CN107153754A - 一种复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，首先将墙体的抗剪承载力定义为砌体墙抗剪承载力和构造柱抗剪承载力两部分之和，然后综合考虑砌体墙的高宽比和构造柱的影响对墙体的抗剪承载力进行计算。本发明提供的一种复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，提出的抗剪承载力公式，该公式参数明确、形式简单，计算结果可靠，可以为复合自保温砌块的推广提供参考。

Description

一种复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法

技术领域

本发明涉及一种复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，属于建筑施工技术。

背景技术

随着上述我国节能减排政策以及可持续发展战略的实施，研究节材节能、性能优良、易于产业化生产的新型墙材变得非常必要。传统的单一墙体材料逐渐不能满足建筑节能标准的要求，于是复合墙体材料应运而生。复合墙体可分为外保温、内保温和自保温三种形式。外墙内保温存在的问题有内表面容易结露、冷热桥效应、室温波动大等；外墙外保温存在保温层容易脱落、施工质量较难控制、工程造价高等问题。而采用自保温体系可以把墙体与保温体系合二为一，既可以有效保证其保温的功能，又可以降低成本，延长保温墙体寿命，这将是有效且经济的方法。

对传统的混凝土小型空心砌块进行改造，使其满足建筑节能对墙体的要求是一种比较有效的方法。目前主要有两种改造措施：第一种是做成复合墙体，即通过外挂岩棉板、泡沫板等保温隔热材料达到保温效果；第二种是做成复合自保温砌块，成为自保温墙体，现在常用的方法主要是在混凝土空心砌块中填充泡沫混凝土、内嵌聚苯板保温层等。与复合墙体相比较而言，复合自保温砌块能简化建筑外墙的施工难度，缩短施工周期，同时其保温材料置于砌块内部，耐久性较好，因此具有非常大的发展潜力。

对复合自保温砌块的块型研究主要有四个方向：一是在普通混凝土空心砌块基础上进行改进，如中科院物理所杜文英研究的“三合一”混凝土砌块、秦皇岛市墙改节能办公室马立新研究的新型复合保温砌块、金陵科技学院苏慧研究的榫接一体化墙体；二是在连锁砌块的基础上进行改造，连锁砌块的上下左右四个面可互相连锁，只在墙体第一层用砂浆砌筑砌块，并通过构造措施使墙体连成整体，如杭州生产的多功能联锁砌块；三是在填充砌块的基础上改造，即研制轻集料多功能混凝土砌块，进而结合保温及装饰等功能，如彩色自保温混凝土装饰砌块；四是在多功能“N”式砌块上进行改进，如湘西生产的“Nb”式保温砌块。

综上所述，新型复合自保温砌块是符合发展需求的，所以该种新型砌块的市场前景非常可观。但现在出现的复合自保温砌块的形态还是比较少的，我们需要不停地设计与探索，以找到更加优异的复合自保温砌块结构；同时，目前对复合自保温砌块的试验及理论研究也相对较少，没有相关的工程参数及指标，规范标准更是一片空白，这些都严重阻碍了这种新型复合自保温砌块的发展和应用。因此，对新型复合自保温砌块的设计与研究具有迫切的理论与现实意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，为复合保温砌块在工程中的应用提供参考，助力新型复合自保温砌块的发展和应用。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，首先将墙体的抗剪承载力定义为砌体墙抗剪承载力和构造柱抗剪承载力两部分之和，然后综合考虑砌体墙的高宽比和构造柱的影响，采用下式计算墙体的抗剪承载力V_u：

其中：H为砌体墙的高度，B为砌体墙的宽度，f_v0,m为砌体墙的纯剪强度平均值，α为砌体墙的修正系数，μ为剪压复合受力影响系数，σ_y为竖向压力，A_m为砌体墙砌块部分的横截面面积，ζ_c为构造柱参与工作系数，f_t为构造柱混凝土轴心抗拉强度设计值，A_c为边缘约束构造柱截面总面积，f_y为构造柱纵向钢筋抗拉强度设计值，A_s为构造柱纵向钢筋截面总面积。

