开槽砌块灌孔砌体的抗剪性能试验研究*

黄 靓，许仲远，高 翔

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 中国建筑工程(香港)有限公司，广东 深圳 518001)

砌体是一种历史悠久的建筑材料，具有较强的生命力[1]，在经济欠发达地区仍然是最主要的结构形式之一，但传统砌体结构存在许多问题[2]，而配筋砌块砌体结构则能够在很大程度上改善传统砌体的整体性能[3].在配筋砌块砌体结构中，为方便预留用于放置水平钢筋的水平通孔，工程中常采用肋部有开槽的混凝土砌块，砌筑墙体时，将砌块开槽肋敲掉便可形成横向通孔.

目前，国外学者建立了多种剪压复合作用下砌体抗剪强度计算式[4]，这其中最经典的是：Turnseck以及Froeht，Borchelt等人提出的主拉应力破坏理论，Hendry和Sinha提出的库仑破坏理论，Chinwah，Pieper，Schneider和Trautsch等人根据试验研究提出的剪摩破坏机理.

国内方面，骆万康等人采用剪摩理论，引入剪压复合受力影响系数的概念，建立了砌体的抗剪强度计算式，已被我国现行砌体规范所采用[5].洪峰将主拉强度理论与剪摩理论相结合，提出一种新的拉摩强度理论，这种理论对剪摩和剪压两类破坏拟合均比较好，但缺乏对于斜压破坏的描述[6].蔡勇通过最小耗能原理建立了简捷实用的设计公式，但公式没有下降段，且缺乏对高轴压比状态的描述[7].

然而到目前为止，国内外学者大多只研究了未开槽砌块砌体的抗剪强度、抗压强度、本构关系等基本力学性能，却忽视了肋部开槽对砌体基本力学性能可能产生的影响，故其研究结论具有一定的局限性.开槽砌块灌孔砌体的力学性能与普通灌孔砌块砌体相比更接近工程实际,所以砌块开槽对砌体基本力学性能的影响有进一步的研究价值.

本文对3组18个开槽砌块灌孔砌体的抗剪试件进行了静力试验，以了解开槽砌块灌孔砌体的受剪开裂荷载、受剪极限承载力，并利用Hoffman准则，对开槽砌块灌孔砌体的抗剪强度的计算公式进行了建立，并以此为根据，建立了开槽与不开槽砌块灌孔砌体的抗剪强度的统一表达式.

1 开槽砌块灌孔砌体抗剪试验

开槽砌块灌孔砌体试件，所用砌块为一种普通K型开槽砌块，敲掉砌块开槽部位的混凝土.主砌块的块型尺寸为：390 mm×190 mm×190 mm；副砌块的块型尺寸为：190 mm×190 mm×190 mm．砌块的孔洞率为40%，开槽宽度110 mm，深度60 mm，开槽位置见图1.

开槽砌块灌孔砌体抗剪试件的尺寸为390 mm×190 mm×590 mm，如图2所示.试件的制作方法与试验过程均依据《砌体基本力学性能试验方法》(GBJ129-90)[8]的规定进行.开槽砌块灌孔砌体抗剪试件均是全灌孔，3组18个抗剪试件的编号分别为A-S-1～6，B-S-1～6及C-S-1～6.试件的材料强度及灌孔情况见表1.试验装置图见图3.

图1 开槽砌块尺寸(mm)

图2 抗剪试件

图3 抗剪试验装置

表1 开槽砌块灌孔砌体抗剪试件的材料强度、灌孔情况

2 开槽砌块灌孔砌体的受剪破坏特征

试验结果显示，开槽砌块灌孔砌体沿竖向灰缝的受剪面有两种破坏形态：单面破坏与双面破坏，见图4.试验过程中灰缝砂浆与芯柱混凝土的破坏呈现出先后性，砌体受剪试件破坏并非瞬间发生，在竖向灰缝受力开裂时，因芯柱混凝土并没有到达抗剪承载力极限状态，试件承载力仍在增加，呈现出一定的延性.砌体试件破坏时，除了上、下两芯柱正截面受剪破坏外(图5所示AB，CD截面)，还会在开裂灰缝和相应一侧的底部承压面之间出现斜裂缝.大多数试件的斜裂缝的开始位置刚好便是砌块敲掉开槽肋的地方，个别试件稍有上、下移动，且斜裂缝和底部承压面之间大致呈60°角(图5所示EF截面).由试验结果所测得的开槽砌块灌孔砌体随着灌孔混凝土强度的变化，受剪开裂荷载和极限荷载的比值的表现为A组试件是66%～88%，B组试件是55%～71%，C组试件为53%～91%，可知，当灌孔混凝土的强度增大时，砌体受剪开裂有所推迟.

