（固体力学专业论文）后张法预应力砌体结构试验研究.pdf

摘要、 y 3 9 803 2 对砌体墙、柱施加预应力，不仅能大大改善它的受力性能，提高承载力， 而且可以扩大砌体结构的使用范围。本文在国内外研究工作的基础上，围绕预 应力砌体墙、柱受压承载力的试验进行研究与理论分析。 根据正交试验设计方法，进行了4 0 根预应力砌体柱受压承载力的试验研究， 分析了砌体材料、截面形状、荷载偏心距、高厚比、预应力偏心距以及预应力 值的大小等因素对预应力砌体墙、柱受压承载力的影响，探讨了施加预应力值 的大小、预应力筋的位置、预应力损失等问题，给出了预应力砌体墙、柱施工 设计的构造建议。 为进一步评价预应力砌体墙、柱的受压性能，根据理论分析编制程序，更 广泛深入地研究了影响后张预应力砌体墙、柱受压承载力的各主要因素，并结 合试验数据，进行回归分析，提出了后张预应力砌体墙、柱受压承载力的设计 计算方法，这一方法既与现行( 非预应力) 砌体规范的计算方法相衔接，又与 试验结果吻合较好。 同时，进行了预应力砌体墙、柱应用的可行性和经济性分析。 ? 【关键词】 砌体墙毛拄 后张预应力正交设计 预应力损失 受压承载力可行性_ 经济性一、y 、 a b s t r a c t s t u d i e so nm a s o n r ye n v e l o p es h o wt h a tp r e s t r e s s i n gt h em a s o n r y w o r km a yn o to n l y i m p r o v e t h e i rb e h a v i o ra n di n c r e a s es t r e n g t h ，b u ta l s oe x p a n dt h e i ra p p l i c a t i o ns c o p e b a s e do n t h ep r d e c e s s o r s w o r k ，t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n gw o r kf o c u s e do ne x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho na n dt h e o r e t i c a la n a l y s e so f p r e s t r e s s e dm a s o n r yw a l la n dc o l u m n ： f i r s t l y ，e x p e r i m e n t a ls t u d yo nc o m p r e s s i v ec a p a c i t yo f 4 0p r e s t r e s s e dm a s o n r yc o l u m nw a s p e r f o r m e db a s e d o nt h et h o u g h t so f o n h o g o n a ld e s i g n t h ee f f e c t so f m a t e r i a lo f m a s o n r y , s h a p e o fs e c t i o n ，e c c e n t r i c i t yo fl o a d ，h e i g h t - t h i c kr a t i o ，e c c e n t r i c i t yo fp r e s t r e s s e dt e n d o na n da m o u n t o fp r e s t r e s so i lc o m p r e s s i v ec a p a c i t yo fp r e s t r e s s e dm a s o n r yw a l la n dc o l u m nw e r ea n a l y z e d p r o b l e m ss u c ha sh o wm u c h p r e s t r e s ss h o u l db eb r o u g h t t ot h et c n d o n ，t h el o c a l i o no f t h et a n d o n a n dt h el o s so f p r e s t r e s sd u r i n gc o n s t r u c t i o nw e r ed i s c u s s e d c o n s t r u c t i o nd e t a i l so fp r e s t r e s s e d m a s o n r yw a l la n d c o l u m nw e r ea d v i s e d s e c o n d l y ，i no r d e rt