4　试件W1～W4的荷载-侧向挠度曲线

由图4可见，各试件在加载过程中侧向挠度都在4mm以内，各试件均未出现平面外纵向弯曲破坏的现象。试件W1在墙体砌筑及运输过程中有3块砌块开裂，导致其破坏荷载小于试件W2和W3的破坏荷载。

2.2协同工作性能

为了保证砌块与混凝土之间协同工作，采取如图5所示的构造措施。具体做法为：沿砌块内壁长边三等分处分别设置1道20mm×40mm的内肋，该内肋将会完全嵌入后浇的钢筋混凝土中，待混凝土凝结硬化后通过内肋与砌块构成整体，确保二者共同受力。图6为试件W3破坏前后的比较示意。

图5　砌块内肋构造示意

图6　试件W3破坏前后的比较

从图6的破坏处可以发现，内置钢筋混凝土墙体与砌块的裂缝一致，二者之间的粘结较好，说明砌块与内置钢筋混凝土之间可以很好地协同工作，同时说明采用图5的构造措施是有效的。

总体来说，墙体破坏经历了3个阶段：加载之初的未裂阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。未裂阶段，砌块与内置钢筋混凝土传力均匀，协同工作性能最好。随着荷载的继续增加，偏心距大的试件裂缝出现早于偏心距较小的试件，试件进入弹塑性阶段。进入弹塑性阶段后，内置钢筋混凝土墙体与砌块之间的变形协调效果减弱，且偏心距越大，变形协调效果越弱。从所有墙体最终的破坏现象来看，并未出现平面外弯曲破坏，均属材料破坏。

2.3墙体的破坏形态

墙体在偏心加载时，随着偏心距的不断增大，破坏形态也由小偏心向大偏心破坏过渡。各试件的开裂荷载（Pcr）及破坏荷载（Pb）如表1所示。

表1　各试件的开裂荷载及破坏荷载

从表1可知：

（1）在偏心距较小的情况下，试件的破坏开始于受压一侧的砌块和混凝土率先被压碎，达到材料强度而破坏，墙体在无预兆的情况下发生突然的脆性破坏。墙体内部纵筋均表现为受压，可以认为试件W1和W2的破坏形态为小偏心受压破坏。

（2）试件W3的破坏荷载小于W2，其破坏开始于受拉区纵筋屈服，最终受压区混凝土被压碎，破坏之前试件有一定的预兆。从墙体内纵筋的应变情况看，近载端始终为受压状态，远载端则始终为受拉状态，但仅有最远端纵筋达到屈服强度。可以认为试件W3属于大偏心受压破坏。

（3）试件W4的破坏荷载最小。从破坏过程及荷载分析可知，远离荷载一侧的所有纵筋均已受拉屈服，受压一侧混凝土及砌块被压碎，受压纵筋也已屈服。试件在破坏时表现出明显的预兆，整个破坏过程表现为缓慢的延性破坏特征。因此，可以判定试件W4属于大偏心受压破坏。

2.4墙体内纵向钢筋应变分析

墙板内纵向受力钢筋的荷载-应变关系曲线如图7所示，图中“16”～“20”表示测点。图8为不同荷载下，内置剪力墙纵筋顶部的应变分布情况，其中横坐标a为测点距正面左端的距离。

图7　墙板内纵向受力钢筋的荷载-应变关系曲线

图8　不同荷载下内置剪力墙纵筋顶部的应变分布情况

通过图7及图8对比分析可知：

（1）试件W1所有纵筋均表现为受压，但只有最远端纵筋屈服，19号测点在加载初始阶段出现较小的拉应变。经分析，此应变异常现象是由于加载垫板变形使加载不均匀导致的，后经调整在W2~W4的试验中已经避免。从试件W2墙内纵筋的应变看，靠近加载点一侧纵筋受压屈服，远离加载点一侧纵筋受压但直至试件破坏也未屈服，即为全截面受压。

（2）试件W1~W4受压钢筋应变在加载过程中表现一致，且钢筋ε-P曲线的斜率变化较统一。试件W3和W4受拉区钢筋在加载中后期表现出一定的突变，这与砌块及混凝土开裂后退出工作有关。

（3）试件W3，远离加载点的纵筋表现为拉应变且受拉边缘即测点20已屈服，但离端部第2根纵筋即测点19表现未屈服，近加载点一侧纵筋均表现为压应变且已屈服。虽然试件的轴向力对截面重心的偏心距e0小于0.3h0，但由于在试件制作偏差及考虑二阶效应之后的偏心距e0大于0.3h0，所以试件的破坏状态与大偏心受压构件的破坏特征相吻合，即受拉钢筋先屈服进而受压区混凝土及砌块被压碎。

