配植物筋砌塊砌體軸心抗壓性能

陳國新，王佳慧，2，劉 磊，呂信敏，胡玉龍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052;2.珠海市建筑設(shè)計院，廣東 珠海519000)

0 引 言

砌體抗壓強度是砌體結(jié)構(gòu)重要的力學(xué)性能指標［1-5］。有關(guān)研究表明，在傳統(tǒng)砌體砂漿層中配置水平鋼筋網(wǎng)能提高砌體的抗壓強度與抗震性能，然而砌體結(jié)構(gòu)中配置大量的鋼筋，其整體造價也會隨之大幅增加［6-7］，這對砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多的農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)民來說無疑加重了建房的負擔(dān)。在農(nóng)村地區(qū)的低層住宅建筑物中，若能用植物加筋材料，如當(dāng)?shù)氐臉渲?、秸稈或竹條等農(nóng)林作物廢料代替鋼筋，可以減輕農(nóng)民的負擔(dān)。

早在1867 年，法國人蒙尼亞就發(fā)明竹筋混凝土［8］，將竹筋運用到混凝土中以代替鋼筋的作用，我國于1918 年建成廣州培正中學(xué)王廣昌寄宿舍也是采用的竹筋混凝土，其使用年限已達87 年。沈陽建筑大學(xué)的劉軍等［9］對狗尾草加筋土坯力學(xué)性能作了較為系統(tǒng)的研究，得出了加筋草可以較大程度提高土坯抗剪與抗折強度的結(jié)論。新疆地區(qū)盛產(chǎn)棉花，每年產(chǎn)生大量的秸稈，若能將棉花秸稈植物筋配置于砌體結(jié)構(gòu)中取代水平鋼筋網(wǎng)片，不僅可以提高砌體結(jié)構(gòu)抗震能力，還可減低配筋砌體結(jié)構(gòu)的造價，同時可減少處理秸稈而帶來的環(huán)境污染。

本文通過對7 組(21 個)配植物筋砌塊砌體進行軸心抗壓性能試驗研究，分析其受力特點、破壞機理，討論影響配植物筋砌塊砌體軸心抗壓強度的因素;基于試驗研究，運用ABAQUS 有限元軟件進行數(shù)值模擬，結(jié)合試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果在此基礎(chǔ)上建立更多工況進行數(shù)值模擬試驗，參考GB50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》擬合得到配植物筋砌體抗壓強度計算公式與設(shè)計值，為該配植物筋砌塊砌體在村鎮(zhèn)地區(qū)應(yīng)用提供一定理論依據(jù)。

1 軸心抗壓試驗

1.1 試件設(shè)計

試驗設(shè)計制作了2 種強度等級砌塊、水泥砂漿及2 種配筋率的7 種配植物筋砌塊砌體。依據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T50129-2011)，試件由7 皮加氣混凝土砌塊構(gòu)成，砌塊外形尺寸均采用240 mm×115 mm×100 mm，植物筋采用新疆石河子地區(qū)品種為新路早36 號的棉花秸稈，棉花秸稈采用堿處理法［10］浸泡處理晾干待用，秸稈含水率［11］控制在10%以下，各材料基本力學(xué)性能［11］如表1，配植物筋砌塊砌體工況組合方式如表2 所示。秸稈平均直徑為6 ～8 mm，灰縫厚度為8 ～12 mm，按圖1 所示規(guī)格制作試件，試件頂部采用厚度為10 mm 的1:3 水泥砂漿找平，將4 根棉花秸稈沿試件長向置于水平灰縫砂漿層中，配置植物筋方式如圖2 所示。

表1 材料基本力學(xué)性能Tab.1 Basic mechanical properties of material mechanics

表2 砌體抗壓強度試驗工況組合1Tab.2 Working condition combination of masonry compression strength test

