一種復合自保溫墻體的抗剪承載力分析方法與流程

本發明涉及一種復合自保溫墻體的抗剪承載力分析方法，屬于建筑施工技術。

背景技術：

隨著上述我國節能減排政策以及可持續發展戰略的實施，研究節材節能、性能優良、易于產業化生產的新型墻材變得非常必要。傳統的單一墻體材料逐漸不能滿足建筑節能標準的要求，于是復合墻體材料應運而生。復合墻體可分為外保溫、內保溫和自保溫三種形式。外墻內保溫存在的問題有內表面容易結露、冷熱橋效應、室溫波動大等；外墻外保溫存在保溫層容易脫落、施工質量較難控制、工程造價高等問題。而采用自保溫體系可以把墻體與保溫體系合二為一，既可以有效保證其保溫的功能，又可以降低成本，延長保溫墻體壽命，這將是有效且經濟的方法。

對傳統的混凝土小型空心砌塊進行改造，使其滿足建筑節能對墻體的要求是一種比較有效的方法。目前主要有兩種改造措施：第一種是做成復合墻體，即通過外掛巖棉板、泡沫板等保溫隔熱材料達到保溫效果；第二種是做成復合自保溫砌塊，成為自保溫墻體，現在常用的方法主要是在混凝土空心砌塊中填充泡沫混凝土、內嵌聚苯板保溫層等。與復合墻體相比較而言，復合自保溫砌塊能簡化建筑外墻的施工難度，縮短施工周期，同時其保溫材料置于砌塊內部，耐久性較好，因此具有非常大的發展潛力。

對復合自保溫砌塊的塊型研究主要有四個方向：一是在普通混凝土空心砌塊基礎上進行改進，如中科院物理所杜文英研究的“三合一”混凝土砌塊、秦皇島市墻改節能辦公室馬立新研究的新型復合保溫砌塊、金陵科技學院蘇慧研究的榫接一體化墻體；二是在連鎖砌塊的基礎上進行改造，連鎖砌塊的上下左右四個面可互相連鎖，只在墻體第一層用砂漿砌筑砌塊，并通過構造措施使墻體連成整體，如杭州生產的多功能聯鎖砌塊；三是在填充砌塊的基礎上改造，即研制輕集料多功能混凝土砌塊，進而結合保溫及裝飾等功能，如彩色自保溫混凝土裝飾砌塊；四是在多功能“n”式砌塊上進行改進，如湘西生產的“nb”式保溫砌塊。

綜上所述，新型復合自保溫砌塊是符合發展需求的，所以該種新型砌塊的市場前景非常可觀。但現在出現的復合自保溫砌塊的形態還是比較少的，我們需要不停地設計與探索，以找到更加優異的復合自保溫砌塊結構；同時，目前對復合自保溫砌塊的試驗及理論研究也相對較少，沒有相關的工程參數及指標，規范標準更是一片空白，這些都嚴重阻礙了這種新型復合自保溫砌塊的發展和應用。因此，對新型復合自保溫砌塊的設計與研究具有迫切的理論與現實意義。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種復合自保溫墻體的抗剪承載力分析方法，為復合保溫砌塊在工程中的應用提供參考，助力新型復合自保溫砌塊的發展和應用。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種復合自保溫墻體的抗剪承載力分析方法，首先將墻體的抗剪承載力定義為砌體墻抗剪承載力和構造柱抗剪承載力兩部分之和，然后綜合考慮砌體墻的高寬比和構造柱的影響，采用下式計算墻體的抗剪承載力vu：

其中：h為砌體墻的高度，b為砌體墻的寬度，fv0,m為砌體墻的純剪強度平均值，α為砌體墻的修正系數，μ為剪壓復合受力影響系數，σy為豎向壓力，am為砌體墻砌塊部分的橫截面面積，ζc為構造柱參與工作系數，ft為構造柱混凝土軸心抗拉強度設計值，ac為邊緣約束構造柱截面總面積，fy為構造柱縱向鋼筋抗拉強度設計值，as為構造柱縱向鋼筋截面總面積。

具體的，所述砌體墻的純剪強度平均值fv0,m采用下式計算：

其中：k1為與砌體墻材料及砌體墻內部構造有關的系數，取0.069；f2為砌體墻的砂漿抗壓強度平均值。

具體的，所述剪壓復合受力影響系數μ采用下式計算：

當γg＝1.2時，

當γg＝1.35時，

其中：γg為永久荷載分項系數，σy為豎向壓力，f為砌體墻的抗壓強度設計值。

具體的，所述構造柱參與工作系數ζc取值為3.0。

具體的，所述砌體墻由復合自保溫砌塊和砂漿砌筑而成，所述復合自保溫砌塊包括砌塊、保溫板和外葉面三部分，砌塊為空心混凝土砌塊，外葉面為實心混凝土砌塊，保溫板設置在砌塊和外葉面之間。