图4 开槽砌块灌孔砌体受剪破坏

图5 开裂截面

3 开槽砌块灌孔砌体受剪试验结果

砌体在通缝截面处的抗剪强度的试验值使用下式计算：

(1)

式中fv,m为砌体在通缝截面处的抗剪强度的试验值，MPa；Nv为砌体的抗剪破坏荷载，N；A为砌体单面受剪面的面积，mm2.

表2是开槽砌块灌孔砌体的抗剪试验的结果.从表2中能够看出，规范的平均值取值对于芯柱混凝土强度较高的抗剪试件来说过于保守.

表2 开槽砌块灌孔砌体抗剪试验的结果与比较

4 开槽砌块灌孔砌体抗剪强度研究

4.1 开槽砌块灌孔砌体抗剪理论模型

我们可以从开槽砌块灌孔砌体的抗剪试验看出，开槽砌块灌孔砌体的抗剪强度是由未灌孔砌体的抗剪强度fv0,m和灌孔混凝土的抗剪强度fv,c这两个方面组成的，即：

fvg,m=fv0,m+fv,c

(1)

其中普通空心砌块砌体的抗剪强度和砂浆的强度成正比[9],亦即：

(2)

这里我们主要研究的是灌孔芯柱混凝土所贡献的抗剪强度.目前关于混凝土的纯剪切强度的取值在试验基础上得到了比较好的成果，但是根据Morsch等所做的混凝土的抗剪分析易知(如图6所示)，芯柱混凝土的受力状况很复杂，剪切破坏面上的剪应力τxy分布很不均匀，且剪切面上不仅在竖直方向存在正应力σy，在水平方向上同时存在很小的正应力σx，因此，砌体抗剪试验得到的芯柱混凝土的剪切破坏强度是其在剪应力与拉应力共同作用之下的剪切强度，并非芯柱混凝土的纯剪切强度，如图7所示，故计算芯柱混凝土的抗剪强度不可单纯的使用已有的混凝土剪切强度计算式.

图6 Morsch纯剪试验

图7 剪切破坏面应力分布

因为开槽砌块灌孔砌体敲掉了砌块的开槽部位，上下芯柱混凝土被联通起来，能够协同工作，此外，从试验破坏过程能够得到，在灰缝砂浆开裂后砌块中间承压面处对芯柱只有加荷的作用，即上、下芯柱所受到的压力是由承压面与砌块的中肋所加载的，砌块以两边的受压面处的中肋、下肋为芯柱的支座，我们在此假定砂浆开裂后不能传递压应力，则可得芯柱混凝土的受力模型如图8所示.

图8 芯柱混凝土的抗剪模型

4.2 开槽砌块灌孔砌体抗剪强度表达式

开槽砌块灌孔砌体是由砌块、砂浆和芯柱混凝土构成的复合试件，故而能够把它看做一种复合材料，并使用Hoffman准则来对其进行分析.Hoffman强度准则[10]表示为：

K1(σx-σy)2+K2(σy-σz)2+

K3(σz-σx)2+K4σx+K5σy+

(3)

式中K1，K2，…，K9是表征材料性能的强度参数，它们由9个基本强度定义.其中3个单向拉伸强度：Fxt，Fyt，Fzt；3个单向压缩强度：Fxc，Fyc，Fzc；3个剪切强度：Fxy，Fyz，Fxz.

考察单向拉伸、单向压缩和纯剪切时发生破坏的情况，则可从式(3)解得：

(4)

令ft，fc，fv0,m分别为芯柱混凝土单轴抗拉、单轴抗压强度、纯剪强度，同时考虑到剪切面受力状态为平面应力状态(σz=σzx=σzy=0)和y-z平面为各向同性，且芯柱AB，CD剪切面上的正应力σx在剪切面破坏时很小，可以认为σx=0，则可从公式(3)，(4)得：

(5)

混凝土芯柱受剪情况下最薄弱的位置为剪应力τxy和竖向正应力σy比较大的位置，现将所求应力状态取为图7中正应力σy曲线与剪应力τxy曲线的交点位置C处的应力状态.利用有限元分析软件进行开槽砌块灌孔砌体的有限元仿真模拟静力抗剪试验可以得到，AB，CD剪切面上的应力分布与Morsch等所做的混凝土抗剪性能的分析基本上是一致的，C点处的正应力σy大概为0.5ft.将σy=0.5ft代入式(5)，并且假定ft=0.1fc即可得：

τxy=0.72fv0,m

(6)

在混凝土芯柱的斜截面EF上，我们也取剪切面上的正应力σx=0.同时，通过有限元仿真模拟实验可以得到，EF截面的薄弱点处的σy大概是ft的三分之二，将之代入式(5)，并设ft=0.1fc即可得：

(7)

又可知在发生剪切破坏时，开槽砌块灌孔砌体的受力平衡方程为：

(8)

式中Ac为砌块单个通孔的面积；Ac′为砌块开槽肋敲掉部位的灌孔混凝土的截面面积，取0.3Ac；θ为斜截面的破坏界面的角度，根据试验现象，取为60°.