圖1 配植物筋砌塊砌體尺寸圖Fig.1 Size sketch of the reinforced block masonry with plants

1.2 試驗加載方案

試驗加載裝置為WEY-5000 型微機控制電液伺服壓力試驗機，如圖3 所示。

圖2 配置植物筋方式Fig.2 Mode of configuration reinforcement plants

圖3 試驗加載設(shè)備Fig.3 The equipment of test loading

將試件置于試驗機的下壓板上，試件頂部用濕砂找平，然后對中。試件調(diào)平后，先對試件施加預(yù)估破壞荷載的5%，待試驗機和試件穩(wěn)定后卸載到0。采取分級加載的方法，每級荷載為預(yù)估破壞荷載值的10%，持續(xù)1 ～2 min 后施加下一級荷載。當(dāng)加荷至預(yù)估破壞荷載值的80%后，采用速率為0.15 mm/min的位移控制加載，直至荷載下降到位移—荷載曲線峰值的70%時自動停止加載。試驗過程中計算機實時采集試件的位移與荷載，記錄試件的開裂荷載與試驗現(xiàn)象。

1.3 試驗破壞特征

已有的研究［12-13］表明，砌體從開始受壓至破壞的過程分為彈性階段、裂縫開展階段及破壞階段。配植物筋砌體在不同階段的破壞過程對比見表3。各組試件典型破壞裂縫圖如圖4 所示。

表3 不同組抗壓試件破壞過程對比Tab.3 Failure process comparison in different groups of compressive specimens

圖4 各組典型破壞圖片F(xiàn)ig.4 Typical damage figures of each group

1.4 試驗結(jié)果分析

配植物筋砌塊砌體的抗壓強度試驗結(jié)果如表4 所示，根據(jù)表4 分析如下。

①對比砌塊為B06 級的C1 ～C3 組構(gòu)件抗壓強度試驗值可知:隔層配筋砌體較不配筋砌體提高2.84%，每層配筋砌體較不配筋砌體提高8.52%;對比砌塊為B07 級的C5 ～C7 組構(gòu)件，則抗壓強度分別提高2.82%和5.24%。數(shù)據(jù)表明植物筋對砌體構(gòu)件抗壓強度有提高作用，且對于強度等級高的砌塊，配置植物筋對強度的提高作用相對更小，但是每層均配植物筋的砌體構(gòu)件強度優(yōu)于隔層配筋砌體。對比發(fā)現(xiàn)配植物筋砌體的力學(xué)性能與整體性均優(yōu)于無筋砌體。

②比較C1 與C4 組構(gòu)件可知，采用B07 砌塊的砌體比采用B06 砌塊的砌體抗壓強度試驗值平均提高25.6%;比較C4 與C5 組，砂漿為M7.5 級的砌體比砂漿為M5 級的砌體抗壓強度試驗值平均提高12.2%;比較C2 與C3、C6 與C7 可知，在砌塊、砂漿采用相同等級時，每層配置植物筋對砌體抗壓強度提高作用更顯著;通過比較7 組試驗抗壓強度值，試驗表明砌塊強度對砌體的抗壓強度提高作用遠大于砂漿的提高作用，砂漿強度對砌體抗壓強度的提高作用相比每層配置植物筋更顯著，每層配置植物筋比隔層配置植物筋對砌體抗壓強度提高作用更顯著。

表4 配植物筋砌塊砌體抗壓強度試驗結(jié)果Tab.4 Compressive strength of the reinforced block masonry with plants

2 軸心抗壓有限元分析研究

2.1 有限元分析

本文采用ABAQUS/Standard 模塊建立“分離式模型”，對試驗中的配植物筋砌塊砌體標準抗壓構(gòu)件進行有限元數(shù)值模擬［14-15］，所用材料參數(shù)為課題組已完成的材料基本力學(xué)性能試驗;采用混凝土損傷塑性本構(gòu)模型［16］，運用C3D8R 單元模擬砌塊和砂漿，砌塊與砂漿間采用Tie 接觸，砂漿與砂漿間采用Tie 接觸;運用T3D2 單元模擬棉花秸稈，并假設(shè)棉花秸稈在受力過程中經(jīng)過彈性階段達到彈性極限屈服點后即發(fā)生斷裂，采用Embedded Region 命令將棉花秸稈嵌入砂漿層中。

建立試驗中7 組配植物筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)模型，采用位移加載方式對模型進行軸心抗壓分析，并模擬其他工況下的砌體軸心抗壓性能。其中的一組砌體結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 C3 組砌體抗壓有限元模型分析結(jié)果Fig.5 Compressive finite element model analysis results of C3 masonry