更為具體的，所述保溫板與砌塊和外葉面相接觸的兩側各設置有一組燕尾槽，且兩側的燕尾槽設置為相互補的結構，保溫板通過燕尾槽與砌塊和外葉面榫接咬合。

有益效果：本發明提供的一種復合自保溫砌塊的抗剪承載力分析方法，提出的抗剪承載力公式，該公式參數明確、形式簡單，計算結果可靠，可以為復合自保溫砌塊的推廣提供參考。

附圖說明

圖1為砌塊的結構示意圖；

圖2為試件w的試驗系統示意圖；

圖3為試驗加載制度；

圖中包括：1-砌塊，2-保溫板，3-外葉面，4-反力梁，5-門架，6-反力墻，7-mts作動器，8-鋼拉桿，9-滑動小車，10-分配梁，11鋼梁，12-千斤頂，13-地錨桿，14-鋼拉桿，15-應變片(六個)，16-位移計1，17-位移計2，18-位移計3，19-位移計4，20-位移計5。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

一、影響復合自保溫墻體的抗剪強度因素

有多種因素都可以對砌體的抗剪強度產生影響，主要影響因素有以下幾個方面

(1.1)砌塊強度與砂漿強度

若砌體形成剪壓破壞或者剪摩破壞，砂漿強度對抗剪強度影響較大，砌塊強度影響較小，所以可以通過提升砂漿的強度來增大砌體抗剪強度；若砌體形成斜壓破壞，裂縫主要出現在砌塊表面，此時砌塊強度影響較大，所以可以通過提高砌塊強度增大砌體抗剪強度。

在實際工程中，砌體結構高軸壓比的情況比較少見，所以《砌體結構設計規范》中，忽略砌體強度的影響，而只考慮砂漿強度對通縫抗剪強度的影響，計算公式如式(1)：

其中：fv0,m為砌體墻的純剪強度平均值，k1為與砌體墻材料及砌體墻內部構造有關的系數，對于混凝土砌塊取0.069；f2為砌體墻的砂漿抗壓強度平均值。

(1.2)豎向壓應力

豎向壓力σy對砌體墻的抗剪強度的影響非常大，是因為σy的大小會直接決定砌體墻的破壞形式。

當σy較小時，砌體墻會產生剪摩破壞，并在一定范圍內隨著σy的增大，砌體墻抗剪強度亦不斷提高。當σy增大到一定值時，會因主拉應力強度的不足而發生剪壓破壞，并且隨σy的增大，抗剪強度的增幅較小；當σy進一步增大時，砌體墻會產生斜壓破壞，裂縫大部分沿著主應力的方向，并且隨著σy的增大，砌體墻抗剪強度不升反降。

(1.3)墻體的高寬比

王建斌等結合數據及試驗研究，對高寬比范圍在0.31～1.32的大量砌體墻片進行了受剪承載力分析，歸納出高寬比影響系數公式為：

田淑明等通過有限元模擬的方法，對12片砌體墻片進行了研究，歸納出的砌體墻高寬比影響系數公式為：

鄭勇強等對76片高寬比范圍為0.5～1.09的砌體墻體進行分析，擬合出砌體墻高寬比影響系數公式為：

其中：h為砌體墻的高度，b為砌體墻的寬度。對比以上公式可知，式(3)與(4)計算值較為接近，且推導公式所采用試驗墻體數據豐富，具有可靠性。因此，我們采用式(4)來考慮高寬比對砌體墻抗剪強度的影響。

(1.4)構造柱的影響

構造柱的設置對砌體墻抗剪承載力也有比較大的影響，主要有兩個方面：第一是構造柱自身具有的抗剪強度，二是構造柱的設置會對砌體墻產生一定約束，提高墻體抗剪承載力。因此，對于設置構造柱的砌體墻的抗剪承載力，可將構造柱的抗剪強度和墻體的抗剪強度分開計算。

我們依據《砌體結構設計規范》(gb50003—2011)中的計算公式，并結合構造柱參與工作系數ζc，來計算構造柱部分的抗剪強度。

vc＝ζc(0.3ftac+0.05fyas)(5)

其中：vc為構造柱抗剪承載力，ζc為構造柱參與工作系數，ft為構造柱混凝土軸心抗拉強度設計值，ac為邊緣約束構造柱截面總面積，fy為構造柱縱向鋼筋抗拉強度設計值，as為構造柱縱向鋼筋截面總面積。

(1.5)施工質量

在施工過程中，有多種因素會對砌體的抗剪強度產生影響，其中主要體現在塊體含水率以及灰縫的飽滿度。灰縫飽滿度越高，砌塊粘結強度越高，則抗剪強度也越高。由現有的研究結果可知，砌塊的含水率在8％至10％時，可以達到較高的抗剪強度。