具体的，所述砌体墙的纯剪强度平均值f_v0,m采用下式计算：

其中：k₁为与砌体墙材料及砌体墙内部构造有关的系数，取0.069；f₂为砌体墙的砂浆抗压强度平均值。

具体的，所述剪压复合受力影响系数μ采用下式计算：

当γ_G＝1.2时，

当γ_G＝1.35时，

其中：γ_G为永久荷载分项系数，σ_y为竖向压力，f为砌体墙的抗压强度设计值。

具体的，所述构造柱参与工作系数ζ_c取值为3.0。

具体的，所述砌体墙由复合自保温砌块和砂浆砌筑而成，所述复合自保温砌块包括砌块、保温板和外叶面三部分，砌块为空心混凝土砌块，外叶面为实心混凝土砌块，保温板设置在砌块和外叶面之间。

更为具体的，所述保温板与砌块和外叶面相接触的两侧各设置有一组燕尾槽，且两侧的燕尾槽设置为相互补的结构，保温板通过燕尾槽与砌块和外叶面榫接咬合。

有益效果：本发明提供的一种复合自保温砌块的抗剪承载力分析方法，提出的抗剪承载力公式，该公式参数明确、形式简单，计算结果可靠，可以为复合自保温砌块的推广提供参考。

附图说明

图1为砌块的结构示意图；

图2为试件W的试验系统示意图；

图3为试验加载制度；

图中包括：1-砌块，2-保温板，3-外叶面，4-反力梁，5-门架，6-反力墙，7-MTS作动器，8-钢拉杆，9-滑动小车，10-分配梁，11钢梁，12-千斤顶，13-地锚杆，14-钢拉杆，15-应变片(六个)，16-位移计1，17-位移计2，18-位移计3，19-位移计4，20-位移计5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一、影响复合自保温墙体的抗剪强度因素

有多种因素都可以对砌体的抗剪强度产生影响，主要影响因素有以下几个方面

(1.1)砌块强度与砂浆强度

若砌体形成剪压破坏或者剪摩破坏，砂浆强度对抗剪强度影响较大，砌块强度影响较小，所以可以通过提升砂浆的强度来增大砌体抗剪强度；若砌体形成斜压破坏，裂缝主要出现在砌块表面，此时砌块强度影响较大，所以可以通过提高砌块强度增大砌体抗剪强度。

在实际工程中，砌体结构高轴压比的情况比较少见，所以《砌体结构设计规范》中，忽略砌体强度的影响，而只考虑砂浆强度对通缝抗剪强度的影响，计算公式如式(1)：

其中：f_v0,m为砌体墙的纯剪强度平均值，k₁为与砌体墙材料及砌体墙内部构造有关的系数，对于混凝土砌块取0.069；f₂为砌体墙的砂浆抗压强度平均值。

(1.2)竖向压应力

竖向压力σ_y对砌体墙的抗剪强度的影响非常大，是因为σ_y的大小会直接决定砌体墙的破坏形式。

当σ_y较小时，砌体墙会产生剪摩破坏，并在一定范围内随着σ_y的增大，砌体墙抗剪强度亦不断提高。当σ_y增大到一定值时，会因主拉应力强度的不足而发生剪压破坏，并且随σ_y的增大，抗剪强度的增幅较小；当σ_y进一步增大时，砌体墙会产生斜压破坏，裂缝大部分沿着主应力的方向，并且随着σ_y的增大，砌体墙抗剪强度不升反降。

(1.3)墙体的高宽比

王建斌等结合数据及试验研究，对高宽比范围在0.31～1.32的大量砌体墙片进行了受剪承载力分析，归纳出高宽比影响系数公式为：

田淑明等通过有限元模拟的方法，对12片砌体墙片进行了研究，归纳出的砌体墙高宽比影响系数公式为：

郑勇强等对76片高宽比范围为0.5～1.09的砌体墙体进行分析，拟合出砌体墙高宽比影响系数公式为：

其中：H为砌体墙的高度，B为砌体墙的宽度。对比以上公式可知，式(3)与(4)计算值较为接近，且推导公式所采用试验墙体数据丰富，具有可靠性。因此，我们采用式(4)来考虑高宽比对砌体墙抗剪强度的影响。

(1.4)构造柱的影响

构造柱的设置对砌体墙抗剪承载力也有比较大的影响，主要有两个方面：第一是构造柱自身具有的抗剪强度，二是构造柱的设置会对砌体墙产生一定约束，提高墙体抗剪承载力。因此，对于设置构造柱的砌体墙的抗剪承载力，可将构造柱的抗剪强度和墙体的抗剪强度分开计算。