2.2 砌體抗壓強度表達式與設(shè)計值

試驗中7 組試驗對應(yīng)7 種不同工況組合下配植物筋砌塊砌體軸心抗壓試驗，其位移—荷載試驗曲線與數(shù)值模擬曲線對比如圖6(a ～g)所示，其他工況下砌體抗壓強度數(shù)值模擬曲線見圖6(h)。

對比圖6(a ～g)中的位移—荷載曲線可知，彈性階段數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致，彈塑性階段數(shù)值模擬曲線走勢與試驗曲線走勢基本吻合，模擬值較試驗值偏大，這是由于數(shù)值模型未考慮構(gòu)件施工質(zhì)量與材料質(zhì)量對砌體抗壓強度的影響。數(shù)值模型結(jié)果與試驗結(jié)果比值在允許誤差5%范圍之內(nèi)，由此可判定模型有效可靠，進而對其他工況組合的砌體采用類似的數(shù)值模型。將其他工況下的數(shù)值模擬結(jié)果進行修正并補充到試驗結(jié)果中，獲得所有工況組合下配植物筋砌塊砌體抗壓強度平均值如表5 所示。

圖6 配植物筋砌塊砌體受壓位移—荷載曲線Fig.6 Displacement-load compressive curve of the reinforced block masonry with plants

基于GB50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，建立了以砌塊強度和砂漿強度為參數(shù)的砌體結(jié)構(gòu)抗壓強度公式:

其中:k1=0.78;k2=1;α=0.5;f1、f2分別為砌塊、砂漿抗壓強度平均值。

基于無筋砌體抗壓強度計算公式，GB50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》亦給出了配筋砌體的計算公式:

其中:e 為軸向力的偏心距，本文取值為0;ρ 為體積配筋率;fy為棉花秸稈抗拉強度平均值。

表5 配植物筋砌塊砌體抗壓強度平均值1Tab.5 Average compressive strength of the reinforced block masonry with plants

由式(1)、(2)合并可得式(3):

公式(3)是在公式(1)的基礎(chǔ)上引入了配植物筋的抗拉強度fy，公式(2)考慮偏心距對砌體抗壓強度。由于本文研究的是配植物筋砌塊砌體軸心抗壓強度，公式(3)不考慮偏心距對砌體抗壓強度的影響。根據(jù)公式(3)求得所有工況下配植物筋砌塊砌體計算抗壓強度如表6 所示。

將表5 和表6 試驗平均值與公式(3)計算抗壓強度值進行對比，比較發(fā)現(xiàn):體積配筋率為0%時，砌體抗壓強度的計算值與試驗值的誤差率在0.52%～1.62%，誤差范圍較小，計算值與試驗值吻合較好，說明規(guī)范給定的公式適用于無筋砌體。而對于配植物筋砌體而言，抗壓強度計算值與試驗平均值的誤差率在6.45%～18.25%，誤差范圍偏大。這是由于GB50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》給定的配筋砌體抗壓強度公式主要針對鋼筋，棉花秸稈采用單向配筋，鋼筋采用雙向配筋;棉花秸稈強度遠小于鋼筋強度，且材性與鋼筋有較大區(qū)別;故采用規(guī)范公式進行計算結(jié)果偏大。

考慮對GB50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》公式中影響配植物筋砌體的計算公式部分進行修正。采用最小二乘法運用SPSS 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，在原公式中引入修正系數(shù)φ，得到修正公式(4):

根據(jù)修正公式(4)，計算得到的抗壓強度值如表6 所示，修正系數(shù)φ 的值取0.7。

從表6 可知，對于M2.5、M5.0、M7.5 砂漿砌筑的砌體抗壓強度，其(修正值-試驗值)/試驗值的比值范圍分別為0%～2.38%、0.44%～3.66%、0%～1.61%，可以明顯看出修正公式(4)計算得到的三種砂漿對于不同砌塊、不同配筋率的抗壓強度的修正值與試驗值偏差不大，并且修正公式的結(jié)果能夠較好反應(yīng)配置植物筋對砌體抗壓強度的提高作用，修正公式給出的計算值與試驗值吻合較好，因而修正公式可靠有效，對于其他文中未涉及到的工況，可以采用本文所給公式(4)作為計算依據(jù)。

表6 砌體抗壓強度計算值與修正值對比Tab.6 Comparison between compressive strength calculated value and modification value of masonry