oe g i m m i n gc o m p r e s s i v eb e h a v i o ro fp r e s t r e s s e dm a s o n r yw a l la n d c o l u m nf u r t h e rm o r e ，c o m p u t e rp r o g r a mi sm a d eo nb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s e s t h em a i n f a c t o r s ，w h i c hi n f l u e n c et h ec o m p r e s s i v eb e h a v i o ro f p r e s t r e s s e dm a s o n r yw a l la n dc o l u m n ，w e r e e x t e n s i v e l ys t u d i e d t o g e t h e rw i t he x p e r i m e n t a ld a t a , t h ep a p e rm a d er e g r e s s i o na n a l y s i sa n d p r o p o s e dt h ec o m p u t i n gm e t h o do fc o m p r e s s i v ec a p a c i t yo fp r e s t r e s s e dm a s o n r yc o l u m na n d w a l l t h em e t h o dl i n k su pw i t ht h ec o d ea n di t sc o m p u t e rr e s u l t sa r ei nag o o da g r e e m e n tw i t h t h et e s tr e s u l i s f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t ya n de c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fa p p l i c a t i o no f t h ep r e s t r e s s e dm a s o n r y c o l u m na n dw a l lw e r ed i s c u s s e d k e y w o r d ： m a s o n r y w a l la n d c o l u m n ，p o s t - t e n s i o n i n g ，o r t h o g o n a ld e s i g n ， l o s so f p r e s t r e s s ， c o m p r e s s i v ec a p a c i t y , f e a s i b i l i t y , e c o n o m i c a le f f i c i e n c y 堕室里三查堂塑主笙苎一一一一j 竖堕 1概述 1 。1预应力砌体的发展过程 砌体作为一种古老的建筑材料，被广泛用于结构中。无论砖砌体还是砌块 砌体，其抗拉强度低的问题较混凝土更为突出，据现行规范统计其弯曲抗拉强 度平均值和轴心抗拉强度平均值分别为其抗压强度平均值的7 1 和4 + 5 ，而 混凝土则为i o 4 ”1 ，因此多用于受压构件。为迸一步发挥砌体结构价廉物美， 旌工简单的优势，人们从素混凝土一配筋混凝土一预应力混凝土的发展模式中 得到了启示，发展配筋砌体和预应力配筋砌体结构。由于砌体的徐变和收缩较 混凝土小“1 ，因此发展预应力砌体的可能性是明显的。为此，国内外学者在配 筋砌体和预应力砌体结构受力性能的试验研究和工程应用等方面作了巨大努 力，并有重要的突破和进展。 早在混凝土出现之前就已产生了配筋砌体和预应力砌体。维多利亚时代人 们将加热的钢杆穿过砖砌体并锚固，冷却后便对砌体施加了预应力“。然而由 于缺乏系统的研究，因此砖石结构长期处于落后状态，以致难以适应当时工业 发展的需要而很快被钢结构和钢筋混凝土结构所取代。 一战和二战期间，日本、印度等钢材和水泥产量有限的国家又重新广泛研 究配筋砌体结构。1 。直到本世纪六十年代，欧美、前苏联以及我国对配筋砌体 作了大量研究和应用。在七十年代后，我国系统地进行了各种高性能砌体结构 的研究与应用。如竖向配筋的空心砖与小型混凝土空心砌块砌体结构体系；介 于钢筋混凝土框架填充墙结构与构造柱砌体结构之间的砖混组合墙体系；集中 式配筋体系以及设置各种异形柱的约束结构体系等。这些砌体结构的改进在层 数与高度方面均对现行规范有所突破。 尽管配筋砌体为预应力砌体打下了基础，但预应力砌体的发展相对滞后。 