将式(6)，(7)代入式(8)，并在式(8)的两边同除以所用砌块的毛面积A，即可得到开槽砌块灌孔砌体的芯柱混凝土的抗剪强度计算公式：

fv,c=1.17αfv0,m

(9)

式中α为开槽砌块灌孔砌体灌孔率；fv0,m为芯柱混凝土的纯剪切强度.

Morsch等提出的混凝土抗剪强度计算式为：

(10)

混凝土的单轴抗压强度和抗剪强度能够通过混凝土立方体抗压强度与混凝土棱柱体抗压强度、抗拉强度之间的关系来确定：

fc=0.76fcu(fcu≤C50)

(11)

(12)

综合以上各式即可得到用于计算开槽砌块灌孔砌体芯柱混凝土的抗剪强度的公式：

(13)

将式(13)代入式(1)便能够得到开槽砌块灌孔砌体的抗剪强度计算公式：

(14)

式中f2为砂浆抗压强度的平均值；α为砌体的灌孔率；k5取0.069；fcu为芯柱混凝土立方体抗压强度的平均值.

表3为按式(14)计算的开槽砌块灌孔砌体抗剪强度fvg,m同实测fvg,m0以及《砌体结构设计规范》(GB 50003-2001)[11]的抗剪强度平均值fvg,m1的比较.从中能够看出，式(14)的计算值fvg,m与本文所得到的试验结果吻合得比较好.

4.3 开槽与不开槽砌块灌孔砌体的抗剪强度统一表达式

根据对芯柱混凝土抗剪强度的研究，不开槽砌块灌孔砌体的剪切面的应力分布与开槽砌块灌孔砌体的单根芯柱剪切面的应力分布是很相近的，因而式(6)也能够用来表示不开槽砌块灌孔砌体的单根芯柱的抗剪强度，将式(10)，式(11)和式(12)代入式(6)并考虑灌孔率的影响，即可得到不开槽砌块灌孔砌体的芯柱混凝土的抗剪强度计算式：

(15)

将之代入式(1)可得计算开槽与不开槽砌块灌孔砌体的统一公式：

(16)

式中f2为砂浆抗压强度的平均值；fcu为芯柱混凝土立方体抗压强度的平均值；α为砌体的混凝土灌孔率；k5取0.069；λ为强度计算系数，对于开槽砌块灌孔砌体，取为0.4，对于普通灌孔 砌块砌体，取0.24.

表3为按公式(16)确定的开槽与不开槽砌块灌孔砌体抗剪强度计算值fvg,m和实测值fvg,m0的比较.试验数据中，开槽砌块来自本文，不开槽砌块来自文献[12-13]的共113组试验数据.

表3 fvg,m/fvg,m0的数据对比

从表中可以看出，公式(16)计算值fvg,m与试验值吻合良好.此外，开槽砌块灌孔砌体的抗剪强度比不开槽砌块砌体的高，其主要原因是砌块开槽肋的敲掉使得上下层的芯柱混凝土联通，能够协同工作，芯柱的抗剪面增大，由此使砌体的抗剪强度得到提高.同时，计算结果也表明在计算不开槽砌块砌体的抗剪强度时使用(16)式是可行的.

5 结 论

本文通过对3组18个开槽砌块灌孔砌体试件进行的受剪试验研究和理论分析，主要得到了以下结论：

1)开槽砌块灌孔砌体沿通缝截面有两种受剪破坏形态：单面破坏和双面破坏.灰缝砂浆的破坏和芯柱混凝土的破坏具有先后性.

2)开槽砌块灌孔砌体试件在发生剪切破坏时，会在开裂灰缝与相应一侧的底部承压面中间产生斜向裂缝，角度大致呈60°.

3)开槽砌块灌孔砌体由于敲掉了砌块的开槽肋，被联通的上下芯柱混凝土能够协同工作，使其开槽砌块灌孔砌体的抗剪强度与普通灌孔砌块砌体相比有一定的增大.

4)利用Hoffman准则建立用于计算开槽砌块灌孔砌体抗剪强度的公式，其计算值与本文的试验结果基本吻合.

5)以开槽砌块灌孔砌体抗剪强度计算公式为基础，统一了开槽与不开槽砌块灌孔砌体的抗剪强度计算式，用此式计算不开槽砌块砌体抗剪强度是可行的，其计算值与试验结果基本吻合.

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