GB50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》采用基于可靠指標的概率理論極限狀態(tài)設(shè)計法，即通過砌體抗壓強度平均值變形得到砌體抗壓強度設(shè)計值:

其中:f'為抗壓強度設(shè)計值;fk為抗壓強度標準值;δf=0.17;γf=1.6。

由公式(4)、(5)、(6)得到配植物筋砌塊砌體抗壓強度設(shè)計值如表7 所示。

從表7 可知，在其他工況不變的情況下，砌塊強度增加一個等級，砌體抗壓強度設(shè)計值平均提高24.5%左右;砂漿強度增加一個等級，砌體抗壓強度設(shè)計值平均提高14.9%左右;植物筋配筋率提高，砌體抗壓強度設(shè)計值平均提高5.7%左右?？梢?，砌塊強度等級對配植物筋砌塊砌體抗壓強度設(shè)計值提高作用最為明顯，砂漿強度等級次之，配置植物筋影響最小。

表7 配植物筋砌塊砌體抗壓強度設(shè)計值Tab.7 Compressive strength design value of the reinforced block masonry with plants

2.3 分析與討論

綜上所述，通過研究兩種砌塊強度等級、兩種砂漿強度等級及三種植物筋配筋率對蒸壓加氣混凝土砌塊砌體軸心抗壓性能的影響，試驗分析與有限元模擬數(shù)據(jù)可以得出:配植物筋砌塊砌體受壓破壞分為彈性階段、裂縫開展階段及破壞階段三個階段，其中植物筋對砌體灰縫處的裂縫發(fā)展有明顯阻礙作用;在其他工況不變的情況下，砌塊強度等級對抗壓強度平均提高作用最為明顯，砂漿強度等級次之，配置植物筋最小，但每層配置植物筋比隔層配置植物筋對砌體抗壓強度提高作用更顯著。文獻［12-14］與國內(nèi)外學(xué)者在砌體結(jié)構(gòu)中配置鋼筋網(wǎng)片較大地提高了砌體結(jié)構(gòu)的抗壓性能和抗震能力，但是也相對增加砌體結(jié)構(gòu)造價;本文結(jié)合本地區(qū)特色在砌體結(jié)構(gòu)中配置水平植物棉花秸稈代替鋼筋網(wǎng)片，不僅可以提高砌體結(jié)構(gòu)抗震能力，還可減低配筋砌體結(jié)構(gòu)的造價，同時可減少處理秸稈而帶來的環(huán)境污染。GB50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定配筋砌體抗壓強度計算公式，本文在GB50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》基礎(chǔ)上引入單向配置植物筋修正系數(shù)φ，利用ABAQUS 有限元軟件模擬與試驗數(shù)據(jù)擬合配植物筋砌塊砌體抗壓強度計算公式，并求出修正系數(shù)φ，按其公式計算的抗壓強度設(shè)計值滿足砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。因此，本文研究結(jié)果對村鎮(zhèn)實際工程中配植物筋砌塊砌體的應(yīng)用具有較大的理論參考價值。

3 結(jié) 論

①配植物筋砌塊砌體受壓破壞過程分為彈性階段、裂縫開展階段及破壞階段，砌體開裂荷載多在破壞荷載的50%以上，且配植物筋對灰縫處裂縫發(fā)展有明顯阻礙作用。

②在其他工況不變的情況下，采用B07 級加氣塊比B06 級加氣塊砌體的抗壓強度平均提高25.6%，M7.5 級砂漿比M5 級砂漿砌筑砌體抗壓強度平均提高12.2%，每層配植物筋與隔層配植物筋砌體較不配筋砌體抗壓強度分別提高8.52%和2.84%;故砌塊強度等級對抗壓強度平均提高作用最為明顯，砂漿強度等級次之，配置植物筋最小，但是每層配置植物筋比隔層配置植物筋對砌體抗壓強度提高作用更顯著。

③通過ABAQUS 對不同工況下配植物筋砌塊砌體軸心抗壓性能進行模擬，獲得配植物筋砌體軸心抗壓強度，結(jié)合試驗與數(shù)值模擬結(jié)果，推導(dǎo)出配植物筋砌塊砌體抗壓強度計算公式，并引入修正系數(shù)φ，在φ 取0.7 時獲得配植物筋砌塊砌體抗壓強度設(shè)計值。

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