在八十年代前各国的预应力技术多用于水池、筒仓、挡墙等构筑物中，我国还 将其作为砖混房屋抗震加固的手段加以应用。八十年代后，英国在研究基础上 参照预应力混凝七结构规范的原则建造预应力砖房和挡土墙，并将其纳入了砌 堕塞矍三查兰堡主丝苎塑查 体结构设计规范b s 5 6 2 8 。通过大量的试验研究结果表明，预应力能明显提高 墙体的抗弯和抗剪强度，增大墙体变形能力与延性，改善墙体耗能性能，从而 全面增强结构的抗震能力。 1 2国外预应力配筋砌体的研究现状 目前，英国、北美等国对预应力砌体的研究较多，也较成体系，有的成果 已并入设计规范。 1 2 1预应力砌体的种类和施工工艺 如英国的c u r ti n 、s h a w 以及b e c k 等人对预应力砌体配筋有专门的研究并 成立研究所。他们对均匀分布的分布式配筋方式研究较多。分布式脚是砌筑时 在墙体形成空腔或凹槽，在空腔凹槽中配置钢筋，再用砂浆或多或混凝土填满。 空腔的砌法可用“奎达”式砌筑( q u e t t ab o n d ) ”1 。同时也可利用空心砌块的 孔槽以及带肋墙体的壁柱布置钢筋。 预应力钢筋的应用范围有两个主要方面”：第一，改善抗弯性能；第二， 提高竖向承载能力。同时还有其它方面的应用如可以改善抗剪及主拉应力强度， 抵抗由不均匀沉降在墙体平面内产生抗拉力，抵抗偶然损窖及冲击荷载，充分 提高结构延性和刚度。 英国预应力配筋砌体的设计理论类似于钢筋混凝土和预应力混凝土设计 理论“。由于砌体的抗拉强度低，故不予考虑，设计中利用施加预应力来抵御 其中的拉应力。采用极限状态设计方法，确保达到承载能力极限状态之前提供 一个充分合理的安全储备，同时要考虑如挠曲和裂缝等正常使用的极限状态。 正常使用极限状态产生的挠度和裂缝，不应损害结构的效能耐久性或其饰面， 还应包括徐变、收缩及温度的影响，应考虑偶然破坏的后果。 施加预应力主要有两种方法，后张法和先张法。两种方法都和预应力混 凝土一样采用高强钢，因为低碳钢会由于徐变而使预应力损失很大。后张法主 要在工地进行。方法是：将预应力筋一端固定，然后围绕钢筋砌筑砌体结构( 如 墙、柱等) 。当砌体达到要求强度后，张拉预应力筋，锚固后将钢筋放松。这样， ， 堕室堡三盔兰堡主堡壅 ! 苎堕 由于放松的钢筋回复原来长度的趋势而使砌体构件受到压力；先张法主要在工 厂进行。在预应力砌体中普遍应用的是后张法。预应力钢材包括单根钢丝，钢 丝束( 钢绞线) 和钢筋。钢筋多用于后张法，尽管钢绞线也可以用于后张法预 应力砌体，但一般避免使用，因为砌体施工中，现场安置和固定钢绞线有困难 【l j 后张法主要分为两大类：低预应力度和高预应力度1 。低预应力度工艺是 在只需要较低程度预拉应力时使用的，低预应力度工艺比较简单，并不需要很 高的技术，预应力钢筋的张拉由扭矩板手旌加，由于扭矩板手施加预应力的系 统并不象千斤顶张拉钢筋那么准确，而需要一个富裕量来对此进行补偿；而高 预应力度工艺用后张液压千斤顶拉长钢筋。所加的拉力可由千斤顶的压力计中 测得和读出。高预应力度工艺主要应用于：挡土墙、蓄水池、涵洞、重型梁以 及垂直于构件的荷载和弯矩相对较大的类似情况。 设计后张拉预应力砖砌体可以根据构件所受的理论弯曲拉应力而需减少 到指定极限范围内的要求来确定预加应力。所要求后张力产生压应力的大小， 必须足以抵消理论拉应力或使其减少到选定的极限范围内。如果沿轴心施加预 应力，作用可以抵消拉应力，但同时也增加了总压应力。由于压应力的增加， 难以施加更高的预应力，如果增大截面来解决问题，很不经济，故解决这一问 题普遍采用偏心后张预应力“。 通常对于后张法砌体是把后张拉杆的一端先锚好，并做好必要的耐久性的 防护，然后在其周围砌筑所需要的砌体截面。受拉筋的另一端上设垫板，支承 在砌体或压顶梁上，作为预应力筋的第二锚固。张拉钢筋可采用千斤顶或扭矩 扳手，并将其紧固在垫板上。 122 预应力的损失 和预应力混凝土的情况一样，最初施加于砌体结构构件的预应力值，在构 件的整个使用期中会减少。因此，在计算预应力筋中的力及构件的应力时，必 须对结构设计所考虑的各个阶段确定一个适、j 的损失容许值。预应力损失由下 堕室望王查兰堡主堡苎l 堡查 列原因引起：预应力筋的松弛：砌体的弹性变形：砌体的温度变形：砌体的徐 变，预应力筋在锚固过程中的回缩，摩擦，温度变形”。 设计中使用的预应力损失值，应与预应力混凝土中一样，在持续1 0 0 0 0 小 时以后预应力筋的计算最大松弛值“1 。在预应力产生的压应力作用下砌体将产 生弹性收缩。大部分的弹性收缩是在施加预应力期间产生的，但砌体并非一开 始就对压力产生反作用。收缩( 如徐变) 会进行很长的时间，在预应力钢筋锚 固之后还会有一些收缩，砌体这种进一步的收缩将会减少预应力的应变，从而 也就降低了预应力筋中的应力，造成预应力筋中预应力的损失。 构件采用后张法能够使锚具回缩的损失减至最低，预应力筋采用直线形也 可以避免摩擦损失。