墻體結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理分析研究

朱鵬宇

(淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

墻體結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理分析研究

朱鵬宇

(淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

在建筑工程中，墻體破壞是建筑物中常見的一種破壞形式之一。然而在框架結(jié)構(gòu)中墻體破壞不受重視，只作為影響墻體外形美觀的一個(gè)方面，忽略了墻體填充的作用。本文通過建立建筑模型，分析框架結(jié)構(gòu)中墻體破壞機(jī)理，提出減少墻體破壞的措施，美化墻體外形。

框架結(jié)構(gòu) 墻體破壞 機(jī)理 措施

1. 言

我國在工程設(shè)計(jì)中一般是忽略填充墻的作用，而是把全部豎向荷載及橫向荷載都加在鋼筋混凝土框架上。這就必需采取必要的構(gòu)造措施避免荷載向填充墻傳遞。但實(shí)際上，填充墻作為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分肯定參與了其受力過程并且發(fā)揮一定的作用。特別是當(dāng)框架受水平力作用時(shí)，從結(jié)構(gòu)角度看，填充墻能起到斜向支掌的作用，從而抵抗水平力。實(shí)際中，大量墻體破壞可以證明這一點(diǎn)。國內(nèi)外專家對(duì)于框架結(jié)構(gòu)加磚填充墻后的工作性能的試驗(yàn)結(jié)果也表明磚填充墻能與框架結(jié)構(gòu)共同作用，從而大大增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度，提高其承載力。

本文以彈性方法為基礎(chǔ)，但在研究砌體填充墻時(shí)采用了填充墻發(fā)生塑性破壞的假定，通過研究框架結(jié)構(gòu)填充墻破壞的機(jī)理意在為傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)墻提供一定的參考，使理論更好的服務(wù)于實(shí)踐。這樣一來，在設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)考慮填充墻的作用，充分發(fā)揮填充墻的作用，以滿足設(shè)計(jì)和施工的需要。

2. 填充墻相互作用的力學(xué)模型

關(guān)于框架填充墻相互作用的力學(xué)模型有很多種。本文通過對(duì)框架填充墻相互作用過程中破壞形態(tài)與內(nèi)力的觀察分析，闡述了框架支掌結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的作用機(jī)理(見圖1)。

圖1 框架支持結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

圖2 水平作用下砌體填充墻的變形

框架填充墻結(jié)構(gòu)中的砌體在整個(gè)結(jié)構(gòu)受力過程中發(fā)揮兩方面的作用：首先是其平面內(nèi)的抗剪能力；其次是類似于框架中的斜壓桿。同時(shí)，框架水平荷載作用下，梁和柱發(fā)生雙曲率彎曲，各層柱的上部水平位移以及框架主對(duì)角支撐的縮短使柱與墻緊貼，而且，使墻在對(duì)角方向受壓，這實(shí)際上就類似于一個(gè)框架支撐結(jié)構(gòu)。

3. 填充墻破壞的機(jī)理

框架填充墻結(jié)構(gòu)中，由于施工、設(shè)計(jì)等很多因素的影響，灰縫往往是整個(gè)框架填充墻結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位。結(jié)構(gòu)在外部水平剪力作用下，這些部位往往首先發(fā)生破壞。另外，由于砌體質(zhì)量的不均勻性，往往會(huì)在填充墻與框架接觸面的砌塊或灰縫的某些點(diǎn)上容易形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過砌塊或灰縫的應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，砌體會(huì)首先在這些點(diǎn)上被破壞并造成裂縫向下延伸，依此發(fā)展下去，最終形成階梯形裂縫，這就是所謂的剪切破壞。剪切破壞往往是砌體破壞形式中最常見的一種破壞形式。采用平面應(yīng)力薄膜單元對(duì)墻體進(jìn)行大量的有限元分析可以得出上述應(yīng)力的臨界值將在墻體的中心產(chǎn)生。這種臨界值可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示：

式中：L為填充墻長度；h為填充墻的寬度；t為填充墻厚度；Q為框架作用于填充墻上的水平剪力（下同）。

通過試驗(yàn)可以得出，若框架結(jié)構(gòu)填充墻的整體質(zhì)量與強(qiáng)度比較均勻，則只會(huì)發(fā)生另外兩種破壞形式，即斜壓破壞與斜拉破壞。當(dāng)框架在水平力作用下變形時(shí)，砌體填充墻也將發(fā)生相應(yīng)的變形(見圖2)。由圖2可以看出變形后在兩個(gè)對(duì)角線方向上填充墻變形最明顯：主對(duì)角線方向上受壓，次對(duì)角線方向上受拉。同時(shí)，與框架填充墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型也相符。只不過由于砌體填充墻的抗拉強(qiáng)度很小，一般不予以考慮。通過試驗(yàn)研究表明：主對(duì)角線兩角點(diǎn)處的壓力最大，而墻體中央部位垂直于主應(yīng)力跡線方向上的拉應(yīng)力最大。實(shí)際的應(yīng)力分布與很多因素有關(guān)：如柱子與填充墻的接觸長度，而這又和柱子的抗彎剛度，填充墻的支撐剛度有關(guān)。柱子剛度越大，接觸長度越長，交界面上的壓力越小。實(shí)際上砌體填充墻邊緣上應(yīng)力沿應(yīng)力分布方向上是逐漸減小的。當(dāng)主對(duì)角線上墻角被壓碎時(shí)就發(fā)生所謂的斜壓破壞。如果假定填充墻角度被壓碎，砌體與柱子的接觸長度為a，砌體的抗壓強(qiáng)度為f，則相應(yīng)地作用在填充墻上的水平剪力為

