矩形孔烧结页岩砖砌体短柱偏心受压性能试验

黄榜彪，潘佳玉，朱基珍，祁伟伟，李晓，王俊云，王锐，李杰能

（广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州 545006）

0 引言

根据“禁黏”政策和砖体孔型的要求，页岩多孔砖已成为替代黏土砖的新型墙体材料之一。矩形孔烧结页岩砖不仅自重小，而且耐久性好，在市场中受到广泛欢迎[1]。国内外大量文献研究表明[2-5]，矩形孔页岩砖的热工性能良好，优于圆形孔页岩砖，但其力学性能较差。

偏心受压是砖砌体工程中常见的受力形式。砖体和砂浆自身的力学性能、砌筑质量、外力作用时的偏心距都是影响无筋砌体偏心受压承载力的重要因素[6-7]。本文在对圆形孔和矩形孔烧结页岩多孔砖基本力学性能研究的基础上[8-9]，结合砖砌体实际工程中的受力形式，采用上部偏心受压的试验方法，对矩形孔页岩砖砌体短柱进行单侧偏心受压性能试验。主要研究砂浆强度和偏心率对矩形孔页岩砖砌体短柱偏心受压承载力的影响，通过试验结果与偏心影响系数回归分析为相关规程的修订和完善提供参考数据，供同行业进行参考。

1 试件概况

1.1 试件原材料

本次试验采用古灵砖厂提供的矩形孔页岩砖进行砌体短柱的砌筑。单砖统一为240mm×115mm×90mm的KP1型多孔砖，孔洞率为29.1%，孔洞排列组合如图1所示。砌筑砂浆采用P·O42.5水泥、细度模数为3.0～2.3的河砂和自来水机械拌和。

图1 矩形孔烧结页岩砖

1.2 试件制作和养护

单砖的强度直接影响砌体试件的承载力，为了保证矩形孔烧结页岩砖的强度大致处于同一等级，依据JC/T796—2013《回弹仪评定烧结普通砖强度的方法》筛选矩形孔页岩砖，以保证所使用的砖体大致为同一个强度等级，按照坐浆法制样，并在实验室养护72h后进行编号。

依据JCJ/T98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》制备M5和M10的砌筑砂浆，根据砂的含水率对配比进行适当调整。依据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》制备70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm标准立方体砂浆试块，将试块静置24 h后，拆模编号。

依据GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》制备矩形孔页岩砖砌体偏心受压试件，偏心受压短柱尺寸为240 mm×365 mm×710 mm，分别采用M5和M10两种强度等级的砂浆砌筑，偏心率（e/h）分为0、0.1、0.2和0.3四种情况，具体分组见表1。试件砌筑时严格依据GB 50203—2011《砌体结构工程施工质量验收规范》，统一采用“三一”砌筑法，控制灰缝厚度在10 mm左右，灰缝砂浆饱满度在90%以上。试件砌筑完成后，在试件上部平压3皮砖，保持14 d。将试块和试件在标准养护条件下养护28 d后进行试验。

表1 砌体短柱偏心受压试验试件分组

1.3 试验方法

1.3.1 矩形孔页岩砖和砂浆试块抗压强度试验

依据GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》和JGJ/T 70—2009中抗压强度试验方法，分别测试矩形孔页岩砖和砂浆试块的抗压强度。页岩砖试样数量为10个，每种砂浆强度的试块为12个，均取测试结果的平均值。

1.3.2 砌体短柱偏心受压试验

参照砌体上部偏心受压的试验方法进行砌体短柱偏心受压试验。试验时，先在压力机下均匀铺1层细沙，以防止因砌体底部不平整影响加载效果。然后采用吊装的形式，将试件安置于压力机底板，确保紧密接触，并且偏心加载线、侧面中线均与压力机中线准确对齐。待下部对齐后，试件上部也铺上1层均匀的细沙，然后在其上部安放厚度为30mm的钢板，利用水准尺找平，最后在上部安置偏心加载装置，试验装置如图2所示。