主要的预应力损失为预应力筋松弛损失和砌体徐变损失。 对于预应力筋松弛的损失，己做过全面的研究，故结果是有理论依据的，但对 砌体在预应力下的徐变研究有限。可以根据经验对总损失量做一粗略的估计。 粘土砖砌体的总损失量允许值为2 0 “，混凝土砌块的允许值为3 5 左右“。 1 2 3 预应力砌体的设计 预应力砌体使用的锚件和端部垫块与预应力混凝土的基本相同，所有锚具 如支承垫板和端部垫块都设计成能抵抗作用于其上的剪应力和弯曲应力。钢筋 两端和端部垫块和锚具应设计成能够承受比预应力筋的张拉荷载和钢筋极限状 态荷载更大的荷载。 后张拉钢绞线和钢筋一般都属于高强钢材。钢筋一般是预拉至设计值，在 整个使用期间变化很小，这不象大多数配筋砌体中的钢筋，只在所有恒荷载和 外加荷载作用时j 承受最大的应力，且这种情况不会经常发生，即使发生也是 短时期的。为限制钢筋松弛，后张钢筋中的预加应力应限制为总的最大设计值 的7 0 “。 后张拉力的大小一般是根据在最不利荷载组合下及预应力损失发生之后， 截面中不产生拉应力为条件确定的。因此拉应力的要求是满足的。这样就应该 验算预应力损失之后各种荷载组合下弯曲应力是否符合设计强度的限制条件。 4 堕室墨三盔堂堡主堕塞j ! 堕堕 同时还验算恒荷载，外加荷载和后张力各种组合情况下，以及预应力损失之前 的直接压应力。 计算出后张力并验算过直接弯曲应力之后，就该考虑剪应力了。后张预应 力砌体的抗剪设计大体上采用和普通砌体同样的方法进行。施加后张力一般增 加了作用于轴心上的荷载，因此它影响抗剪设计强度但不产生剪切荷载“”“。 后张力可包含于竖向设计荷载中，因此可以提高水平抗剪强度。同时对于砌体 的主拉应力，挠度也要进行验算。 1 3国内预应力配筋砌体的研究现状 我国一直较为重视对砌体结构的开发、研究。新材料、新技术和新结构的 不断使用，计算理论的深入研究和计算方法的逐步完善，使得砌体结构的应用 范围不断加大，尤其在1 9 7 6 年唐山地震后，加强了对于砖砌体抗震性能的系统 研究。建立了具有我国特色的砌体结构设计计算理论，并采用以近似概率为理 论基础的各种结构统一的极限状态设计方法，将各种砌体强度计算公式统一。 对于配筋砌体结构的试验和研究在我国起步较晚。6 0 年代在工程中使用了 一些网状配筋，纵向配筋的砌体，并有在空心砖孔洞内设置预应力钢筋制成空 心砖楼板，小梁和檩条“”。对于网状配筋和纵向配筋砌体，都已写入规范，但 对于预应力配筋砌体没有做系统的研究。尤其在抗压、偏心抗压等基本理论的 研究没有开展。 目前对于预应力砌体的研究主要通过刚度较大的墙顶圈梁或压顶梁对其 下砌体的弹性地基梁作用来实现对砌体的预压。被称为集中配置式“。其特点 是间接传力。预应力筋少而集中，张拉、锚固和灌浆工作量较少，施工较为方 便”。试验中将预应力筋集中设于构造柱预留孔中，对小型空心砌块墙体的抗 剪和抗震性能进行试验研究“。其结果表现在墙片建立了不过0 3 9 0 6 8 m p a 的预压应力后，出现剪切斜裂的拉裂荷载较非预应力墙提高1 7 一3 3 ，极限荷 载提高3 2 一6 2 ，开裂位移增大2 0 一5 0 ，极限位移增大3 6 一6 0 ，延性比增大 3 6 一3 6 ，破坏时主裂缝多条连贯，表明预应力不仅能起正压应力作用，还能 塑室里三查兰堡主笙塞l ! ! 堕 在变形过程中因预应力筋之拉伸而产生承载力增长。 对在构造柱中配置预应力筋的抗震砖墙进行了低周交变水平加载试验，结 果表明m m 3 m ，：即使极低的预应力，无洞预应力墙较非预应力墙抗裂荷载提高 3 1 。极限荷载提高2 4 ，开裂位移增大3 3 。极限位移和延性比虽增加很少， 但实际具有更高的延性比和变形能力。其刚度退化亦较慢。开洞抗震墙根据。 一取0 2 5 4 。和0 5 0 。二种情况”，较非预应力开洞墙分别提高2 7 和4 1 ；极 限荷载分别提高1 8 和6 0 ，延性比分别提高8 和2 5 0 ，其变形能力及刚度退 化等性能也都类似无洞墙。相较之下，施加足够的预应力非但可弥补开洞对墙 的削弱，还可能超过无洞非预应力墙的抗裂及承载能力。通过对预应力筋的应 变分析。“，提出了“预应力提高系数”的概念。对抗裂和承载力计算分别取值 1 1 和1 3 。这也是预应力对于砌体结构的有利影响的量化。 在高层抗震墙中剪压复合受力情况下，对砌体抗剪强度的取值方法作了试 验研究”。结果表明：其剪压复合受力相关性相似于混凝土，唯压应力对砌体 抗剪强度之提高比混凝土有效：随压应力增大，试件将产生剪摩、剪压、斜压 等三种破坏形态；主拉应力理论和库仑理论与实测结果随压应力增加而相差越 来越大，若暂且保留剪摩公式形式，则其摩擦系数不再是常数而是随压应力增 加而减少的函数。研究结果能使人们对实际工程中轴压比超过0 2 5 0 3 之后， 砌体抗剪强度的锐减保持警惕是十分必要的。通过动力相关性来确定抗剪强度 是一条需深入研究的方向。 