假定鋼筋混凝土框架的彈性模量比為3，則受壓破壞時(shí)鋼筋混凝土框架中填充墻的剪力為

由式(4)可知，砌體的抗壓強(qiáng)度和墻厚是影響填充墻強(qiáng)度的主要因素，而柱子的慣性距和墻高則是取其乘積的四次方根。

當(dāng)墻角處的壓力小于或等于砌體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，在垂直于墻體主對(duì)角線的拉應(yīng)力作用下，墻體斜裂縫沿著與主對(duì)角線平行的一條或多條線路發(fā)展并慣穿墻體，此垂直拉應(yīng)力與主應(yīng)力跡線相垂直，在墻體中央?yún)^(qū)域附近擴(kuò)散并向外發(fā)展，最終造成墻體受拉破壞，這就是所謂的斜拉破壞。當(dāng)發(fā)生斜拉破壞時(shí)，斜向拉應(yīng)力有以下的經(jīng)驗(yàn)公式。

由式(5)可知，發(fā)生斜拉破壞時(shí)，拉應(yīng)力主要由填充墻的有關(guān)特性控制，而框架的剛度的影響不大， 從斜拉與斜壓破壞過程可以看出與邊緣處的應(yīng)力分布吻合得比較好。

4. 填充墻體破壞預(yù)防措施

（1）蒸壓加氣砼砌塊的砌筑，必須嚴(yán)格遵守國家標(biāo)準(zhǔn)《砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50203—2002）技術(shù)指標(biāo)要求。

（2） 砌筑砂漿宜選用粘結(jié)性能良好的專用砂漿，其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不低于M5，砂漿應(yīng)具有良好的保水性，可在砂漿中摻入無機(jī)或有機(jī)塑化劑。有條件的應(yīng)使用專用的加氣砼砌筑砂漿或干粉砂漿。

（3）為消除主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)墻體之間由于溫度變化產(chǎn)生的收縮裂縫，砌塊與墻柱相接處，必須留置拉結(jié)筋，一般豎向間距為500～600mm，壓埋2Φ6鋼筋，兩端伸入墻內(nèi)不小于700mm，錨入砼柱內(nèi)不小于250mm；另外，每砌筑1.5m高時(shí)應(yīng)采用2Φ6通長鋼筋拉結(jié)，以防止收縮拉裂墻體。

（4）在跨度或高度較大的墻中設(shè)置構(gòu)造柱、腰梁。一般當(dāng)墻體長度超過5m，應(yīng)在中間設(shè)置鋼筋砼構(gòu)造柱；當(dāng)墻體高度超過3m（≤120厚墻）或4m（≥180厚墻）時(shí)，應(yīng)在墻高的中間處增設(shè)鋼筋砼腰梁。砌塊墻體的長度超過5m、高度超過2.5m的獨(dú)立墻體的端部，應(yīng)設(shè)鋼筋砼構(gòu)造柱；構(gòu)造柱留馬牙槎應(yīng)先退后進(jìn)，進(jìn)退尺寸以60mm為宜。

（5）嚴(yán)格控制好蒸壓加氣砼砌塊上墻砌筑時(shí)的含水率。按有關(guān)規(guī)范規(guī)程規(guī)定，蒸壓加氣砼砌塊施工時(shí)的含水率宜小于15%，對(duì)于粉煤灰蒸壓加氣砼制品宜小于20%。通常情況下在砌筑前24h澆水，澆水量應(yīng)根據(jù)施工當(dāng)時(shí)的季節(jié)和干濕溫度情況決定，由表面濕潤度控制。禁止直接使用飽含雨水或澆水過量的砌塊。

（6）每日砌筑高度控制在1.8m以內(nèi)，春季施工每日砌筑高度控制在1.5m以內(nèi)， 下雨天停止砌筑。砌筑至梁底約180～200mm左右處應(yīng)靜停7～10d后待砌體沉降變形穩(wěn)定后，再用實(shí)心輔助小砌塊斜砌擠緊頂牢。

（7）砌筑時(shí)灰縫要做到橫平豎直，上下層十字錯(cuò)縫，轉(zhuǎn)角處應(yīng)相互咬槎，砂漿要飽滿，水平灰縫不大于15mm，垂直灰縫不大于20mm，砂漿飽滿度要求在90%以上。垂直縫宜用內(nèi)外臨時(shí)夾板灌縫，砌筑后應(yīng)立即用原砂漿內(nèi)外勾灰縫，以保證砂漿的飽滿度。

（8）墻體的施工縫處必須砌成斜槎，斜槎長度應(yīng)不小于高度的2/3。

（9）墻體砌筑后，做好防雨遮蓋，避免雨水直接沖淋墻面；外墻向陽面的墻體，也要做好遮陽處理，避免高溫引起砂漿中水分揮發(fā)過快，必要時(shí)應(yīng)適當(dāng)用噴霧器噴水養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)束語

正確的墻體施工，可以防止填充墻的破壞，裂縫的產(chǎn)生。使墻體能成為框架結(jié)構(gòu)的斜向支撐并約束框架結(jié)構(gòu)的水平位移，從而大大改善框架結(jié)構(gòu)的受力及變形性能。

[1]李明.框架結(jié)構(gòu)填充墻防裂技術(shù)措施[J].山西建筑2013.06.

[2]吳威海.灰砂磚砌體裂縫試驗(yàn)及仿真研究[D].武漢理工大學(xué).2012.

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