實(shí)心砌體墻體局部承壓強(qiáng)度研究綜述

姜 勇 蘇小卒

局部承壓是砌體結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的一種受力狀態(tài)，例如支承梁或屋架的端部砌體、預(yù)應(yīng)力錨固端等均產(chǎn)生局部承壓。砌體局部承壓?jiǎn)栴}一直是一個(gè)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)砌體局部受壓計(jì)算公式提出了不同的見(jiàn)解和局部承壓計(jì)算公式。本文總結(jié)了實(shí)心砌體結(jié)構(gòu)局部均勻受壓強(qiáng)度研究，并對(duì)該領(lǐng)域的研究提出了展望。

1 強(qiáng)度提高機(jī)理

關(guān)于砌體局部承壓強(qiáng)度提高機(jī)理，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者做出了很多的分析，給出了各種各樣的解釋?？偫ㄖ饕腥N:1)庫(kù)侖提出的“套箍”理論，該理論認(rèn)為砌體局部承壓強(qiáng)度提高是因?yàn)橹車(chē)鲶w對(duì)局部受壓處砌體的“套箍”作用;2)居易翁提出的“擴(kuò)散”理論，該理論認(rèn)為砌體局部承壓強(qiáng)度提高是由于力在砌體中的擴(kuò)散作用;3)丁大均［1］提出的“套箍”與“擴(kuò)散”相結(jié)合的理論，該理論認(rèn)為砌體局部承壓強(qiáng)度提高是由于“套箍”和“擴(kuò)散”相互結(jié)合作用，兩者不是簡(jiǎn)單的疊加，而是后者過(guò)來(lái)加強(qiáng)前者。

我國(guó)原73砌體設(shè)計(jì)規(guī)范局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)表達(dá)式實(shí)際上是混凝土局部承壓開(kāi)裂時(shí)的計(jì)算公式，根據(jù)套箍強(qiáng)化理論按極限平衡原則推導(dǎo)得到。由于材料特性不同，磚砌體的局部承壓工作和混凝土的局部承壓工作有差異，且難以用套箍原理來(lái)解釋邊緣或角部的局部承壓。唐岱新［2］等通過(guò)試驗(yàn)研究認(rèn)為力的擴(kuò)散在砌體局壓強(qiáng)度提高中起到了主要的作用。Malek，Hendry［3］也認(rèn)為用力的擴(kuò)散來(lái)解釋局部承壓工作性質(zhì)比較恰當(dāng)，只要存在未直接受荷的面積及有力的擴(kuò)散現(xiàn)象，也就能在不同程度上提高直接受壓部分的強(qiáng)度。Arora［4］則認(rèn)為局部承壓強(qiáng)度的提高是“套箍”與“擴(kuò)散”相互作用產(chǎn)生的。

