配植物筋砌块砌体轴心抗压性能

陈国新，王佳慧，2，刘 磊，吕信敏，胡玉龙

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐830052;2.珠海市建筑设计院，广东 珠海519000)

0 引 言

砌体抗压强度是砌体结构重要的力学性能指标［1-5］。有关研究表明，在传统砌体砂浆层中配置水平钢筋网能提高砌体的抗压强度与抗震性能，然而砌体结构中配置大量的钢筋，其整体造价也会随之大幅增加［6-7］，这对砌体结构应用较多的农村地区的农民来说无疑加重了建房的负担。在农村地区的低层住宅建筑物中，若能用植物加筋材料，如当地的树枝、秸秆或竹条等农林作物废料代替钢筋，可以减轻农民的负担。

早在1867 年，法国人蒙尼亚就发明竹筋混凝土［8］，将竹筋运用到混凝土中以代替钢筋的作用，我国于1918 年建成广州培正中学王广昌寄宿舍也是采用的竹筋混凝土，其使用年限已达87 年。沈阳建筑大学的刘军等［9］对狗尾草加筋土坯力学性能作了较为系统的研究，得出了加筋草可以较大程度提高土坯抗剪与抗折强度的结论。新疆地区盛产棉花，每年产生大量的秸秆，若能将棉花秸秆植物筋配置于砌体结构中取代水平钢筋网片，不仅可以提高砌体结构抗震能力，还可减低配筋砌体结构的造价，同时可减少处理秸秆而带来的环境污染。

本文通过对7 组(21 个)配植物筋砌块砌体进行轴心抗压性能试验研究，分析其受力特点、破坏机理，讨论影响配植物筋砌块砌体轴心抗压强度的因素;基于试验研究，运用ABAQUS 有限元软件进行数值模拟，结合试验结果与数值模拟结果在此基础上建立更多工况进行数值模拟试验，参考GB50003-2011《砌体结构设计规范》拟合得到配植物筋砌体抗压强度计算公式与设计值，为该配植物筋砌块砌体在村镇地区应用提供一定理论依据。

1 轴心抗压试验

1.1 试件设计

试验设计制作了2 种强度等级砌块、水泥砂浆及2 种配筋率的7 种配植物筋砌块砌体。依据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T50129-2011)，试件由7 皮加气混凝土砌块构成，砌块外形尺寸均采用240 mm×115 mm×100 mm，植物筋采用新疆石河子地区品种为新路早36 号的棉花秸秆，棉花秸秆采用碱处理法［10］浸泡处理晾干待用，秸秆含水率［11］控制在10%以下，各材料基本力学性能［11］如表1，配植物筋砌块砌体工况组合方式如表2 所示。秸秆平均直径为6 ～8 mm，灰缝厚度为8 ～12 mm，按图1 所示规格制作试件，试件顶部采用厚度为10 mm 的1:3 水泥砂浆找平，将4 根棉花秸秆沿试件长向置于水平灰缝砂浆层中，配置植物筋方式如图2 所示。

表1 材料基本力学性能Tab.1 Basic mechanical properties of material mechanics

表2 砌体抗压强度试验工况组合1Tab.2 Working condition combination of masonry compression strength test

图1 配植物筋砌块砌体尺寸图Fig.1 Size sketch of the reinforced block masonry with plants

1.2 试验加载方案

试验加载装置为WEY-5000 型微机控制电液伺服压力试验机，如图3 所示。

图2 配置植物筋方式Fig.2 Mode of configuration reinforcement plants

图3 试验加载设备Fig.3 The equipment of test loading

将试件置于试验机的下压板上，试件顶部用湿砂找平，然后对中。试件调平后，先对试件施加预估破坏荷载的5%，待试验机和试件稳定后卸载到0。采取分级加载的方法，每级荷载为预估破坏荷载值的10%，持续1 ～2 min 后施加下一级荷载。当加荷至预估破坏荷载值的80%后，采用速率为0.15 mm/min的位移控制加载，直至荷载下降到位移—荷载曲线峰值的70%时自动停止加载。试验过程中计算机实时采集试件的位移与荷载，记录试件的开裂荷载与试验现象。

1.3 试验破坏特征

已有的研究［12-13］表明，砌体从开始受压至破坏的过程分为弹性阶段、裂缝开展阶段及破坏阶段。配植物筋砌体在不同阶段的破坏过程对比见表3。各组试件典型破坏裂缝图如图4 所示。

表3 不同组抗压试件破坏过程对比Tab.3 Failure process comparison in different groups of compressive specimens

图4 各组典型破坏图片Fig.4 Typical damage figures of each group

1.4 试验结果分析

配植物筋砌块砌体的抗压强度试验结果如表4 所示，根据表4 分析如下。

①对比砌块为B06 级的C1 ～C3 组构件抗压强度试验值可知:隔层配筋砌体较不配筋砌体提高2.84%，每层配筋砌体较不配筋砌体提高8.52%;对比砌块为B07 级的C5 ～C7 组构件，则抗压强度分别提高2.82%和5.24%。数据表明植物筋对砌体构件抗压强度有提高作用，且对于强度等级高的砌块，配置植物筋对强度的提高作用相对更小，但是每层均配植物筋的砌体构件强度优于隔层配筋砌体。对比发现配植物筋砌体的力学性能与整体性均优于无筋砌体。