我们依据《砌体结构设计规范》(GB50003—2011)中的计算公式，并结合构造柱参与工作系数ζ_c，来计算构造柱部分的抗剪强度。

V_c＝ζ_c(0.3f_tA_c+0.05f_yA_s) (5)

其中：V_c为构造柱抗剪承载力，ζ_c为构造柱参与工作系数，f_t为构造柱混凝土轴心抗拉强度设计值，A_c为边缘约束构造柱截面总面积，f_y为构造柱纵向钢筋抗拉强度设计值，A_s为构造柱纵向钢筋截面总面积。

(1.5)施工质量

在施工过程中，有多种因素会对砌体的抗剪强度产生影响，其中主要体现在块体含水率以及灰缝的饱满度。灰缝饱满度越高，砌块粘结强度越高，则抗剪强度也越高。由现有的研究结果可知，砌块的含水率在8％至10％时，可以达到较高的抗剪强度。

二、复合自保温墙体的抗剪强度的计算

根据相关文献中前人的研究成果可知，砌体墙片抗剪承载力为砌体墙和构造柱两部分抗剪承载力之和，计算公式如式(6)：

V_u＝V_m+V_c (6)

其中：V_u为带构造柱的复合自保温墙体的抗剪承载力，V_c为构造柱抗剪承载力，V_m为砌体墙抗剪承载力。

又有：

V_m＝f_v,mA_m＝(f_v0,m+αμσ_y)A_m (7)

V_c＝ζ_c(0.3f_tA_c+0.05f_yA_s) (8)

其中：f_v,m为砌体墙的纯剪强度。根据式(6)的计算方法，综合考虑前文所述高宽比、构造柱等的影响，我们采用下式来计算复合自保温墙体的抗剪承载力：

其中：H为砌体墙的高度，B为砌体墙的宽度，f_v0,m为砌体墙的纯剪强度平均值(采用式(1)的方法计算)，α为砌体墙的修正系数，μ为剪压复合受力影响系数，σ_y为竖向压力，A_m为砌体墙砌块部分的横截面面积，ζ_c为构造柱参与工作系数，f_t为构造柱混凝土轴心抗拉强度设计值，A_c为边缘约束构造柱截面总面积，f_y为构造柱纵向钢筋抗拉强度设计值，A_s为构造柱纵向钢筋截面总面积。。

周宏宇等人在带构造柱混凝土小型空心砌块承重墙抗震性能的试验研究一文中，进行了6片两侧设大马牙搓构造柱墙片抗震性能试验研究，并根据试验数据推导了构造柱参与工作系数ζ_c，我们参照该文献将ζ_c取值为3.0；

μ采用《砌体结构设计规范》采用的方法计算，也就是采用骆万康等人依据试验研究与理论分析，得出的与剪压复合受力影响系数有关的计算公式进行计算，具体如下：

当γ_G＝1.2时，

当γ_G＝1.35时，

其中：γ_G为永久荷载分项系数，σ_y为竖向压力，f为砌体墙的抗压强度设计值。

三、砌体的设计

如图1所示，复合自保温砌体包括砌块1、保温板2和外叶面3三部分，砌块1为空心混凝土砌块，外叶面3为实心混凝土砌块，保温板2设置在砌块1和外叶面3之间。所述保温板2与砌块1和外叶面3相接触的两侧各设置有一组燕尾槽，且两侧的燕尾槽设置为相互补的结构，保温板2通过燕尾槽与砌块1和外叶面3榫接咬合。

四、试件W的试验系统

试件W是由上述复合自保温砌体砌筑而成的墙体，试件W的长度约为3m，高度约为2m，试件W的顶部设有圈梁，两端均设有构造柱；主砌块规格为390mm×300mm×115mm，辅助砌块规格为190mm×300mm×115mm，砌块强度等级为MU7.5；每隔3皮砖在两端各布置3根直径为6mm、长度1米的一级拉结钢筋，且与构造柱连接。MTS作动器、千斤顶、应变片、位移计等相关部件的布置如图2所示。按行业内的一般试验方法，对图2的系统采用图3的加载制度，并对试件W进行观察，同时记录应变片和位移计的数据。

