扶壁柱在砌体围墙中的作用初探

洪 健

(悉地(苏州)勘察设计顾问有限公司,江苏苏州 215000)

1 问题概述

围墙作为普通围护构件，其受力分析往往仅限于竖向受力，围墙设计施工也以控制竖向安全性为主，而水平力作用下墙体的强度和稳定性却未必得到足够的重视。但现实工程中，围墙侧向倒塌的事故却时有发生，在堆料侧向压力下破坏、被大风吹倒等也是常见事故。

侧向荷载作用下，围墙是一个悬臂构件，其内力可根据静力计算手册公式求得。围墙根部弯矩最大，由此产生的边缘拉应力可能超过围墙自重产生的压应力，墙身作为压弯构件应满足GB 50003-2011《砌体结构设计规范》5.4.1条要求。即

M

(1)

对围墙而言，可考虑扣除围墙自重产生的压应力，将公式修改为

M/W-σG

(2)

根据公式的要求，受弯断面在最大拉应力处，拉应力也不应大于受拉强度ftm。当墙体高度、风荷载(水平荷载)为定值的前提下，墙体所受荷载及内力也为定值，此时墙体断面尺寸成为唯一的变量，对墙体截面应力的分析，即可简化为对断面抵抗矩W的分析。

本文分析对象为高度2.2 m围墙，240 mm厚砖墙、墙垛尺寸360 mm×360 mm，间距3.6 m(图1)，容许拉应力[ft]为 0.17 MPa。在常规风荷载0.45 kPa(体型系数1.3)作用下，根据静力计算手册悬臂构件公式，墙脚弯矩Mk=1.42(kN·m)/m，墙脚自重压应力σ，Gk=0.4MPa；无墙垛围墙(3.6 m长)惯性矩I1=4.15×109mm4，抵抗矩W1=34.55×106mm3；带墙垛围墙(3.6 m长度)惯性矩I2=5.13×109mm4，抵抗矩W2=28.50×106mm3；侧压力下，无墙垛墙根部应力σ=0.148MPa；带墙垛墙根部应力σ=0.179MPa。墙体计算数据见表1。

图1 墙体平面(单位:mm)

表1 增加扶壁柱前后墙体内力对比

该结果显示，增加墙垛后围墙断面最大拉应力比不设墙垛的拉应力有所增大，甚至可能超过砌体抗拉承载力，从而不符合式(2)要求。为此，设计人员往往采用增大扶壁柱尺寸、减小扶壁柱间距，甚至采用钢筋混凝土构造柱的方法来争取满足承载力要求。这是否意味着增加扶壁柱后，墙体的抗弯性能反而降低。这与工程常理不相符，也与多年形成的工程经验相违背。以下笔者根据常规受力机理，采用不同的假定对扶壁柱在墙体内的作用进行分析。

2 问题分析

2.1 分析思路一

将普通墙身和扶壁柱分别作为隔离体独立分析，两者分担的单位长度水平荷载及墙底弯矩均相等，而单位长度扶壁柱的抵抗矩远大于单位长度的普通墙段，因此弯矩对扶壁柱产生的变形和拉应力应远小于普通墙段。

两者依靠砌体之间的水平抗剪力协同变形，使双方内力实现重分布，扶壁柱内力变形增大，普通墙段内力变形减小，最终两者之间实现平衡。作用在围墙上的侧向推力，并非按照各自宽度分别分配到扶壁柱和普通段，在墙脚弯矩作用下，围墙断面也不符合理想的平截面假定。

以下为有限元结构分析软件MIDAS模型计算结果，根据应力(表2)显示，扶壁柱部分应力显著减小，普通墙段部分应力也小于不设扶壁柱时的应力，减小约25 %,围墙弯矩见表3。从变形(表4)还可以看出，扶壁柱与普通墙段的变形基本一致，扶壁柱变形略小。因此和表1数据相比，应力值偏小。但是，扶壁柱部分的应力仍然较大，仍有可能增大至砌体的抗拉极限强度。该分析思路结果与实际情况仍有一定出入。

表2 围墙应力 kN/m2

表3 围墙弯矩 (kN·m)/m

表4 围墙侧向变形 mm

2.2 分析思路二

针对分析思路一未解决的问题，笔者采用另外一种假设：扶壁柱外侧受拉破坏开裂，但是其受压部分仍在工作，使围墙截面变成两侧不对称的十字型，甚至是T型，见图2。根据前例计算结果，扶壁柱开裂后墙体断面发展成为T形之后，每3.6 m墙段截面惯性矩I3=4.625×109mm4，抵抗矩W3=37.4×106mm3，风荷载下最大拉应力0.137 MPa，扣除自重压应力之后设计拉应力0.161 MPa<0.17 MPa=[ft]，满足抗裂要求，计算结果见表5。

图2 T形截面尺寸(单位:mm)

表5 增加扶壁柱前后墙体内力对比

即使扶壁柱部分开裂，此时的T型断面 抵抗矩仍大于普通围墙抵抗矩。如此可以说，当扶壁柱受拉端受拉开裂后，普通墙段处墙体应力还很小，不足以产生整体性破坏，扶壁柱对围墙整体是有利的。扶壁柱突出于墙体两侧，其目的就是为了承受来自墙面两侧方向可能的水平作用。

该分析思路结果较好地解释和扶壁柱的作用。

3 结论

由上述分析可知，按照平截面假定及式(1)、式(2)推算出的结果并不能真实反映扶壁柱在砖砌围墙水平受力过程中的机理。扶壁柱作为墙体的加强措施，可以有效改善墙体受力性能，而不存在增加扶壁柱反而促进墙体受拉破坏的可能。这也说明，结构理论分析结果需要经过实际工程检验才能付诸应用。

另外，本文仅分析了尺寸360 mm×360 mm间距3.6 m布置扶壁柱的实例，根据笔者进行的相关有限元分析可知，不同尺寸及间距的扶壁柱与普通墙段之间协同工作的性能有所不同，对墙体的抗弯承载力影响也不同。但有一点可以肯定，扶壁柱可以分担普通墙段的侧向荷载，减小普通墙段的内力和应力，作为普通墙段的弹性支座，提高墙体断面的抗弯承载力。同时，扶壁柱也可以提高墙体的整体刚度，提高抗倾覆性能。