②比较C1 与C4 组构件可知，采用B07 砌块的砌体比采用B06 砌块的砌体抗压强度试验值平均提高25.6%;比较C4 与C5 组，砂浆为M7.5 级的砌体比砂浆为M5 级的砌体抗压强度试验值平均提高12.2%;比较C2 与C3、C6 与C7 可知，在砌块、砂浆采用相同等级时，每层配置植物筋对砌体抗压强度提高作用更显著;通过比较7 组试验抗压强度值，试验表明砌块强度对砌体的抗压强度提高作用远大于砂浆的提高作用，砂浆强度对砌体抗压强度的提高作用相比每层配置植物筋更显著，每层配置植物筋比隔层配置植物筋对砌体抗压强度提高作用更显著。

表4 配植物筋砌块砌体抗压强度试验结果Tab.4 Compressive strength of the reinforced block masonry with plants

2 轴心抗压有限元分析研究

2.1 有限元分析

本文采用ABAQUS/Standard 模块建立“分离式模型”，对试验中的配植物筋砌块砌体标准抗压构件进行有限元数值模拟［14-15］，所用材料参数为课题组已完成的材料基本力学性能试验;采用混凝土损伤塑性本构模型［16］，运用C3D8R 单元模拟砌块和砂浆，砌块与砂浆间采用Tie 接触，砂浆与砂浆间采用Tie 接触;运用T3D2 单元模拟棉花秸秆，并假设棉花秸秆在受力过程中经过弹性阶段达到弹性极限屈服点后即发生断裂，采用Embedded Region 命令将棉花秸秆嵌入砂浆层中。

建立试验中7 组配植物筋砌块砌体结构模型，采用位移加载方式对模型进行轴心抗压分析，并模拟其他工况下的砌体轴心抗压性能。其中的一组砌体结构模型分析结果如图5 所示。

图5 C3 组砌体抗压有限元模型分析结果Fig.5 Compressive finite element model analysis results of C3 masonry

2.2 砌体抗压强度表达式与设计值

试验中7 组试验对应7 种不同工况组合下配植物筋砌块砌体轴心抗压试验，其位移—荷载试验曲线与数值模拟曲线对比如图6(a ～g)所示，其他工况下砌体抗压强度数值模拟曲线见图6(h)。

对比图6(a ～g)中的位移—荷载曲线可知，弹性阶段数值模拟结果与试验结果一致，弹塑性阶段数值模拟曲线走势与试验曲线走势基本吻合，模拟值较试验值偏大，这是由于数值模型未考虑构件施工质量与材料质量对砌体抗压强度的影响。数值模型结果与试验结果比值在允许误差5%范围之内，由此可判定模型有效可靠，进而对其他工况组合的砌体采用类似的数值模型。将其他工况下的数值模拟结果进行修正并补充到试验结果中，获得所有工况组合下配植物筋砌块砌体抗压强度平均值如表5 所示。

图6 配植物筋砌块砌体受压位移—荷载曲线Fig.6 Displacement-load compressive curve of the reinforced block masonry with plants

基于GB50003-2011《砌体结构设计规范》，建立了以砌块强度和砂浆强度为参数的砌体结构抗压强度公式:

其中:k1=0.78;k2=1;α=0.5;f1、f2分别为砌块、砂浆抗压强度平均值。

基于无筋砌体抗压强度计算公式，GB50003-2011《砌体结构设计规范》亦给出了配筋砌体的计算公式:

其中:e 为轴向力的偏心距，本文取值为0;ρ 为体积配筋率;fy为棉花秸秆抗拉强度平均值。

表5 配植物筋砌块砌体抗压强度平均值1Tab.5 Average compressive strength of the reinforced block masonry with plants

由式(1)、(2)合并可得式(3):

公式(3)是在公式(1)的基础上引入了配植物筋的抗拉强度fy，公式(2)考虑偏心距对砌体抗压强度。由于本文研究的是配植物筋砌块砌体轴心抗压强度，公式(3)不考虑偏心距对砌体抗压强度的影响。根据公式(3)求得所有工况下配植物筋砌块砌体计算抗压强度如表6 所示。

将表5 和表6 试验平均值与公式(3)计算抗压强度值进行对比，比较发现:体积配筋率为0%时，砌体抗压强度的计算值与试验值的误差率在0.52%～1.62%，误差范围较小，计算值与试验值吻合较好，说明规范给定的公式适用于无筋砌体。而对于配植物筋砌体而言，抗压强度计算值与试验平均值的误差率在6.45%～18.25%，误差范围偏大。这是由于GB50003-2011《砌体结构设计规范》给定的配筋砌体抗压强度公式主要针对钢筋，棉花秸秆采用单向配筋，钢筋采用双向配筋;棉花秸秆强度远小于钢筋强度，且材性与钢筋有较大区别;故采用规范公式进行计算结果偏大。