参照配筋混凝土砌块砌体的非弹性剪切性质作出的试验结果”：开裂强度 与抗裂强度随竖向荷载之增大而增大，并可使砌体从相对柔性的弯曲模式变为 相对脆性的剪切模式；抗震设计中构件的延性和耗能性能是极重要的指标。由 于随竖向荷载增大而使砌体趋向剪切模式，故弯曲试件的延性随之降低。垂直 钢筋和水平钢筋含量越大，其抗剪承载力和耗能能力也越大。这些结论都可以 间接肯定了预应力产生的压应力对砌体抗剪、抗震性能的重要作用。 1 4 预应力砌体的前景及研究目标 6 堕室墨三查兰堡主垒兰 一一一l _ 塑堕 1 4 1 预应力砌体符合砌体发展趋势 预应力砌体结构由于其材料类型、品种和规格十分丰富，砌筑方式、构造 作法变化灵活，施工操作简单，预应力损失远较混凝土为低，特别是近2 0 年国 内外在理论与实验研究、设计和施工等方面的重大突破，使砌体这一古老的建 材又重新焕发了青春。 当前砌体的发展趋势是“轻质高强”1 。一方面，在材料方面进行改进， 提高砌体材料包括砌块、砌筑砂浆的强度、粘结力，以及提高砌块的孔洞率减 轻结构自重，这些对于砌体材料的工艺和技术的改进和发展都可以进一步发挥 砌体的作用；另一方面，由于砌体存在着不能承受拉力和抗剪强度较低的缺点， 传统的砌体只能在有限的偏心距下承受弯曲载荷，并不能充分地发挥砌体的抗 压较高的优势，往往是造成较大的承载力浪费，如何改变砌体结构的受力体系 以充分发挥它的特长，我们可以从预应力混凝土得到启示对砌体施加预应力， 这样可以用预应力筋承担拉应力、提高抗剪能力，不但减少了截面尺寸从而减 轻了自重而且充分地发挥了砌体的抗压强度和改进了砌体诸如延性等特性。所 以，预应力砌体符合砌体当今“轻质高强”的发展趋势。 1 4 2 当前我国预应力砌体的研究目标 当前无论国内外对预应力砌体的研究尚不广泛，应用也受限制，还有较多 方面需要做进一步的研究，尤其是在我国对于预应力配筋砌体的基础研究还未 开展，今后加强对于这一领域的试验和理论研究是有现实意义的，下面是预应 力配筋砌体的需进行的研究目标： ( 1 ) 、通过试验研究，建立适合中国国情的预应力配筋砌体的基本抗压、抗拉、 抗弯和抗剪承载力公式。其中包括目前较多采用的各种砌块和砂浆材料。 ( 2 ) 、研究预应力砌体在动力加载、复合应力条件下的强度计算方法，满足抗 震设计中的需要。 ( 3 ) 、针对应用砌体材料的多样性，材料各向异性等特性，对收缩徐变和钢筋 的松驰损失以及锚具变形、摩擦损失进行试验研究，找出影响的凼素和规律， 塑塞堡三盔兰堡主堡苎 并提出相应的公式和解决方法。 ( 4 ) 、预应力砌体施工中的具体施工要求、 预应力施工的效率和准确性。 概述 规定还需进一步的研究总结，提高 ( 5 ) 、预应力损失在设计、施工过程中的计算和控制。 ( 6 ) 、预应力砌体构件挠度的计算，以及对变形和开裂的控制。 ( 7 ) 、通过弹性力学和有限元方法对预应力砌体进行受力的理论分析。 ( 8 ) 、预应力砌体的成本问题的研究，发现出其在经济上的优势，使之可以广 泛推广。 1 4 3 本次论文工作的主要内容和目的 本论文的主要内容是后张法预应力配筋砌体构件的试验研究。试验采用常 规静力加载。在试件的设计中采用正交法，不但充分考虑不同因素对试件承载 力的影响，同时减少试件数量。在材料的选取上，选择我国旌工常用的砌体块 材，如k p l 空心砖、小型混凝土空心砌块进行对比试验，研究不同材料类型砌 体在预应力条件下的力学特性。并且采用不同的截面形式、不同的荷载偏心距 和不同的预应力偏心距，考查这些因素对承载力的影响。针对试验结果绘制相 应的曲线和表格，对数据进行处理，分析各因素对结构的影响程度，对比施加 预应力与否对结构承载力的提高程度。同时运用理论计算方法，得出试件的计 算承载力，总结出回归系数，得出受压承载力计算公式。通过试验的实施过程 进一步探讨提高预应力砌体技术的施工实用性，如细部构造、预应力钢筋的保 护、砌法等，提出一些设计和施工建议。同时对预应力砌体的建造可行性和经 济性进行分析，反映其运用在实际工程中的发展前景。 本论文的目的是通过对后张法预应力配筋砌体构件的静力加载试验，分析 其试验结果，以及通过对预应力墙体偏压状态的分析，完善目前符合我国国情 的预应力砌体受拉、受压、受弯等基本受力状态下的设计计算方法和预应力砖 墙的变形、延性方面的特性。充分发挥预应力砌体改进砌体结构受力状态，挖 掘砌体截面抗压承载力的潜力，改善砌体抗拉、抗弯能力。在试验的同时还将 堕蔓里王查兰堡主笙苎! 塑堕 进行一定的理论分析，将理论计算值与试验结果进行对比，体现预应力技术对 砌体结构承载力的提高和改进。同时通过细部设计和经济性的分析，完善预应 力砌体技术上的可操作性、标准化、规范化以及建造可行性等方面的内容，希 望能够为这一技术早曰在我国推广并运用于实际工程中作出努力。 塑塞里三查兰堕主堡塞 ! ! 