本發(fā)明涉及一種復(fù)合自保溫墻體的抗剪承載力分析方法，屬于建筑施工技術(shù)。

背景技術(shù)：

隨著上述我國節(jié)能減排政策以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，研究節(jié)材節(jié)能、性能優(yōu)良、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的新型墻材變得非常必要。傳統(tǒng)的單一墻體材料逐漸不能滿足建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，于是復(fù)合墻體材料應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合墻體可分為外保溫、內(nèi)保溫和自保溫三種形式。外墻內(nèi)保溫存在的問題有內(nèi)表面容易結(jié)露、冷熱橋效應(yīng)、室溫波動(dòng)大等；外墻外保溫存在保溫層容易脫落、施工質(zhì)量較難控制、工程造價(jià)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(jīng)濟(jì)的方法。

對傳統(tǒng)的混凝土小型空心砌塊進(jìn)行改造，使其滿足建筑節(jié)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(fù)合墻體，即通過外掛巖棉板、泡沫板等保溫隔熱材料達(dá)到保溫效果；第二種是做成復(fù)合自保溫砌塊，成為自保溫墻體，現(xiàn)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(nèi)嵌聚苯板保溫層等。與復(fù)合墻體相比較而言，復(fù)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(shí)其保溫材料置于砌塊內(nèi)部，耐久性較好，因此具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

對復(fù)合自保溫砌塊的塊型研究主要有四個(gè)方向：一是在普通混凝土空心砌塊基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，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(jié)能辦公室馬立新研究的新型復(fù)合保溫砌塊、金陵科技學(xué)院蘇慧研究的榫接一體化墻體；二是在連鎖砌塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，連鎖砌塊的上下左右四個(gè)面可互相連鎖，只在墻體第一層用砂漿砌筑砌塊，并通過構(gòu)造措施使墻體連成整體，如杭州生產(chǎn)的多功能聯(lián)鎖砌塊；三是在填充砌塊的基礎(chǔ)上改造，即研制輕集料多功能混凝土砌塊，進(jìn)而結(jié)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(jìn)行改進(jìn)，如湘西生產(chǎn)的“nb”式保溫砌塊。

綜上所述，新型復(fù)合自保溫砌塊是符合發(fā)展需求的，所以該種新型砌塊的市場前景非常可觀。但現(xiàn)在出現(xiàn)的復(fù)合自保溫砌塊的形態(tài)還是比較少的，我們需要不停地設(shè)計(jì)與探索，以找到更加優(yōu)異的復(fù)合自保溫砌塊結(jié)構(gòu)；同時(shí)，目前對復(fù)合自保溫砌塊的試驗(yàn)及理論研究也相對較少，沒有相關(guān)的工程參數(shù)及指標(biāo)，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)更是一片空白，這些都嚴(yán)重阻礙了這種新型復(fù)合自保溫砌塊的發(fā)展和應(yīng)用。因此，對新型復(fù)合自保溫砌塊的設(shè)計(jì)與研究具有迫切的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種復(fù)合自保溫墻體的抗剪承載力分析方法，為復(fù)合保溫砌塊在工程中的應(yīng)用提供參考，助力新型復(fù)合自保溫砌塊的發(fā)展和應(yīng)用。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種復(fù)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(gòu)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(gòu)造柱的影響，采用下式計(jì)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(qiáng)度平均值，α為砌體墻的修正系數(shù)，μ為剪壓復(fù)合受力影響系數(shù)，σy為豎向壓力，am為砌體墻砌塊部分的橫截面面積，ζc為構(gòu)造柱參與工作系數(shù)，ft為構(gòu)造柱混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，ac為邊緣約束構(gòu)造柱截面總面積，fy為構(gòu)造柱縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，as為構(gòu)造柱縱向鋼筋截面總面積。

具體的，所述砌體墻的純剪強(qiáng)度平均值fv0,m采用下式計(jì)算：

其中：k1為與砌體墻材料及砌體墻內(nèi)部構(gòu)造有關(guān)的系數(shù)，取0.069；f2為砌體墻的砂漿抗壓強(qiáng)度平均值。

具體的，所述剪壓復(fù)合受力影響系數(shù)μ采用下式計(jì)算：

當(dāng)γg＝1.2時(shí)，

當(dāng)γg＝1.35時(shí)，

其中：γg為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，σy為豎向壓力，f為砌體墻的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

