钢筋混凝板块砌体柱试验研究

营口市人民防空办公室 刁学东

　　前言

　　本板块砌体柱试验是根据“防空地下室及一般地下室临战时应急加固措施的研究”课题规定之要求拟定。是临战前应急加固支撑结构(柱)的一种形式。可以由非专业技术人员在24小时内基本以人力(或辅以小型工具如滑轮、千斤顶等)能完成施工任务为指导思想。可以立即就地取材进行支撑柱的施工而不需准备其他柱体砌筑材料(除粘结材料砂浆以外)。支撑柱之砌块(板块)平时用作地面装修或用于建筑物周围作永久性人行道之面层等，战时可拆下用于支撑柱的砌筑。

　　本试验将是探索用此种板块砌筑之柱体(以下皆称之为板块砌体柱)在应急条件下应用之可能性、可行性及其物理力学性能和破坏形式及极限承载力等与一般柱相比所具有的特殊特征，进而给出按一般常规设计计算时需要修正的条件。

　　本试验主要分两部分：第一部分为模型试验，目的是初步观察其工作特点；第二部分为实物试验，以柱高3.0m为实物柱高，观察其在受荷过程中之特征及极限承载能力。板块中配有横向受力钢筋以增加其强度并有一组未配筋者作对比。试验支撑柱之砌筑由非专业技术人员施工，砂浆标号及配比不作硬性规定，只按一般常识性常规习惯方法配制，估计所用之水泥砂浆：砂：水泥≈(3～6) ： l，用水量不作规定，但在砌筑时留有试块以备理论分析验算时参考。 试验多在砌筑后1～3日内进行(少数试件因条件变化有拖长时间者)，以便模拟战时条件。因此，试验方法不受正规试验程序之约束。

　　1 试验构件--板块的设计制造

　　1．1 试验构件之原件--板块

　　主要是配有横向钢筋的正方形板，代号为C15、C20、C30、C40，其中右侧前两位数字为板块边长为1cm 。C15及C20之板厚为9cm 、C30及C40之板厚为6cm 。板块中间配有由横向钢筋φ6(Ag =0.283cm2)构成的焊接网(制作时改为绑扎网).C15及C20板中间放有井字形钢筋网。C30及C403配有每个方向皆为3根的直角交叉网。C405配有每个方向为5根的直角交叉网。此外有一组为不配钢筋网者作对比(C30B)，见表l。

　　每块重量 C15为5.1kg，C20为9kg，C30为13.5kg、C40为24kg。

　　板块制造限于条件每次每种只能做六块。混凝土设计标号为200#，配比按规范规定，自然条件下养生，并相应的留下每天制作板块的混凝土试件2组(10x10x10cm3)。

　　1．2 试验计划

　　由于板块砌体柱是根据应急加固要求之条件设想出来的新型式柱，是以每个板块平面形状及尺寸构成柱截面的只有水平砂浆缝而无垂直砂浆缝的钢筋混凝土板块砌成的，其力学特征及破坏特点与一般柱的区别尚未见于资料,故拟先做一批小尺寸的(1/2比例的C15及C20)模型试验以探索其特点。计划取C15及C20之板块砌体柱模型试件高度为0.5、1.0、1.5m之试件各2根，共计12根。 C15之高(H)宽(L)比h/l为3.3、6.7及10.0；C20之高宽比为2.5、5.0及7.5。这样还可基本上反映出一些细长比的影响。

　　实物板块砌体柱试件高度按一般地下室高度取为3.Om，计划试验由有横向配筋板块的C30G及无筋板块的C30B板块砌块柱各1根，这样C30之高宽比h／l=10．0；计划试验C40柱2根其中C403各方向配有3根横向钢筋，C405各方向配有5根横向钢筋，C40之高宽比皆为h／l=7.5。

　　2 构件试验

　　2．1 模型试验

　　主要是由C15及C20板块砌成之试件，几何模拟1／2比例之实物。实验目的是初步探讨砌体柱的受力过程特征及破坏现象。量测了柱高中间处截面应变及部分构件的总变形。截面平均应变用百分表量测，其基距C15皆取为200mm，C20皆取为300mm。构件之总变形用百分表量测的试验机上下加力板间距受力时之变化值表示。一般过程是在第一天砌筑构件，第二天进行试验，试验时灰缝砂浆强度多在5kg／cm2 以上。