图2 试验装置示意

使用500 t精密液压伺服压力试验机进行加载。采用分级加载的方式，先进行预压，大小为预估破坏荷载的5%，检查仪表的灵敏性并消除不利影响。正式加载每级大小为预估破坏荷载的10%，时间控制在1.0～1.5 min，并保持当前加载状态1～2 min，按级进行。当加载至预估破坏荷载的50%后，将每级荷载降为5%，直至出现第1条裂缝，恢复每级荷载至10%，当压力机读数明显下降，表明试件丧失承载能力，即达到破坏状态。

试验应变测量装置中应变片沿试件长边每隔60 mm布置，同时跨过2条灰缝和1块砖，共5个，具体布置如图3所示。计算时，截面尺寸分别取每个试件在1/4、1/2和3/4高度处的平均值，抗压强度取所测结果的平均值。

图3 应变测量布置

2 试验结果及分析

2.1 矩形孔页岩砖和砂浆试块的抗压强度（见表2）

表2 矩形孔页岩砖和砂浆试块的抗压强度

2.2 砌体短柱的偏心受压试验

2.2.1 试件破坏形态

矩形孔页岩砖砌体短柱偏心受压试件脆性破坏特征明显，当达到破坏荷载时，表现为裂缝贯通整个试件，部分砖体碎片脱落，试件最终被分割为几个小砖柱，压碎失稳破坏。试件的破坏形态如图4所示。

图4 试件破坏形态

2.2.2 截面应变分布

实测矩形孔页岩砖砌体短柱偏心受压时截面应变随荷载变化情况如图5所示。

图5 截面平均应变分布

由图5可知，分别由M5和M10砂浆砌筑的偏心受压试件应变随荷载的变化规律相似。各试件应变绝对值都随着荷载的增加呈递增趋势。砌筑砂浆强度一致时，随着偏心率的增大，同等荷载下的应变逐渐增大，最终破坏荷载减小。

当偏心率为e/h=0.1时，偏心距较小，靠近偏心荷载的测点压应变较大，远离偏心荷载的测点压应变较小，且均为压应变，出现小偏压破坏；当偏心率达到e/h=0.2和e/h=0.3时，偏心距增大，靠近偏心荷载的测点仍为压应变，而远离偏心荷载的测点则开始产生拉应变，出现大偏压现象，且当偏心率e/h=0.3时更明显。当试件开裂前，截面上各点应变在荷载作用下大体成直线分布，总体上看能够较好的符合材料力学中的平截面假定。

2.2.3 短柱偏心抗压结果分析

参照GB/T50129—2011给出的计算公式，矩形孔页岩砖砌体短柱偏心受压破坏荷载及抗压强度见表3，表中破坏荷载和抗压强度的数据均为6个试件计算结果的平均值。抗压强度的计算公式如式（1）所示。

式中：fc，m——偏心受压试件的抗压强度，MPa；

Nu——试件的破坏荷载，N；

表3 试件的开裂荷载和破坏荷载

由表3可知：

（1）同一种砂浆强度的试件，其破坏荷载随着偏心率的增加呈减小趋势。偏心率相同时，砂浆强度高的试件破坏荷载高于砂浆强度低的试件，主要是因为砂浆强度会直接影响到砌体的轴心强度，进而偏心力作用下间接影响到其偏心承载力。

（2）当砂浆强度为M5时，与轴心受压试件M5-P0相比，e/h=0.1时，Nu减小了 21%；e/h=0.2时，Nu减小了 38%；e/h=0.3时，Nu减小了56%。当砂浆强度为M10时，与轴心受压试件M10-P0相比，e/h=0.1时，Nu减小了 18%；e/h=0.2时，Nu减小了40%；e/h=0.3时，Nu减小了55%。比较可知，在偏心率一致时，对不同砂浆强度的试件影响程度差不多，当偏心率达到0.3时，Nu降低了一半。