（4）从各试件纵筋顶部应变分布情况看，试件W1和W2全部表现为受压状态，试件W3和W4表现为明显的受拉和受压的分界。

（5）随着荷载的增加，试件的中和轴表现出向受压区偏移的趋势，受压区面积逐渐减小。随着偏心矩的增大，相同荷载的情况下，加载点远端纵筋由受压逐渐变为受拉，加载点近端纵筋始终保持受压，且压应变值逐渐变大。

2.5试验结果分析

通过以上分析，可得到以下5点结论：

（1）偏心距越大承载力越小，截面受压区的范围随着偏心距的增大而减小，这符合偏心受压构件的受力特点；

（2）试件W1和试件W2破坏前无明显征兆，开裂荷载与破坏荷载非常接近，二者表现出明显的脆性性质，属于受压破坏形态即小偏心受压破坏；试件W3与试件W4裂缝出现较早，破坏前具有明显的征兆，试件W4的延性性质更加突出，二者的破坏属于受拉破坏形态即大偏心受压破坏。

（3）偏心距相同的情况下，中和轴随着轴向压力的增大逐渐右移，受压区范围逐渐减小；轴向压力相同的情况下，远离加载点的纵筋应变随着偏心距的增加逐渐由受压变为受拉，近加载点纵筋应变明显增大。

（4）试件W1～W4在加载过程中均未出现平面外失稳的现象，所有试件的最终破坏均为材料破坏。

（5）砌块与内置混凝土协同工作性能良好，说明试验采取的构造措施合理可靠。

3　墙体偏心受压承载力分析

根据节能砌块内置钢筋混凝土墙体的构造特点及试验结果，试件在偏心荷载作用下的破坏与配筋砌体墙类似。当受压侧外边缘混凝土及砌块达到其极限压应变时，受压纵筋也达到其屈服应变，墙体达到其极限压弯承载力。墙体在偏心荷载作用下的承载力主要由3部分即纵筋、混凝土和砌块组成。按GB 50003—2011《砌体结构设计规范》计算各试件的极限承载力Nc与试验结果NT见表2。

表2　极限承载力计算值与试验值比较

从表2可以看出：

（1）试件W1计算值高于试验值，是由于试验过程中加载垫板变形及墙体原始裂缝较多造成的；

（2）从试件W2～W4计算值与试验值比较来看，按GB 50003—2011所给公式的计算结果与试验结果吻合较好，且偏于安全，说明按规范公式是合理可行的。

4　结语

（1）在墙体试件破坏之前，侧向挠度很小，表明该墙板具有可靠的稳定性，不会发生平面外失稳破坏。

（2）各试件的承载力随着偏心距的增大而降低，破坏形态也由小偏心受压破坏变为大偏心受压破坏，而且延性也在增加，与偏心受压构件的特点相吻合。

（3）试件W1的承载力与计算结果相差较大，不符合GB 50003—2011要求，其余试件承载力与按规范计算结果吻合良好。

（4）采用设置内肋的构造措施可以有效地保证墙体的整体性，墙体各组成部分协同工作性能良好，能满足工程实际要求。

（5）试件仅考虑偏心距对墙体承载能力的影响，并未考虑配筋率、墙体高厚比、混凝土与砌块强度等其它因素的影响，今后还将通过具体分析以上各因素对墙体承载力的影响。

参考文献：

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Experimental research on bearing capability of energy-saving block w ith reinforced concrete input walls under com pression

YAN Jun，LI Zeliang
（
College of Civil Engineering，Suqian College，Suqian 223800，China）

Abstract：In order to research the failure characteristics and compression performance of energy-saving block with reinforced concrete input walls，four pieces of 1/2 scale energy-saving block with reinforced concrete input walls are studied experimentally under eccentric compression.Failure processes，failure modes and bearing capability，cooperative working action of various specimen are analyzed.The results showed that energy-saving block and reinforced concrete can work well together.With increasing of the eccentricity，the failure modes change from small eccentric compression to large eccentric compression，and the failure load decreases，these phenomena coincide with the failure of structures eccentric compression.All the walls failure due to material damage，outof-plane axial bending failure doesn't occur.According to the current specification calculation results are in good agreement with those obtained with the test results，and these results are good enough to meet the requirement in engineering practice.

Key words：energy-saving block，reinforced concrete input walls，eccentric compression，cooperative working

中图分类号：TU399；TU317.1

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）01-0046-06

作者简介：颜军，男，1984年生，江苏泗洪人，硕士，讲师，主要从事结构抗震与防灾的研究。E-mail：kindrascal@126.com。

收稿日期：2015-10-14

基金项目：江苏省高校自然科学研究项目（14KJB560016）；宿迁市科技计划项目（S201412）；宿迁学院科研基金项目(2015KY12)