　　模型试件试验过程中发现有些柱试件破坏后只有顶部一部分板块被压碎，未破碎部分之板块仍完整无损。因此又进行了几次利用高度大的已破坏试验完毕的试件柱去掉破碎板块后之残余部分再进行一次较短的试件柱试验，以探索这类砌体在已被压坏一次之后完整残余部分再受压时其强度是否会受影响。因此，模型试件柱共做了14根，比原计划之12根多2根。

　　2．2 实物板块砌体柱试验

　　C30及C40为实物柱试验，柱高为3.0m。试验在500t长柱试验机上进行，实物柱原计划为4根：C30、C30B、C403及C405。 但吸取了模型试验经验在每次试验破坏后。去掉破碎板块，对仍残留着的较好的有一定h/l比例的残柱，继续进行较小 h/l 柱的试验，所以共做了13次试验。

　　实物柱试验方法及过程与模型柱相似，用百分表量测柱高度中间截面平均应变，基距皆取为250mm,量测了柱全高变形值(测试验机两加压盘间距变化)。C405量测了柱高3／4、1／2及1／4截面处之平均应变，以观察全柱不同高度处之应变情况，方法同前。在部分柱截面灰缝中埋人应变砖观察截面水平横向应变。试验过程中观察了裂缝出现及发展至破坏时之状态，观察了破坏现象并判断破坏形式以便与一般常规概念中柱的破坏形式作比较。

　　3 实验现象描述

　　3．1 C15及C20模型试验

　　全部14根试件柱反映出下列一些普遍现象。

　　(1) 试件几何对中后在试验机上进行的轴心受压柱试验，由于砌筑时砂浆不匀及实际加荷试验之荷载难于与试件中心吻合等多种原因,实际上多不能理想的中心受压而呈小偏心受压状态,个别情况下偏心较大，总的来说都不是纯中心受压状态。这种情况也是符合实际工程状况的。

　　(2) 垂直裂缝出现后不久即达到破坏。初裂缝出现的位置无明确的规律性，但一般可认为先出现于标号较低的板块处或集中应力较大的板块处。初微裂缝出现后在荷载继续稍增加的情况下裂缝不再明显增宽试件即破坏。最早出现初微裂缝约在80％破坏荷载时，一般多在90％破坏荷载左右出现初微裂。继之再增加荷载即达破坏，可认为破坏为脆性破坏。

　　(3) 试件破坏有几种状态：

　　a.在试件柱顶部处破坏较多，皆呈板块受压破坏，破坏在水平砂浆缝上下界限分明，缝上面板块破碎，缝下面板块完整无损且无裂缝，不大。破坏在水平砂浆缝上下界限分而且这些破坏与 h／l之比值关系不大。

　　b.斜劈型破坏．形式与常规无筋砌体或混凝土中心受压短柱之破坏形式相似，最后破坏形状呈斜劈面，破坏部位多发生于试件高度的中下部，亦有发生于中上部者，这种类型的破坏多发生于试件柱砂浆标号较高(>25#)时。

　　c从构件试验的全过程观察，试件多处于弹性状态，弹塑性应变不明显。破坏接近脆性破坏。

　　3．2 实物板块砌体柱C30及C40试验

　　实物板块砌体柱的试验方案是在模型板块柱试验基础上制定的3.0m高的实物柱约需板块38～39块。C30柱用板块38块。各板块标号柱中间低，柱两端高,其余在C30B、C403及C405的板块标号皆采取自上而下逐渐增高的排列方法，上低下高。3.0m

　　高实物柱破坏后，拆掉破坏部与板块尚可余下一个高度稍小的短柱，仍有试验研究价值。因此，原计划试验的 4根实物柱，实际做丁13次试验，不仅获得了实物柱的应用可能性资料，也多得到了一些不同高度柱的分析对比资料和数据。

　　(1) 从破坏形式观察，实物柱的破坏与模型试件柱大体相同但略有差异，大部分表现为接近于中心受压的小偏心破坏及斜劈型破坏，斜劈型破坏只发生于试验时砂浆标号高的柱上，只有无筋板块砌体柱C30B，破坏时四个柱面同时出现几乎贯穿全柱长的纵向裂缝破坏。实物柱破坏时在破坏部分只少有6块以上板块被压碎，一般在8～15块，可认为破坏区高度在1.5倍宽度以上。

　　初垂直裂缝的出现时间亦没有规律性，C403在17％破坏荷载时即出现垂直裂缝，无横向筋的C30B在40％破坏荷载时即发现个别板块有垂直裂缝发生，但这两柱的垂直裂缝对以后继续加荷试验及破坏均未发生影响，可认为是由于局部应力过大而引起的。多数柱的垂直裂缝发生于65％～70％，破坏荷载前后，个别的在90％破坏荷载时始发生,只有无筋板块的C30B柱是在100％破坏荷载时突然各柱面出现大垂直纵向裂缝而破坏。