考虑对GB50003-2011《砌体结构设计规范》公式中影响配植物筋砌体的计算公式部分进行修正。采用最小二乘法运用SPSS 软件对试验数据进行回归分析，在原公式中引入修正系数φ，得到修正公式(4):

根据修正公式(4)，计算得到的抗压强度值如表6 所示，修正系数φ 的值取0.7。

从表6 可知，对于M2.5、M5.0、M7.5 砂浆砌筑的砌体抗压强度，其(修正值-试验值)/试验值的比值范围分别为0%～2.38%、0.44%～3.66%、0%～1.61%，可以明显看出修正公式(4)计算得到的三种砂浆对于不同砌块、不同配筋率的抗压强度的修正值与试验值偏差不大，并且修正公式的结果能够较好反应配置植物筋对砌体抗压强度的提高作用，修正公式给出的计算值与试验值吻合较好，因而修正公式可靠有效，对于其他文中未涉及到的工况，可以采用本文所给公式(4)作为计算依据。

表6 砌体抗压强度计算值与修正值对比Tab.6 Comparison between compressive strength calculated value and modification value of masonry

GB50003-2011《砌体结构设计规范》采用基于可靠指标的概率理论极限状态设计法，即通过砌体抗压强度平均值变形得到砌体抗压强度设计值:

其中:f'为抗压强度设计值;fk为抗压强度标准值;δf=0.17;γf=1.6。

由公式(4)、(5)、(6)得到配植物筋砌块砌体抗压强度设计值如表7 所示。

从表7 可知，在其他工况不变的情况下，砌块强度增加一个等级，砌体抗压强度设计值平均提高24.5%左右;砂浆强度增加一个等级，砌体抗压强度设计值平均提高14.9%左右;植物筋配筋率提高，砌体抗压强度设计值平均提高5.7%左右。可见，砌块强度等级对配植物筋砌块砌体抗压强度设计值提高作用最为明显，砂浆强度等级次之，配置植物筋影响最小。

表7 配植物筋砌块砌体抗压强度设计值Tab.7 Compressive strength design value of the reinforced block masonry with plants

2.3 分析与讨论

综上所述，通过研究两种砌块强度等级、两种砂浆强度等级及三种植物筋配筋率对蒸压加气混凝土砌块砌体轴心抗压性能的影响，试验分析与有限元模拟数据可以得出:配植物筋砌块砌体受压破坏分为弹性阶段、裂缝开展阶段及破坏阶段三个阶段，其中植物筋对砌体灰缝处的裂缝发展有明显阻碍作用;在其他工况不变的情况下，砌块强度等级对抗压强度平均提高作用最为明显，砂浆强度等级次之，配置植物筋最小，但每层配置植物筋比隔层配置植物筋对砌体抗压强度提高作用更显著。文献［12-14］与国内外学者在砌体结构中配置钢筋网片较大地提高了砌体结构的抗压性能和抗震能力，但是也相对增加砌体结构造价;本文结合本地区特色在砌体结构中配置水平植物棉花秸秆代替钢筋网片，不仅可以提高砌体结构抗震能力，还可减低配筋砌体结构的造价，同时可减少处理秸秆而带来的环境污染。GB50003-2011《砌体结构设计规范》规定配筋砌体抗压强度计算公式，本文在GB50003-2011《砌体结构设计规范》基础上引入单向配置植物筋修正系数φ，利用ABAQUS 有限元软件模拟与试验数据拟合配植物筋砌块砌体抗压强度计算公式，并求出修正系数φ，按其公式计算的抗压强度设计值满足砌体结构设计要求。因此，本文研究结果对村镇实际工程中配植物筋砌块砌体的应用具有较大的理论参考价值。

3 结 论

①配植物筋砌块砌体受压破坏过程分为弹性阶段、裂缝开展阶段及破坏阶段，砌体开裂荷载多在破坏荷载的50%以上，且配植物筋对灰缝处裂缝发展有明显阻碍作用。

②在其他工况不变的情况下，采用B07 级加气块比B06 级加气块砌体的抗压强度平均提高25.6%，M7.5 级砂浆比M5 级砂浆砌筑砌体抗压强度平均提高12.2%，每层配植物筋与隔层配植物筋砌体较不配筋砌体抗压强度分别提高8.52%和2.84%;故砌块强度等级对抗压强度平均提高作用最为明显，砂浆强度等级次之，配置植物筋最小，但是每层配置植物筋比隔层配置植物筋对砌体抗压强度提高作用更显著。

③通过ABAQUS 对不同工况下配植物筋砌块砌体轴心抗压性能进行模拟，获得配植物筋砌体轴心抗压强度，结合试验与数值模拟结果，推导出配植物筋砌块砌体抗压强度计算公式，并引入修正系数φ，在φ 取0.7 时获得配植物筋砌块砌体抗压强度设计值。

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