一種複合自保溫牆體的抗剪承載力分析方法與流程

2023-07-08 21:40:21 1

本發明涉及一種複合自保溫牆體的抗剪承載力分析方法，屬於建築施工技術。

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、易於產業化生產的新型牆材變得非常必要。傳統的單一牆體材料逐漸不能滿足建築節能標準的要求，於是複合牆體材料應運而生。複合牆體可分為外保溫、內保溫和自保溫三種形式。外牆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；外牆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。而採用自保溫體系可以把牆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，延長保溫牆體壽命，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，使其滿足建築節能對牆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：第一種是做成複合牆體，即通過外掛巖棉板、泡沫板等保溫隔熱材料達到保溫效果；第二種是做成複合自保溫砌塊，成為自保溫牆體，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。與複合牆體相比較而言，複合自保溫砌塊能簡化建築外牆的施工難度，縮短施工周期，同時其保溫材料置於砌塊內部，耐久性較好，因此具有非常大的發展潛力。

對複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、秦皇島市牆改節能辦公室馬立新研究的新型複合保溫砌塊、金陵科技學院蘇慧研究的榫接一體化牆體；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，只在牆體第一層用砂漿砌築砌塊，並通過構造措施使牆體連成整體，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，即研製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，新型複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。但現在出現的複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，以找到更加優異的複合自保溫砌塊結構；同時，目前對複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，規範標準更是一片空白，這些都嚴重阻礙了這種新型複合自保溫砌塊的發展和應用。因此，對新型複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，本發明提供一種複合自保溫牆體的抗剪承載力分析方法，為複合保溫砌塊在工程中的應用提供參考，助力新型複合自保溫砌塊的發展和應用。

技術方案：為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種複合自保溫牆體的抗剪承載力分析方法，首先將牆體的抗剪承載力定義為砌體牆抗剪承載力和構造柱抗剪承載力兩部分之和，然後綜合考慮砌體牆的高寬比和構造柱的影響，採用下式計算牆體的抗剪承載力vu：

其中：h為砌體牆的高度，b為砌體牆的寬度，fv0,m為砌體牆的純剪強度平均值，α為砌體牆的修正係數，μ為剪壓複合受力影響係數，σy為豎向壓力，am為砌體牆砌塊部分的橫截面面積，ζc為構造柱參與工作係數，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，所述砌體牆的純剪強度平均值fv0,m採用下式計算：

其中：k1為與砌體牆材料及砌體牆內部構造有關的係數，取0.069；f2為砌體牆的砂漿抗壓強度平均值。

具體的，所述剪壓複合受力影響係數μ採用下式計算：

當γg＝1.2時，

當γg＝1.35時，

其中：γg為永久荷載分項係數，σy為豎向壓力，f為砌體牆的抗壓強度設計值。

具體的，所述構造柱參與工作係數ζc取值為3.0。

具體的，所述砌體牆由複合自保溫砌塊和砂漿砌築而成，所述複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：本發明提供的一種複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，可以為複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-反力牆，7-mts作動器，8-鋼拉杆，9-滑動小車，10-分配梁，11鋼梁，12-千斤頂，13-地錨杆，14-鋼拉杆，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、影響複合自保溫牆體的抗剪強度因素

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《砌體結構設計規範》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為砌體牆的純剪強度平均值，k1為與砌體牆材料及砌體牆內部構造有關的係數，對於混凝土砌塊取0.069；f2為砌體牆的砂漿抗壓強度平均值。

(1.2)豎向壓應力

豎向壓力σy對砌體牆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牆的破壞形式。

當σy較小時，砌體牆會產生剪摩破壞，並在一定範圍內隨著σy的增大，砌體牆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，並且隨σy的增大，抗剪強度的增幅較小；當σy進一步增大時，砌體牆會產生斜壓破壞，裂縫大部分沿著主應力的方向，並且隨著σy的增大，砌體牆抗剪強度不升反降。

(1.3)牆體的高寬比

王建斌等結合數據及試驗研究，對高寬比範圍在0.31～1.32的大量砌體牆片進行了受剪承載力分析，歸納出高寬比影響係數公式為：

田淑明等通過有限元模擬的方法，對12片砌體牆片進行了研究，歸納出的砌體牆高寬比影響係數公式為：

鄭勇強等對76片高寬比範圍為0.5～1.09的砌體牆體進行分析，擬合出砌體牆高寬比影響係數公式為：

其中：h為砌體牆的高度，b為砌體牆的寬度。對比以上公式可知，式(3)與(4)計算值較為接近，且推導公式所採用試驗牆體數據豐富，具有可靠性。因此，我們採用式(4)來考慮高寬比對砌體牆抗剪強度的影響。

(1.4)構造柱的影響

構造柱的設置對砌體牆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牆產生一定約束，提高牆體抗剪承載力。因此，對於設置構造柱的砌體牆的抗剪承載力，可將構造柱的抗剪強度和牆體的抗剪強度分開計算。

我們依據《砌體結構設計規範》(gb50003—2011)中的計算公式，並結合構造柱參與工作係數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為構造柱參與工作係數，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、複合自保溫牆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，砌體牆片抗剪承載力為砌體牆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為帶構造柱的複合自保溫牆體的抗剪承載力，vc為構造柱抗剪承載力，vm為砌體牆抗剪承載力。

又有：

vm＝fv,mam＝(fv0,m+αμσy)am(7)

vc＝ζc(0.3ftac+0.05fyas)(8)

其中：fv,m為砌體牆的純剪強度。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，我們採用下式來計算複合自保溫牆體的抗剪承載力：

其中：h為砌體牆的高度，b為砌體牆的寬度，fv0,m為砌體牆的純剪強度平均值(採用式(1)的方法計算)，α為砌體牆的修正係數，μ為剪壓複合受力影響係數，σy為豎向壓力，am為砌體牆砌塊部分的橫截面面積，ζc為構造柱參與工作係數，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牆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牆片抗震性能試驗研究，並根據試驗數據推導了構造柱參與工作係數ζc，我們參照該文獻將ζc取值為3.0；

μ採用《砌體結構設計規範》採用的方法計算，也就是採用駱萬康等人依據試驗研究與理論分析，得出的與剪壓複合受力影響係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為永久荷載分項係數，σy為豎向壓力，f為砌體牆的抗壓強度設計值。

三、砌體的設計

如圖1所示，複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是由上述複合自保溫砌體砌築而成的牆體，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的系統採用圖3的加載制度，並對試件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：牆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-△)曲線呈線性關係，試件受力基本處於彈性階段，幾乎無殘餘變形。

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

第三階段：從牆體屈服到達到最大承載能力階段。該階段牆體沿著對角線出現多條階梯形裂縫，並形成「x」形裂縫形態。構件達到極限承載力，牆體剛度顯著降低。p-△曲線彎曲明顯，牆體主要處於塑性狀態。

第四階段：從牆體達到極限承載力到牆體破壞階段。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-△曲線處於下降段，即負剛度階段。

採用式(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：牆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，提出了用於複合自保溫砌塊牆體的抗剪承載力公式，該公式參數明確、形式簡單，可以為複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：對於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範圍。