　　(3) 试验时测定了柱高中间截面平均应变并用之判断和控制柱的受力状态，但柱的破坏多数不发生于柱高中间截面处。考虑到非专业技术人员对实物柱的砌筑质量及对已发现的实物柱破坏现象做更进一步的解释，最后的C405柱试验时在柱高度的1／4、1／2及3／4三处截面都作了应变测试，其结果见图１。可以看出柱下部1／4处截面基本处于中心受压状态。柱中间1／2高处及柱上部3／4高度处截面则处于偏压状态且偏压方向也不一致，偏压应变值亦较大，最后破坏即发生于柱的中上部位，破坏时出现了两个接近斜劈裂破坏面，其性质与荷载一截面应变曲线的形式比较一致(见图2)。C405柱下部应变值小于上部应变值,可以由其砌筑工艺过程加以解释。根据砌体施工规范规定实物柱每天只宜砌筑1．5m高度，再高则倾斜失稳，故3.０m高实物柱是分两次于两天内砌筑完成的。因为砌筑1.5m高度以下之板块柱时,施工方便，灰缝亦较薄较匀,而衬筑1.5m高度以上之板块柱时，相对施工难度较大，向上运板块及砂浆等较困难，导致灰缝较厚且不均匀。由于下部柱砌筑早于上部柱一天且灰浆薄匀，灰缝砂浆强度又高于上部，故下部之应变数值小。

　　由此得出了一个概念，即实物柱作为中心受压板块砌体柱且较早受力时不同高度处的截面受力特性是不一致的，有时甚至变化很大．这就解释了已试验的柱，其破坏特性不同于正常匀质材料柱的一个原因，从而提醒人们考虑由非专业技术人员临战前用此种形式应急加固时，在设计计算阶段要考虑这类特殊工作状态变化的因素。

　　(4) 实物柱的板块中之横向钢筋在破坏前起到一些作用。在C30柱中不明显，C40柱试验时，特别是C405型板块砌体,截面应变在柱破坏前已有弹塑性性能出现(见图1)。由于板块中横向钢筋未能形成更强的套箍作用(未采用封闭形式箍筋)，弹塑性性能也未能充分发挥。

　　无横向钢筋板块砌体在C30B破坏后,板块之形状破碎；有横向钢筋板块柱如C30等，破坏后之板块形状则是角部及四周边缘破坏，钢筋露出，板块中心部位完整或只有一条微纵裂纹。说明无横向钢筋对板块的破坏状态是有影响的，其影响程度和横向钢筋作用发挥的程度有关。

　　4 试验结果整理分析及计算方法

　　因为板块砌体柱是具有横向水平砂浆缝而无纵向砂浆缝的一种砌体柱，仍属于砖石结构砌体范畴，故采用 GBJ3-73砖石结构设计规范 [I] 所提出的计算式及计算值与实验值作比较。

　　按规范无筋砌体构件轴心和偏心受压时之计算式为

　　KN≤ φ α AR (W)

　　其中: K---安全系数=2.３；

　　N---纵向力；

　　φ---受压构件的纵向弯曲系数,与砂浆标号有关，按β∝ H 0 /d 关系查表 取值。

　　A---截面面积。

　　R---- 砌体抗压强度 ,按照规范查表求得。数值与板块混凝土及砂浆标号有关。对本试验而言，查表取值时不考虑砌块砌体每皮高度之影响。

　　α---纵向力偏心影响系数，本题中按中心受压计算取α=1 .0

　　β--------构件高厚比，按规范=0.85 H 0 /d 。

　　H 0 - ------- 构件的高度，本题中采用试件柱高度．

　　d---截面边长，本题中为正方形板块边长1。

　　确定砌体抗压强度时需先确定砌块标号，在本题中即为板块之混凝土抗压强度。板块系按方格网配筋，其强度考虑套箍效应可用文献 [2]之建议式计算。该式为

　　? c a =? c (1+0.85 Φ -2 +0.85 Φ ) - (z)