具體的，所述構(gòu)造柱參與工作系數(shù)ζc取值為3.0。

具體的，所述砌體墻由復(fù)合自保溫砌塊和砂漿砌筑而成，所述復(fù)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(shí)心混凝土砌塊，保溫板設(shè)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(cè)各設(shè)置有一組燕尾槽，且兩側(cè)的燕尾槽設(shè)置為相互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，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(fā)明提供的一種復(fù)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(shù)明確、形式簡單，計(jì)算結(jié)果可靠，可以為復(fù)合自保溫砌塊的推廣提供參考。

附圖說明

圖1為砌塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為試件w的試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；

圖3為試驗(yàn)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(dòng)器，8-鋼拉桿，9-滑動(dòng)小車，10-分配梁，11鋼梁，12-千斤頂，13-地錨桿，14-鋼拉桿，15-應(yīng)變片(六個(gè))，16-位移計(jì)1，17-位移計(jì)2，18-位移計(jì)3，19-位移計(jì)4，20-位移計(jì)5。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

一、影響復(fù)合自保溫墻體的抗剪強(qiáng)度因素

有多種因素都可以對砌體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響，主要影響因素有以下幾個(gè)方面

(1.1)砌塊強(qiáng)度與砂漿強(qiáng)度

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

在實(shí)際工程中，砌體結(jié)構(gòu)高軸壓比的情況比較少見，所以《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，忽略砌體強(qiáng)度的影響，而只考慮砂漿強(qiáng)度對通縫抗剪強(qiáng)度的影響，計(jì)算公式如式(1)：

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

(1.2)豎向壓應(yīng)力

豎向壓力σy對砌體墻的抗剪強(qiáng)度的影響非常大，是因?yàn)棣襶的大小會(huì)直接決定砌體墻的破壞形式。

當(dāng)σy較小時(shí)，砌體墻會(huì)產(chǎn)生剪摩破壞，并在一定范圍內(nèi)隨著σy的增大，砌體墻抗剪強(qiáng)度亦不斷提高。當(dāng)σy增大到一定值時(shí)，會(huì)因主拉應(yīng)力強(qiáng)度的不足而發(fā)生剪壓破壞，并且隨σy的增大，抗剪強(qiáng)度的增幅較小；當(dāng)σy進(jìn)一步增大時(shí)，砌體墻會(huì)產(chǎn)生斜壓破壞，裂縫大部分沿著主應(yīng)力的方向，并且隨著σy的增大，砌體墻抗剪強(qiáng)度不升反降。

(1.3)墻體的高寬比

王建斌等結(jié)合數(shù)據(jù)及試驗(yàn)研究，對高寬比范圍在0.31～1.32的大量砌體墻片進(jìn)行了受剪承載力分析，歸納出高寬比影響系數(shù)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(jìn)行了研究，歸納出的砌體墻高寬比影響系數(shù)公式為：

鄭勇強(qiáng)等對76片高寬比范圍為0.5～1.09的砌體墻體進(jìn)行分析，擬合出砌體墻高寬比影響系數(shù)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(jì)算值較為接近，且推導(dǎo)公式所采用試驗(yàn)墻體數(shù)據(jù)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(qiáng)度的影響。

(1.4)構(gòu)造柱的影響

構(gòu)造柱的設(shè)置對砌體墻抗剪承載力也有比較大的影響，主要有兩個(gè)方面：第一是構(gòu)造柱自身具有的抗剪強(qiáng)度，二是構(gòu)造柱的設(shè)置會(huì)對砌體墻產(chǎn)生一定約束，提高墻體抗剪承載力。因此，對于設(shè)置構(gòu)造柱的砌體墻的抗剪承載力，可將構(gòu)造柱的抗剪強(qiáng)度和墻體的抗剪強(qiáng)度分開計(jì)算。

我們依據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(gb50003—2011)中的計(jì)算公式，并結(jié)合構(gòu)造柱參與工作系數(shù)ζc，來計(jì)算構(gòu)造柱部分的抗剪強(qiáng)度。

vc＝ζc(0.3ftac+0.05fyas)(5)

其中：vc為構(gòu)造柱抗剪承載力，ζc為構(gòu)造柱參與工作系數(shù)，ft為構(gòu)造柱混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，ac為邊緣約束構(gòu)造柱截面總面積，fy為構(gòu)造柱縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，as為構(gòu)造柱縱向鋼筋截面總面積。

(1.5)施工質(zhì)量

在施工過程中，有多種因素會(huì)對砌體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響，其中主要體現(xiàn)在塊體含水率以及灰縫的飽滿度?；铱p飽滿度越高，砌塊粘結(jié)強(qiáng)度越高，則抗剪強(qiáng)度也越高。由現(xiàn)有的研究結(jié)果可知，砌塊的含水率在8％至10％時(shí)，可以達(dá)到較高的抗剪強(qiáng)度。