二、復合自保溫墻體的抗剪強度的計算

根據相關文獻中前人的研究成果可知，砌體墻片抗剪承載力為砌體墻和構造柱兩部分抗剪承載力之和，計算公式如式(6)：

vu＝vm+vc(6)

其中：vu為帶構造柱的復合自保溫墻體的抗剪承載力，vc為構造柱抗剪承載力，vm為砌體墻抗剪承載力。

又有：

vm＝fv,mam＝(fv0,m+αμσy)am(7)

vc＝ζc(0.3ftac+0.05fyas)(8)

其中：fv,m為砌體墻的純剪強度。根據式(6)的計算方法，綜合考慮前文所述高寬比、構造柱等的影響，我們采用下式來計算復合自保溫墻體的抗剪承載力：

其中：h為砌體墻的高度，b為砌體墻的寬度，fv0,m為砌體墻的純剪強度平均值(采用式(1)的方法計算)，α為砌體墻的修正系數，μ為剪壓復合受力影響系數，σy為豎向壓力，am為砌體墻砌塊部分的橫截面面積，ζc為構造柱參與工作系數，ft為構造柱混凝土軸心抗拉強度設計值，ac為邊緣約束構造柱截面總面積，fy為構造柱縱向鋼筋抗拉強度設計值，as為構造柱縱向鋼筋截面總面積。。

周宏宇等人在帶構造柱混凝土小型空心砌塊承重墻抗震性能的試驗研究一文中，進行了6片兩側設大馬牙搓構造柱墻片抗震性能試驗研究，并根據試驗數據推導了構造柱參與工作系數ζc，我們參照該文獻將ζc取值為3.0；

μ采用《砌體結構設計規范》采用的方法計算，也就是采用駱萬康等人依據試驗研究與理論分析，得出的與剪壓復合受力影響系數有關的計算公式進行計算，具體如下：

當γg＝1.2時，

當γg＝1.35時，

其中：γg為永久荷載分項系數，σy為豎向壓力，f為砌體墻的抗壓強度設計值。

三、砌體的設計

如圖1所示，復合自保溫砌體包括砌塊1、保溫板2和外葉面3三部分，砌塊1為空心混凝土砌塊，外葉面3為實心混凝土砌塊，保溫板2設置在砌塊1和外葉面3之間。所述保溫板2與砌塊1和外葉面3相接觸的兩側各設置有一組燕尾槽，且兩側的燕尾槽設置為相互補的結構，保溫板2通過燕尾槽與砌塊1和外葉面3榫接咬合。

四、試件w的試驗系統

試件w是由上述復合自保溫砌體砌筑而成的墻體，試件w的長度約為3m，高度約為2m，試件w的頂部設有圈梁，兩端均設有構造柱；主砌塊規格為390mm×300mm×115mm，輔助砌塊規格為190mm×300mm×115mm，砌塊強度等級為mu7.5；每隔3皮磚在兩端各布置3根直徑為6mm、長度1米的一級拉結鋼筋，且與構造柱連接。mts作動器、千斤頂、應變片、位移計等相關部件的布置如圖2所示。按行業內的一般試驗方法，對圖2的系統采用圖3的加載制度，并對試件w進行觀察，同時記錄應變片和位移計的數據。

五、試驗過程及傳統計算方法與本發明方法計算結果對比

結合試驗現象和試驗數據，根據受力特點可將試件w的受力過程分為四個階段：

第一階段：墻體構造柱出現第一條水平裂縫之前的階段。該階段應力-位移(p-△)曲線呈線性關系，試件受力基本處于彈性階段，幾乎無殘余變形。

第二階段：從構造柱出現第一條裂縫到墻體主裂縫初步形成的階段。該階段墻體屈服，并伴有一定的滑移現象。p-△曲線輕微彎曲，墻體處于彈塑性受力階段。

第三階段：從墻體屈服到達到最大承載能力階段。該階段墻體沿著對角線出現多條階梯形裂縫，并形成“x”形裂縫形態。構件達到極限承載力，墻體剛度顯著降低。p-△曲線彎曲明顯，墻體主要處于塑性狀態。

第四階段：從墻體達到極限承載力到墻體破壞階段。該階段“x”形主對角線裂縫發展擴大，承載力下降較快，構造柱根部破壞明顯，p-△曲線處于下降段，即負剛度階段。

采用式(9)計算試驗構件w的受剪承載力，將計算結果與試驗值進行對比，如表1所示。

表1：墻體受剪承載力試驗值與計算值對比

由以上數據可以發現，試驗值與計算值誤差較小，而且計算值比實測值小，表明按照本案提出的公式得到的結果有一定的安全儲備。

根據已有的砌體結構的抗剪公式，本案綜合考慮構造柱對承載力的貢獻作用，提出了用于復合自保溫砌塊墻體的抗剪承載力公式，該公式參數明確、形式簡單，可以為復合自保溫砌塊的推廣提供參考。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。