　　其中：Φ ---套箍指标，Φ= M t ? s /? c

　　μ t---体积配箍率，本题中M t =2nA/ls

　　A S------- 单根横向钢筋的截面积，本题中为φ6A S =0.283cm 2 。

　　? s--------- 钢筋的屈服强度，本题中按规范取为 2400kg／cm 2 。

　　? c-------- 结构混凝土的抗压强度，按文献 [2]取为 ? c =0.7xR 20 ；

　　? c a ——套箍混凝土的抗压强度 =Nμ/A C

　　Nμ——极限荷载，试验值相当于(w)，式中之KN值。

　　A c ——本题中为板块面积。

　　s——钢筋网片间距，本题中取为板块厚度9cm及6cm2种。

　　l——钢筋网片的边长，本题中计算时取为板块宽度．

　　以板块强度 ? c a (无横向筋时为 ? c)作为砌块强度，按规范查表确定砌体抗压强度R，再依据试件柱高度H及试验时砂浆标号查出纵向弯曲系数φ，即可按式 (w)求出有横向配筋的板块砌体在极限承载力P C1 = Nu=KN，用之与实验之板块砌体柱试验破坏承载力 p u作比较。考虑到本题中试验所用板块中配置的横向钢筋未能完全形成套箍作用，及24小时砌筑完毕后立即加荷试验时之板块砌体柱砂浆强度尚未形成等因素,计算比较时增添了假设横向钢筋作用为零(即无套箍增强作用或无横向钢筋 ? c a =? c )及砂浆标号为0时的两项计算极限荷载值P C2 及P C3 ，以利比较。

　　按上述计算方法得出之考虑横向筋套箍作用的 PC1 ，不考虑横向筋套箍作用的P C2 及视砂浆标号为零的PC3 ，等计算数值比较，可得出实验数值P u 仍全部大于各类的理论计算数值且吻合良好，以实物柱为例P u /P C1 、P u /P C2 用P u /P C3 之平均值分别为 1.59 ， 1.79 及 3.11 相应的变异系数为 0.176、0.283及0.145。

　　试验值P u至少为砌筑后6小时之值(上午砌筑、下午试验)一般皆为砌筑后1—2天内之值，少数有拖长一周以后试验者。 试验时之砂浆标号在5～90之间。

　　从计算比较中还可发现，按上述方法计算时横向钢筋套箍作用影响承载力的能力小，P C１/ P C２ =1.24，而砂浆标号对承载力的能力影响大P C２ / P C３ =1.58。这些数值关系在设计计算时要加以重视。

　　由于横向钢筋套箍作用对板块砌体柱承载力的影响，只有25％左右，数值不十分显著，用增加横向钢筋量难于大幅度的增加板块砌体柱的承载力，故建议板块内可只用最小配筋率构造配以封闭形箍筋，以增加板块防破碎能力及稍许提高其弹塑性能即可。

　　从24小时内非专业技术人员就地取材砌筑的约束条件研究观察时，即或取砂浆标号为零设计计算，上述设计计算方法也是安全的。如适当考虑时间因素，可以允许有几天时间使砂浆增加强度，则按上式计算结果之值尚可乘以砂浆强度提高的影响系数，按本试验计算比较，该值可取为1.5～1.6。

　　5 几点结论及建议

　　1.板块砌体柱完全能满足在24小时内，由非专业技术人员就地取材并完成应急加固砌筑的要求，而且施工时可不限制砂浆标号。板块平时可用于铺设地面或路面，需要时拆下使用，其形状可为正方形或正六角形，每块外形尺寸及厚度以能满足平时使用要求及人力能搬动之重量为限。

　　2.本文给出之设计计算方法有足够的可靠性。计算时可不考虑横向钢筋之套箍效应并取砂浆标号为零。可根据今后对临战前应急加固预警时间长短的研究结果，在计算值上乘以强度提高系数1，0～1．6(如预警时间为24小时取1．0时间长时可酌情提高到1．6)。

　　3.板块内横向钢筋可按最小配筋率构造放置。外缘必需是封闭形箍筋，中间单根钢筋要有弯钩或与箍筋焊接。制造板块的混凝土标号要在200#以上。

　　有关本文详细内容的照片，图表，试验曲线及计算比较等，见文献[5]。

参 考 文 献

　［l］GBJ 3—73国家标准．砖石结构设计规范

　［2］焦占栓，蔡绍怀.方格网套箍棍凝上的强度和变形．中国建筑科学研究院结构所，1984.7

　［3］张晓漪，刁波等.防空地下室及一般地下室临战时应急加固描施的研究。全国人防工程科研成果选编。

　［4］张晓漪，刁波.用静载试验方法评估防护结构抗力的研究．地下空间。

　［5］“防空地下室及一般地下室临战前应急加固措施研究”报告。