二、復(fù)合自保溫墻體的抗剪強(qiáng)度的計(jì)算

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)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(gòu)造柱兩部分抗剪承載力之和，計(jì)算公式如式(6)：

vu＝vm+vc(6)

其中：vu為帶構(gòu)造柱的復(fù)合自保溫墻體的抗剪承載力，vc為構(gòu)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(qiáng)度。根據(jù)式(6)的計(jì)算方法，綜合考慮前文所述高寬比、構(gòu)造柱等的影響，我們采用下式來計(jì)算復(fù)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(qiáng)度平均值(采用式(1)的方法計(jì)算)，α為砌體墻的修正系數(shù)，μ為剪壓復(fù)合受力影響系數(shù)，σy為豎向壓力，am為砌體墻砌塊部分的橫截面面積，ζc為構(gòu)造柱參與工作系數(shù)，ft為構(gòu)造柱混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，ac為邊緣約束構(gòu)造柱截面總面積，fy為構(gòu)造柱縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，as為構(gòu)造柱縱向鋼筋截面總面積。。

周宏宇等人在帶構(gòu)造柱混凝土小型空心砌塊承重墻抗震性能的試驗(yàn)研究一文中，進(jìn)行了6片兩側(cè)設(shè)大馬牙搓構(gòu)造柱墻片抗震性能試驗(yàn)研究，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)了構(gòu)造柱參與工作系數(shù)ζc，我們參照該文獻(xiàn)將ζc取值為3.0；

μ采用《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的方法計(jì)算，也就是采用駱萬康等人依據(jù)試驗(yàn)研究與理論分析，得出的與剪壓復(fù)合受力影響系數(shù)有關(guān)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

當(dāng)γg＝1.2時(shí)，

當(dāng)γg＝1.35時(shí)，

其中：γg為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，σy為豎向壓力，f為砌體墻的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

三、砌體的設(shè)計(jì)

如圖1所示，復(fù)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(shí)心混凝土砌塊，保溫板2設(shè)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(cè)各設(shè)置有一組燕尾槽，且兩側(cè)的燕尾槽設(shè)置為相互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，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(yàn)系統(tǒng)

試件w是由上述復(fù)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(shè)有圈梁，兩端均設(shè)有構(gòu)造柱；主砌塊規(guī)格為390mm×300mm×115mm，輔助砌塊規(guī)格為190mm×300mm×115mm，砌塊強(qiáng)度等級(jí)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(jí)拉結(jié)鋼筋，且與構(gòu)造柱連接。mts作動(dòng)器、千斤頂、應(yīng)變片、位移計(jì)等相關(guān)部件的布置如圖2所示。按行業(yè)內(nèi)的一般試驗(yàn)方法，對圖2的系統(tǒng)采用圖3的加載制度，并對試件w進(jìn)行觀察，同時(shí)記錄應(yīng)變片和位移計(jì)的數(shù)據(jù)。

五、試驗(yàn)過程及傳統(tǒng)計(jì)算方法與本發(fā)明方法計(jì)算結(jié)果對比

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)受力特點(diǎn)可將試件w的受力過程分為四個(gè)階段：

第一階段：墻體構(gòu)造柱出現(xiàn)第一條水平裂縫之前的階段。該階段應(yīng)力-位移(p-△)曲線呈線性關(guān)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(gòu)造柱出現(xiàn)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(xiàn)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(dá)到最大承載能力階段。該階段墻體沿著對角線出現(xiàn)多條階梯形裂縫，并形成“x”形裂縫形態(tài)。構(gòu)件達(dá)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(tài)。

第四階段：從墻體達(dá)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(fā)展擴(kuò)大，承載力下降較快，構(gòu)造柱根部破壞明顯，p-△曲線處于下降段，即負(fù)剛度階段。

采用式(9)計(jì)算試驗(yàn)構(gòu)件w的受剪承載力，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，如表1所示。

表1：墻體受剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值對比

由以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差較小，而且計(jì)算值比實(shí)測值小，表明按照本案提出的公式得到的結(jié)果有一定的安全儲(chǔ)備。

根據(jù)已有的砌體結(jié)構(gòu)的抗剪公式，本案綜合考慮構(gòu)造柱對承載力的貢獻(xiàn)作用，提出了用于復(fù)合自保溫砌塊墻體的抗剪承載力公式，該公式參數(shù)明確、形式簡單，可以為復(fù)合自保溫砌塊的推廣提供參考。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。