2.2.4 偏心影响系数回归分析

按照GB 50003—2011《砌体结构设计规范》中的计算公式[见式（2）和式（3）]对矩形孔页岩砖砌体短柱进行规范值计算，结果见表4。

式中：N——偏心受压承载力，N；

φ——偏心距对受压构件承载力的影响系数；

2.4 不同严重程度NAFLD患者CD4+CD25+T细胞结果比较 重度NAFLD患者外周血CD4+CD25+T细胞百分率较中、轻度患者明显降低，差异有统计学意义（P＜0.05），且中度NAFLD患者也明显低于轻度NAFLD患者（P＜0.05），见表4。

A——试件受压截面面积，mm2；

fm——砌体的抗压强度平均值，MPa；

f1——烧结多孔砖块体的抗压强度平均值，MPa；f2——砂浆的抗压强度平均值，MPa。

表4 偏心抗压试验值与规范值

由表4可以看出：矩形孔页岩砖砌体短柱偏心破坏荷载实测值均大于规范值，这主要是因为当偏心率为0，即轴心受压时矩形孔页岩砖砌体短柱抗压强度本身就高出规范值很多，有较高的强度储备，非常安全。

因此，为了避免承载能力富余现象，对偏心影响系数进行适当调整，以使矩形孔页岩砖在砌体结构设计中得以合理利用，同时具有一定的安全储备。

（1）忽略砌体的抗拉强度，仅考虑受压侧并将其简化为轴心受压，此时应力分布为恒值，即应力按照矩形分布，根据平衡式（4），推导出偏心影响系数公式（5）：

（2）GB50003—2011对大量试验结果进行了统计分析，给出了砌体短柱偏心作用下影响系数的计算式（6）：

式中：φ——偏心影响系数。

（3）按照规范公式对试验数据进行拟合，将式（6）改写为式（7）：

（4）根据线性模型，湖南大学钱义良和施楚贤教授提出了偏心影响系数的近似计算公式（9）[10-11]：

（5）根据本文试验数据，参考上述线性模型进行综合回归分析得到公式（10）。试验偏心矩为0的试件承载力取6个试件的平均值，将其与其它各组偏心率的试件的破坏荷载相比较，按式（11）进行运算，即可得到偏心影响系数α，计算结果见表5。

表5 破坏荷载试验值与偏心影响系数

图6绘制了规范式（6）和式（5）、式（9）、拟合式（8）和拟合式（10）的数值曲线，上述各公式的计算值参考表6。

图6 偏心影响系数回归曲线

表6 偏心影响系数比较

由图6和表6分析可知：

（1）拟合式（8）和式（10）所得结果均小于规范式（6）的偏心影响系数，但试验实测偏心抗压强度值要大于按照规范计算的抗压强度，这主要是因为矩形孔烧结页岩砖的平均抗压强度高于规范中的抗压强度。

（2）回归拟合式（10）得到的偏心影响系数要大于截面应力按照矩形分布得出的公式（5），但高出的值不是太多，二者比较接近。

3 结论

（1）矩形孔烧结页岩砖砌体短柱偏心受压时，其截面的平均应变能够较好地符合平截面假设。

（2）矩形孔烧结页岩砖砌体短柱偏心受压破坏，当偏心率较小时，全截面受压，属于小偏心；当偏心率较大时，远离偏心荷载的一侧会出现水平拉裂缝，有明显的大偏心受压特征。

（3）对于同一种砂浆强度的砌体短柱试件，其破坏荷载随着偏心率的增大呈减小趋势，当偏心率达到0.3时，偏心受压强度较轴心抗压强度降低了50%。当偏心率相同时，砂浆强度越高，偏心承载力也越大，产生这一现象的主要原因是砌筑砂浆强度会直接影响到砌体的轴心荷载，从而在偏心力作用下间接影响其偏心承载力。

（4）通过计算可知，矩形孔烧结页岩砖砌体短柱偏心承载力高于规范对应的值，有较高的安全储备。因此，为了避免承载能力富余现象，对偏心影响系数进行适当调整。通过理论分析并参考已有计算公式，对试验数据拟合回归，最终提出了适用于矩形孔烧结页岩砖砌体短柱偏心受压影响系数的表达式（10）。