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《自然災害學報》2014年第二期

1自嵌固砌塊的幾何形式確定

參考我國《混凝土小型空心砌塊》［8］(GB8239－1997)、《混凝土小型空心砌塊建筑技術規程》［9］(JGJ/T－14－2004J361－2004)等規程，混凝土小型空心砌塊主要分為普通混凝土砌塊和輕骨料小型混凝土砌塊，主規格尺寸為390mm×190mm×190mm，空心率一般為25%～50%。按照《混凝土小型空心砌塊》(GB8239－1997)技術要求，混凝土小型空心砌塊最小外壁厚不應小于30mm，中間肋厚應不小于25mm。本文在確定自嵌固砌塊幾何尺寸時，主要考慮我國建筑習慣及模數與普通砌塊相銜接，考慮不用砂漿或較少使用砂漿，主規格尺寸取400mm×200mm×200mm，采用平面凸起與凹進、側面凸起與凹進進行砌塊自行嵌固，幾何形式見圖1，砌塊具體幾何尺寸見圖2。本文中砌塊材料選用普通混凝土，強度選用為C20，其應力－應變關系采用《混凝土結構設計規范》［10］(GB50010－2010)附錄C提供的混凝土應力應變關系，單軸受拉和單軸受壓分別見式(1)和式(2)。砌塊空心率為37．25%，按照普通混凝土密度2350kg/m3，砌塊質量為23．594kg。自嵌固凸起和凹進的幾何尺寸主要參考混凝土小型空心砌塊基本尺寸要求選用較小值確定，同時考慮砌塊制作和施工的方便性。對于自嵌固砌塊，外觀尺寸偏差與砌塊外觀質量需要有嚴格的要求，建議采用目前混凝土小型空心砌塊優等品來控制。

2自嵌固砌體的基本力學性能分析

鑒于本文處于初步研究階段，自嵌固砌塊還沒有進行試驗測試，其砌體強度采用數值模擬確定。數值模擬采用大型有限元ABAQUS6．10軟件，砌塊與砌塊采用接觸單元(interactionsurface)連接，混凝土采用該軟件中Concretedamagedplasticity模型模擬，具體可參考文獻［11］。試驗方法采用《砌體基本力學性能試驗方法標準》［12］(GB/T50129－2011)方法，砌塊抗壓強度試驗參考該標準4．1．2條。抗壓試件厚度為砌塊厚度，試件寬度去主規格砌塊長度的1．5倍，高度取5皮砌塊的厚度，具體數值模型見圖3。砌體沿通縫截面抗剪強度試驗采用參考《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T50129－2011)第5．0．1條，采用雙剪試件，具體見圖4。采用上述數值模型進行分析，得到自嵌固砌體承受豎向壓力和豎向變形關系見圖5。從圖5可以看出在壓力達到最大值時，砌體基本處于彈性狀態，當壓力超過最大值后，承載能力迅速下降，最后破壞狀態見圖7(a)。最大壓力為700．8kN，通過計算得到砌體抗壓強度為5．84MPa。自嵌固砌體沿通縫截面承受剪力與變形的關系見圖6。隨著水平剪力達到最大值，抗剪強度迅速下降，最終剪切破壞狀體見圖7(b)。最大剪力達到68．8kN，通過計算得到砌體抗剪強度為0．43MPa。參考砌體規范給出普通混凝土砌塊抗壓強度和抗剪強度相比，抗壓強度與MU20和Mb15砌塊抗壓強度設計值接近，而抗剪強度由于自嵌固的存在，遠大于砌體結構設計規范［13］給出的抗剪強度設計值。

3自嵌固墻片抗震性能分析

3．1墻片幾何參數在本文中，選擇墻體寬度為2m，高度分別為1．2m，2m和2．8m的3片自嵌固墻片，截面寬度為0．2m。3片墻分別定義為Wall－1(2m×1．4m×0．2m)、Wall－2(2m×2m×0．2m)和Wall－3(2m×2．8m×0．2m)，高寬比分別為0．6，1．0和1．4，有限元模型立面圖見圖8。分別考慮內部不填充和局部填充兩種情況，有限元模型平面圖分別見圖9和圖10。豎向壓力分別考慮0．3MPa和0．6MPa兩種情況。墻體底部固定，上部加加載梁。由于非線性分析需要大量時間，故本文首先對上述情況進行單調加載，測試墻體的強度和變形。然后對Wall－2，豎向0．3MPa和0．6MPa墻片進行低周反復加載，測試其滯回特性。填充采用C20混凝土，中間配置4Φ6的鋼筋，填充面積占墻體總平面面積的12%。3．2單調加載分析結果通過水平單調位移加載，分別得到3片墻體在豎向壓力0．3MPa，有填充和沒有填充情況下水平剪力和墻頂水平位移之間的關系，分別見圖11、圖12和圖13。從圖11可以看出，在軸向壓力為0．3MPa情況下，高寬比為0．6墻體Wall－1隨著墻頂水平位移的增加，未填充和局部填充兩種情況，墻體水平承載力很快達到最大值，分別為85．35kN和130．77kN，對應的位移為1．2mm和2．4mm。局部填充后墻體最大水平承載力提高了53．2%，達到最大承載力時位移也增加了，兩種情況墻體初始剛度近似相等。從圖12可知，高寬比為1．0墻體Wall－2隨著墻頂水平位移的增加，未填充和局部填充兩種情況墻體水平承載力很快達到最大值，分別為62．5kN和87．7kN，對應的位移為