堕查 8 9 1 0 i l 2 6 7 l8 1 9 2 0 2 l 2 2 参考文献 中华人民共和国国家标准砌体结构设计规范( g b j 3 8 8 ) 北京：中国建筑工业出版社 中华人民共和国国家标准混凝土结构设计规范( g b j l 0 - 8 9 )北京：中国建筑_ i = 业出版社 施楚贤砌体结构理论与设计北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 2 w g 柯廷，g 肖，j k 贝克配筋及预应力砌体北京：中国建筑工业出版社1 9 9 2 丁大钧砌体结构学北京：中国建筑工业出版社1 9 9 7 w g 柯廷，g 肖，卜k 贝克砖石结构设计师手册上海：同济大学出版社，1 9 8 9 wgc u r t i nb r i c kd i a p h r a g mw a l l s - - - d e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n ，d e s i g na n df u t u r ed e v e l o p m e n tt h e s t r u c t u r a le n g i n e e l1 9 8 0 5 8 a ( 2 ) ：4 l 4 8 gs h a w s t r e s s i n gm a s o n r y sf u t u r e c i v i le n g i n e e r i n g ，1 9 9 7 ，( 2 ) ：4 2 4 5 f 莱昂哈特预应力混凝土北京：水利电力出版社，1 9 8 9 r u b e njjr e i n f o r c e da n dp r e s t r e s s e dm a s o n r y c o n c r e c e ，1 9 8 6 ，( 7 ) ：6 wgc u r t i n ，h o w a r dr e s e a r c ho np r e s t r e s s e dc a n t i l e v e rd i a p h r a g mw a l l st h es t r u c t u r a le n g i n e e r , 1 9 9 1 6 9 ( 4 ) ：1 0 5 i1 2 ab a q i ，n ，m b h a n d a r i ，a n ddn t r i k h a e x p e r i m e n t a ls t u d yo f p r e s t r e s s e dm a s o n r yf l e x u r a le l e m e n t s j o u r n a lo f s t r u c t u r a le n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，( 3 ) ：2 4 5 2 5 4 dl e n c z n e rc r e e pa n dp r e s t r e s sl o s s e si nb r i c km a s o n r yt h es t r u c t u r a le n g i n e e l1 9 8 6 6 4 b ( 3 ) ：5 7 - - 6 1 wgc u r t i nb r i c kd i a p h r a g mw a l l s - - - r e s e a r c ha n dt e e i n gt h es t r u c t u r a le n g i n e e r , 1 9 8 0 ，5 8 b ( 1 ) ：l 1 3 wgc u r t i n e c ta ni n v e s t i g a t i o no ft h es t r u c t u r a lb e h a v i o ro fp o s t - t e n s i o n e db r i c kd i a p h r a g mw a l l s t h es t r u c t u r a le n g i n e e r , 1 9 8 6 ，6 4 b ( 4 ) ：7 7 8 4 mep h i p p s ，e c tt h ed e s i g no f s l e n d e rm a s o n r yw a i l sa n dc o l u m n so f g e o m e t r i cc r o s s - s e c t i o nt oc a r r y v e r t i c a ll o a dt h es t r u c t u r a le n g i n e e r , 1 9 8 7 ，6 5 a ( 1 2 ) 4 4 3 4 4 7 f a r i d a hs h a f i is h e a rf a i l u r em o d e so fp r e s t r e s s e