五、试验过程及传统计算方法与本发明方法计算结果对比

结合试验现象和试验数据，根据受力特点可将试件W的受力过程分为四个阶段：

第一阶段：墙体构造柱出现第一条水平裂缝之前的阶段。该阶段应力-位移(P-△)曲线呈线性关系，试件受力基本处于弹性阶段，几乎无残余变形。

第二阶段：从构造柱出现第一条裂缝到墙体主裂缝初步形成的阶段。该阶段墙体屈服，并伴有一定的滑移现象。P-△曲线轻微弯曲，墙体处于弹塑性受力阶段。

第三阶段：从墙体屈服到达到最大承载能力阶段。该阶段墙体沿着对角线出现多条阶梯形裂缝，并形成“X”形裂缝形态。构件达到极限承载力，墙体刚度显著降低。P-△曲线弯曲明显，墙体主要处于塑性状态。

第四阶段：从墙体达到极限承载力到墙体破坏阶段。该阶段“X”形主对角线裂缝发展扩大，承载力下降较快，构造柱根部破坏明显，P-△曲线处于下降段，即负刚度阶段。

采用式(9)计算试验构件W的受剪承载力，将计算结果与试验值进行对比，如表1所示。

表1：墙体受剪承载力试验值与计算值对比

由以上数据可以发现，试验值与计算值误差较小，而且计算值比实测值小，表明按照本案提出的公式得到的结果有一定的安全储备。

根据已有的砌体结构的抗剪公式，本案综合考虑构造柱对承载力的贡献作用，提出了用于复合自保温砌块墙体的抗剪承载力公式，该公式参数明确、形式简单，可以为复合自保温砌块的推广提供参考。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，其特征在于：首先将墙体的抗剪承载力定义为砌体墙抗剪承载力和构造柱抗剪承载力两部分之和，然后综合考虑砌体墙的高宽比和构造柱的影响，采用下式计算墙体的抗剪承载力V_u：

<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>0.5</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>B</mi> <mo>/</mo> <mi>H</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>0.75</mn> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;&amp;mu;&amp;sigma;</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;zeta;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0.3</mn> <msub> <mi>f</mi> <mi>t</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>0.05</mn> <msub> <mi>f</mi> <mi>y</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

其中：H为砌体墙的高度，B为砌体墙的宽度，f_v0,m为砌体墙的纯剪强度平均值，α为砌体墙的修正系数，μ为剪压复合受力影响系数，σ_y为竖向压力，A_m为砌体墙砌块部分的横截面面积，ζ_c为构造柱参与工作系数，f_t为构造柱混凝土轴心抗拉强度设计值，A_c为边缘约束构造柱截面总面积，f_y为构造柱纵向钢筋抗拉强度设计值，A_s为构造柱纵向钢筋截面总面积。

2.根据权利要求1所述的复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，其特征在于：所述砌体墙的纯剪强度平均值f_v0,m采用下式计算：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <msqrt> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> </msqrt> </mrow>

其中：k₁为与砌体墙材料及砌体墙内部构造有关的系数，取0.069；f₂为砌体墙的砂浆抗压强度平均值。

3.根据权利要求1所述的复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，其特征在于：所述剪压复合受力影响系数μ采用下式计算：

当γ_G＝1.2时，

当γ_G＝1.35时，

其中：γ_G为永久荷载分项系，σ_y为竖向压力，f为砌体墙的抗压强度设计值。

4.根据权利要求1所述的复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，其特征在于：所述构造柱参与工作系数ζ_c取值为3.0。

5.根据权利要求1所述的复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，其特征在于：所述砌体墙由复合自保温砌块和砂浆砌筑而成，所述复合自保温砌块包括砌块(1)、保温板(2)和外叶面(3)三部分，砌块(1)为空心混凝土砌块，外叶面(3)为实心混凝土砌块，保温板(2)设置在砌块(1)和外叶面(3)之间。

6.根据权利要求5所述的复合自保温墙体的抗剪承载力分析方法，其特征在于：所述保温板(2)与砌块(1)和外叶面(3)相接触的两侧各设置有一组燕尾槽，且两侧的燕尾槽设置为相互补的结构，保温板(2)通过燕尾槽与砌块(1)和外叶面(3)榫接咬合。