简支墙梁结构的受力模型及力学分析*

黄华恢

（桂林航天工业学院能源与建筑环境学院，广西 桂林 541004）

随着生活水平的不断提髙，人们对建筑物的空间利用率也有一定要求。墙梁作为承重结构，不仅节约钢材、模板和水泥，降低造价，还可以适应较大的跨度和承担较重的荷载。墙梁属于量大面广的构件，受力状态复杂，计算方法繁多。为了掌握墙梁结构在均布荷载下的受力模型及传力方式，以便在结构设计中进行使用，文章对普通墙梁进行静载实验，通过分析，得出墙梁结构计算简图，分析力学性质，为以后力学计算提供依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验制备墙梁试件参数如表1所示。

表1 试件参数

本次试验设计的试件托梁采用了普通混凝土C25，其配合比如表2所示。

表2 托梁混凝土C25配合比（kN/m3）

1.2 试验装置及测点布置

根据试验目的，简支墙梁净跨均为1500mm。参照胡琼对再生混凝土柱试验过程的加载方式，在墙顶放置分配梁及橡胶垫以施加均布荷载，模拟墙梁受荷后的实际工况[3-4]。加载装置具体情况如图1所示。

图1 试验的装置及数据采集系统各试件现场加载图片

2 试验结果与分析

试件受荷初期，在墙顶三分点与支座的连线位置，出现了许多细小的裂缝，裂缝连线与拱模型及其相似。加载初期，施加的试验力较小，试验梁没有任何的现象发生。待加载至150～200kN，墙梁出现不同大小的裂缝，主要集中在支座附近位置。待荷载继续增加，墙梁试件左右两边支座均形成明显裂缝，并且越过墙体与托梁交界处向上部墙体延伸。由于裂缝的逐渐增大导致上部砌体开裂形成通缝而最终被破坏。

竖向荷载作用下简支墙梁上部墙体主要承受压力，下部托梁主要承受拉力。墙体中的压应力与托梁处的拉应力共同作用组成合力偶来抵抗竖向荷载产生的弯矩[5-8]。由于墙体和托梁组合作用，相当于一定高度的深梁构件，形成的内力臂将大于普通钢筋混凝土浅梁构件，这将在墙梁内部形成较大的抗弯刚度和承载能力。支座斜上方的墙体受到拉、压复合应力，同时，由于托梁顶面将受到剪应力和竖向压应力的共同作用，此时托梁跨中将出现部分弯矩，受荷后试件处于小偏心受拉状态。

3 墙梁模型受力分析

根据试验结果，初步确定墙梁结构的计算简图为带拉杆的两铰拱模型，如图2所示。

图2 墙梁计算简图

其中，E、E1为拱肋、拉杆的弹性模量；I为拱肋的惯性矩；A、A1为拱肋、拉杆截面面积。将拉杆X1作为基本未知力，列结构力学力法[9]基本方程如下（此时切口两边无相对位移）：

由此可见，托梁的拉力与墙梁结构的矢高有关，并随着矢高的增大而减小。

4 结论

简支墙梁结构受荷后受力情况与拉杆拱相似，以托梁为拉杆承受拉力，墙体内部形成拱结构承受压力。墙体与托梁具有较好的组合作用，墙梁试件的承载能力较相同配筋的钢筋混凝土浅梁要高出数倍甚至数十倍。所以，在进行墙梁设计中需要考虑墙体和托梁的共同作用，以达到更好的承载效果。对于简支墙梁，主压应力轨迹线沿两侧垂直指向托梁支座处，而中部的主压应力轨迹线形似与拱形结构指向支座。托梁处的拉力与结构的矢高有一定的影响，这对今后墙梁的结构设计提供参考。