db r i c k w o r kr e t a i n i n gw a l l s p r o c e e d i n g s o f1 1 “ i n t e r n a t i o n a lb r i c k b l o c km a s o n r yc o n f e r e n c e ，s h a n g h a i ，c h i n a , 1 9 9 71 0 朱伯龙砌体结构设计原理上海：同济大学出版社，1 9 9 i 吕，厶涛主编现代土木工程的新发展南京：东南大学出版社1 9 9 8 序一舟等配置预应力纵向钢筋砖墙抗震性能试验研究第一届牟国砌体结构学术交流会论文集第2 卷，1 9 9 4 年1 0 月，成都 庸岱新，马晓懦颅应力对砌体剪力墙抗震性能的改善低温技术1 9 9 7 ( 4 ) ：2 3 2 5 骆万康，t 天贤预应力抗震砖培抗裂与承载力及其计算方法的试验研究建筑结构，1 9 9 5 ( 4 ) ： 2 3 、3 2 2 3 鼎，) 廉，j 灭贤关于预应力砖墙的变形延性畸耗能问题的试验叫究世界地震工程，1 9 9 5 ，( 1 ) 5 0 5 7 1 0 南京理工大学硕士论文 1 概述 2 4 骆万康，王天贤预应力抗震砖墙构造柱中的钢筋应变问题重庆建筑大学学报，1 9 9 5 ，( 1 ) ：1 4 2 3 2 5 骆万康王天贤顶鹿力开洞砖墙抗震性能的试验研究建筑结构，1 9 9 8 。( 4 ) 。1 2 2 6 2 6 骆万康，廖春盛朱希成砖砌体剪压复合受力相关性与抗剪摩擦系数的取值t 程力学( 增刊) 第 六届全国结构工程学术会议论文集1 9 9 7 年1 0 月，南京 2 7 肖小松混凝土砌体的性质i 司济大学博士后研究工作工作报告1 9 9 8 2 8 苑振芳，刘斌我国砌体结构的发展状况与展望建筑结构，1 9 9 9 ( 1 0 ) ：9 - 1 3 南京理工大学硕士论文 2 试验设计 2 试验设计 本次试验为静力加载砌体构件试验。 2 1 试验的参数设计 参照砌体强度计算”1 和预应力混凝土计算“1 中对承载力的影响因素，考虑以 下的因素对预应力砌体的承载力产生影响，包括砌体强度、砌体材料、截面形 式、荷载偏心距、预应力大小、预应力钢筋位置和砌体高厚比等因素。试验试 件的设计要考虑以上几个方面因素的影响。 2 1 1 砌体材料 砌体材料是决定砌体承载能力主要因素，决定采用粘土空心砖和空心混凝 土砌块两种材料。空心砖是我国目前较为常见的砌体块材，在各地用量很大， 采用它具有现实意义；空心混凝土砌块是砌体发展的方向并在工程中采用愈来 愈多，并且在预应力砌体施工中较为方便，可以利用孔洞布置预应力筋而不用 特意留置孔道。砌筑砂浆统一采用混合砂浆。 2 1 2 砌体高厚比 砌体高厚比口是决定砌体承载能力的重要因素。由高厚比公式卢= h j h “ 可以知道卢与试件计算高度总和试件等效截面面积h ，有关。砌体采用三种截面 形式，有矩形、t 形和l 形，都是较为常见的截面形式。由于构件简化成底端 固结，上端自由的杆件，i i 。- - 2 1 1 ( 为试件实际高度) 。3 ，故高厚比的取值受到 限制，以免实际构件长度过长加大试验难度。我们取两个高厚比4 和8 。 2 1 3 荷载偏心距 砌体规范对荷载偏心距e 的范围做了较严格的规定，e 不宜大于0 7 y ( j ， 为截面重心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离) ”1 ，e 不满足此规定时还要 进行抗裂验算，而且认为当e 大于0 9 5 y 砌体的承载力是很低的并且很不经济 “1 。对砌体施加预应力可以相对折减荷载偏心距e ”1 ，故预应力砌体的荷载偏心 距p 的变化范围可以突破规范的规定，对e 的考查范围计划从o 1 5 y ，取0 、 0 5 y 、1 0y 、1 、，y 四个水平级别。 堕室里三盔兰堡主丝苎 2 1 4 预应力筋偏心距 2 试验设计 由预应力混凝土计算可知施加预应力的大小和位置对于预应力混凝土的 承载力影响很大。根据预应力混凝土施加预应力的方法，预应力一般要施加在 截面核一t b , 区内“1 ，保证施加预应力时试件不致因预应力而开裂，所以预应力筋 的偏心。取0 和截面核心区内某一定值( 矩形截面取6 0 r a m 、t 形取7 0 m m 、l 形 取4 0 r a m ) 两个水平程度。预应力大小则要根据砌体强度和预应力钢筋强度来确 定。 2 2 试验的正交法设计 由上节可知，本试验是一个多因子、多水平条件的试验。 如按照全面试验法”1 进行试验，固然可对各因子与指标之间的关系分析得 比较清晰，但对于本试验这种因子数较多并且每个因子的水平数目也较多的情 况，试验试件数将比较大。由上一节的影响构件承载力的参数可知，我们确定 了五个多水平因子，具体见表2 1 。