2 試驗(yàn)研究

早在20世紀(jì)30年代，英國(guó)結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)［5］對(duì)36個(gè)不同墻體試件在鋼梁下局部受壓進(jìn)行了14組試驗(yàn)，得到結(jié)論:在梁底設(shè)置較薄的鋼板或在局部區(qū)域設(shè)置高強(qiáng)度塊材對(duì)局部受壓強(qiáng)度提高作用不明顯，但是如果將大梁砌在墻體當(dāng)中時(shí)，可以提高其承載力。Hendry［6］通過(guò)實(shí)心粘土磚墻局部承壓試驗(yàn)研究得到結(jié)論:加載面積比(加載面積Al與墻體總面積A之比)比荷載位置更重要，建議對(duì)于加載面積比Al/A小于50%時(shí)，可將局部承壓強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度提高10%。唐岱新［2］通過(guò)對(duì)磚墻局壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸提出了γ=1+ξ［(A-Al)/Al］1/2局部承壓公式，其中，γ為相對(duì)軸壓強(qiáng)度的提高系數(shù);ξ為回歸系數(shù)。這意味著砌體的局部承壓強(qiáng)度由兩部分所組成:1)局部承壓面積本身Al的軸心抗壓強(qiáng)度;2)非局部承壓面積(A-Al)所提供的側(cè)壓力影響，有較為明確的物理概念。對(duì)于不同的局壓類型給出了γ限值，最高達(dá)2.5。該文的設(shè)計(jì)建議為中國(guó)現(xiàn)有砌體設(shè)計(jì)規(guī)范所采納。試驗(yàn)結(jié)果表明:網(wǎng)狀配筋對(duì)于提高砌體局部承壓承載力是非常有效的，開(kāi)裂荷載和極限荷載均大為提高。Arora［4］對(duì)超過(guò)50個(gè)(1.8m寬1.4m高)磚墻局部承壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，提出了局壓強(qiáng)度提高系數(shù)公式γ=K1·K2·K3(1+K4·A/Al)。其中，K1為材料影響系數(shù);K2為墻體厚度影響系數(shù);K3為荷載偏心影響系數(shù);K4為加載位置影響系數(shù);γ最高限值為2.0。Malek，Hendry［3］對(duì)296個(gè)磚砌體進(jìn)行局部承壓試驗(yàn)，研究了加載面積比、荷載位置、砌體強(qiáng)度對(duì)強(qiáng)度提高系數(shù)的影響，提高系數(shù)是基于砌體的特征抗壓強(qiáng)度，分別對(duì)中心加載、端部加載和中部加載進(jìn)行回歸，得到了γ= a(Al/A)b的形式，a，b為回歸系數(shù)。Page，Hendry［7］根據(jù)以往所有試驗(yàn)和分析結(jié)果提出了實(shí)心砌體局部承壓強(qiáng)度提高設(shè)計(jì)建議。強(qiáng)度提高系數(shù)是加載面積比、加載位置的函數(shù)。其他因素如材料類型、荷載類型以及試件尺寸都包括在試驗(yàn)結(jié)果的離散特性當(dāng)中。作者建議該設(shè)計(jì)γ對(duì)于中部加載應(yīng)小于2.0，端部加載應(yīng)小于1.5。建議被AS3700-1998澳大利亞砌體設(shè)計(jì)規(guī)范所采納。

3 數(shù)值分析研究

Mann，Pfeifer［8］對(duì)集中荷載下實(shí)心砌體進(jìn)行了線彈性研究，提出了簡(jiǎn)化破壞準(zhǔn)則，認(rèn)為是集中荷載下橫向拉應(yīng)力導(dǎo)致磚塊開(kāi)裂并最終破壞，并將提出的理論與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，二者吻合得較好。Page，Ali［9，10］采用二維非線性有限元分離模型對(duì)集中荷載下的墻體的極限承載力進(jìn)行模擬分析，考慮了材料非線性、砌體平面內(nèi)破壞準(zhǔn)則、材料拉伸軟化效應(yīng)、開(kāi)裂模式等因素，對(duì)加載面積比、加載位置和墻體幾何特征影響，進(jìn)行了參數(shù)研究。研究表明這三個(gè)變量對(duì)集中力下局部區(qū)域的承壓強(qiáng)度提高有很大影響。回顧了已有的設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)果表明在許多情況下是偏不安全，不完整的。由參數(shù)研究結(jié)果提出了更理想的設(shè)計(jì)規(guī)則。Asteris，Syrmakezis［11］研究了集中荷載作用下砌體的強(qiáng)度，采用正交各向異性單元模型模擬墻體行為。考慮了砌體的材料非線性變形特性和各向異性特征，提出了一個(gè)新的砌體墻體的三階張量多項(xiàng)式形式的各向異性屈服(破壞)曲面。采用參量分析了加載區(qū)長(zhǎng)度與總長(zhǎng)度比值，加載位置與墻端關(guān)系，墻體幾何特性的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了實(shí)心砌體墻體局部均勻受壓強(qiáng)度研究，對(duì)該領(lǐng)域研究有以下認(rèn)識(shí):1)由于對(duì)局部承壓工作機(jī)理認(rèn)識(shí)的不統(tǒng)一，局部承壓強(qiáng)度提高計(jì)算公式也各不相同，現(xiàn)有的公式也只限于試驗(yàn)或者數(shù)值模擬結(jié)果擬合而成，對(duì)于局部承壓強(qiáng)度理論研究還不成熟;2)由于砌體結(jié)構(gòu)是由塊材和砂漿組成的復(fù)合材料，而且在集中荷載下應(yīng)力非常復(fù)雜，所以對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)非線性有限元的模擬還不成熟，特別是關(guān)于砌體破壞準(zhǔn)則以及三維有限元模擬仍然是以后研究的方向。

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