3．2mm和5mm，從中可知局部填充后，對Wall－2水平承載力提高約有40．3%。從圖13可知，高寬比為1．4墻體Wall－3隨著墻頂水平位移增加，墻體水平承載力很快達到最大值，分別為46．8kN和61．8kN，對應的位移分別為6mm和11．4mm，局部填充提高了近32%。從圖11、圖12和圖13可以看出，高寬比較小的墻體，水平抗剪承載力較大，相對變形能力較小，對于相同填充情況下，高寬比越小，填充對墻體水平承載能力提高越大。另外在初始加載階段，局部填充對墻體的初始側移剛度影響不大。對于高寬比為1．0墻體Wall－2，對比分析了軸向壓力為0．3MPa和0．6MPa墻體水平荷載和位移的關系，見圖14。在沒有填充情況下，軸向壓力增加，大大提高了墻體抗剪能力，提高了近46%，且軸力增加后，墻體抗剪承載力達到最大值后，強度下降較快。墻體局部填充后，軸向壓力增加同樣增加了墻體的抗剪能力，但相比沒有填充情況增加的較少，增加了17%。

3．3低周反復加載分析結果在本文中，針對高寬比為1．0墻體Wall－2進行低周反復加載數值模擬，加載方式是以水平位移加載于加載梁頂端，在反復加載作用下，未填充和局部填充的墻體滯回曲線見圖15。從圖15可以看出，新型砌體墻片與傳統砌塊墻體滯回特性相似，在變形較小時，墻體水平抗剪強度達到最大值，然后隨著位移增加，未填充墻體強度逐漸減小，而局部填充后，水平抗剪強度明顯增加，滯回曲線相對比較飽滿，耗能能力較強。兩種情況墻體最后破壞情況見圖16。從圖16可以看出，新型砌體墻片在水平荷載作用下，破壞形式與傳統砌塊墻體破壞形式有所不同，傳統砌塊墻體在水平荷載作用下一般會出現斜向十字裂縫，破壞比較集中。而新型砌體由于是通過砌塊直接相互嵌固和摩擦提高剪力，故破壞比較分散，下部破壞比較嚴重。而局部填充后，從圖16(b)可以看出，除墻體底部破壞稍微嚴重外，整體墻體砌塊都有一定程度的破壞，這樣由于破壞比較分散，有利于墻片抗震。

4與規范砌塊強度公式計算進行對比

針對本文數值模擬分析的三片墻體，假如按照普通混凝土砌塊砌筑，其抗剪強度按照規范［13］計算，并和本文提出新型砌塊墻體抗剪強度進行對比分析。參考砌體結構設計規范(GB50003－2011)，普通混凝土砌塊抗剪承載力按式(3)計算，帶構造柱或芯柱的抗剪承載力計算按式(4)計算。式中:fV是非抗震設計砌體抗剪強度設計值;按照規范，考慮到村鎮砌體結構砂漿質量一般較差，這里選用0．06MPa;ξN是砌體抗震抗剪強度正應力影響系數，按照表10．3．1采用，正應力為0．3MPa時，選用2．15，正應力為0．6Mpa時，選用3．02;A為墻體橫截面積;γRE為承載力調整系數，取1．0。從表1對比可以看出，按照規范計算的普通砌塊抗剪強度在高寬比較小情況下，計算所得比新型砌塊墻體模擬所得要小，而當高寬比為1．4情況下，規范在考慮填充和不考慮填充兩種情況下，計算所得比模擬所得都要小一些。但如果直接采用本文前面得出的新型砌塊抗剪強度0．43MPa計算墻體抗剪強度，得到墻體抗剪強度為369．8kN，遠大于模擬得的墻體抗剪強度和同類普通砌塊砌筑墻體的抗剪強度。從上述分析可以看出，新型砌塊與普通砌塊相比，具有相當的抗剪強度，甚至優于普通砌塊砌筑的墻體。但新型砌體抗剪強度計算公式還不能直接采用現行規范計算公式，而需要進一步研究和修正。

5結語

我國村鎮住宅抗震性能較差，特別是中西部經濟不發達，地震頻發的地區，改善村鎮住宅抗震性能是一件十分迫切的事情。故結合我國農村現狀，提出有效可行的方法是國家和許多研究者努力的目標。作者在這背景下，提出一種新型自嵌固砌體，用于村鎮房屋的建設。本文主要針對該類新型砌塊，在研究其抗壓和抗剪強度基礎上，通過高寬比不同的三種墻片，分析其在單調荷載和低周反復加載下的抗剪性能，通過數值模擬結果可以看出，該類新型墻體具有良好的抗震性能，局部填充后，其抗震性能得到進一步的改進和提高。通過與規范公式計算的普通砌塊抗剪強度對比分析，也表明了該類新型墻體具有可靠的抗震性能，不過同數值計算抗剪強度和規范公式計算抗剪強度對比發現，新型墻體抗震驗算公式需要進行修正，不能直接套用砌體設計規范提供的公式。本文的研究是處于初步階段，該文所有工作都是基于數值模擬完成的，缺乏試驗數據的支持與驗證，這在今后的研究中得以補充和完善。

作者：馬宏旺張冬冬陳龍珠單位：上海交通大學船建學院安全防災工程研究所