按全面试验做，将要加工9 6 件不同参数的 试件，每个试件再重复一次，试件数将达1 9 2 个。由于条件的限制，试验不可 能实现这样较大的试件数，考虑采用正交法的设计方法”3 ，从全面试验的点中 选择有典型性、代表性的点，使试验点在试验范围内分布得均匀，能够反映 表2 1试验中的因子及水平 水尹 1234 因子 a截面形式矩形t 形l 形 b荷载偏心距o 0 5 y1 o y1 5 y c砌体高厚比48 d预应力 有( e p ：o 、某定值)无 小型混凝土空 e 砌体材料k p ，粘土空心砖 心砌块 堕室堡三查兰堡主堡塞l 塑! ! 翌 较为全面的情况，同时尽量减少试验点数。 为了确定、选择适用的正交表，根据非m “型正交表试验次数与考察因子水 平数关系式决定最低试验次数”1 试验次数h ( 每列水平数一1 ) + l ( 2 1 ) 进而选择合适的正交表。考虑到常用正交表中的因子水平数，将截面形式也看 为四水平因子，本次试验故可认为是由二个四水平因子和三个二水平因子组成， 代入式( 2 1 ) 可得最少试验次数为 2 x ( 4 1 ) + 3 ( 2 1 ) + 1 = 1 0 就是说，在行数不少于1 0 ，既有2 水平列又有4 水平列的正交表中选择，采用 l 。( 4 2 x 2 9 ) 正交表”1 较合适。 表2 2l ，。( 4 2 x 2 9 ) 正交表 、 因子 abc defghijk 行薮 1 11llllll1l1 2l21l1222 222 313 222111222 414222 222111 52l12212 2122 6221222l1 211 723211l22211 82421l2l112 2 931212212 212 1 032212l2l121 1 133l2l2l2121 1 234l21121 212 1 34l22l22l221 1 44222l1l21l2 1 5431l222l112 1 6441121l222l 根据表2 2 ，把所考察的每一个因子住意地对应于正交表的一列，再把每 列的数子“翻译”成所对应因子的水平。这样每一行的各水平组合就构成个 构件的试验条件。表23 为埘应的试验方案。 1 4 塑室里三查兰堡主堡苎 ! 堕壁堡生 在表2 3 中，每组预应力的偏心距有两种( 一种偏心距为0 ，一种偏心距为 截面核心区内某一定值) ，所以试验数为：有x 2 + 无= 6 x 2 + 1 0 = 2 2 。为减少试 验误差，每个试件重复试验一次，共需4 4 根柱。比较全面试验方法的1 9 2 根， 工作量只有其的2 3 。 表2 3与正交表对应的试验安排 试验号截面形状及材料荷载偏心距e o长细比预应力 l空心砖矩形04无 2 空心砖矩形0 5 y 4无 3空心砖矩形1 0 j ，8有 4 空心砖矩形1 5 j ， 8有 5空心砖t 形04有 6 空心砖t 形0 5 y 4有 7空心砖t 形1 o j ，8无 8空心砖t 形 1 5 ， 8无 9空心砖l 形0 8无 1 0空心砖l 形0 5 y8无 1 1 空心砖l 形1 o y 4有 1 2空心砖l 形 1 5 y 4有 1 3砌块矩形08有 1 4 砌块矩形0 5 y 8有 1 5砌块矩形 1 o y 4 无 1 6砌块矩形 1 5 y 4 无 这样根据正交法设计试验，一方面可以极大减少了试验构件数，由于缩短了 试验周期，可以提高实验精度，同时节省了试验的费用，有较好的经济效果： 另一方面，对于多因子多水平问题可以保证试验点分布的均匀性，同时对于后 期试验结果的分析处理比较方便，可以分析不同因素对于预应力砌体的强度影 响程度，得出明确可靠的结论。 但是，根据试验的实际情况，还要对试件做调整。对于截面形状和砌体材料 两个因素在表2 3 中己经合并为一个四水平因子，由于对于t 型、l 型两种截 面形状限于条件只能采用空心砖，空心砌块只能采用矩形截面，如用在t 型和 l 型将造成截面尺寸过大，故将两个因素合并。另在表2 3 中有些试件各项 南京理工大学硕士论文 2 试验设计 表2 4试验试件方案表 编 编号截面料及材心距印长细鬣淼距p m m ) 力大( k n ， 号 1r 1 1空心砖矩形08 无 2r 卜2空心砖矩形08无 3r 2 - 1 空心砖矩形 o 5 y 4 无 4r 2 2 空心砖矩形 o 5 y 4 无 5r 3 - l空心砖矩形1 0 y8 06 4 6r 3 2 空心砖矩形1 0 y8 05 4 7r 4 - 1 空心砖矩形1 吵 86 06 4 8r 4 2 空心砖矩形1 吵 86 0 5 4 9r 5 一l 空心砖矩形 1 5 y 406 4 1 0r 5 2 空心砖矩形 1 5 y 4 06 4 1 lr 6 1 空心砖矩形 1 5 y 46 05 4 1 2r 6 2空心砖矩形 1 5 y 46 05 4 1 3t 1 1空心砖t 形 0 5 y 4 08 1 1 4t 1 2 空心砖t 形0 5 y 4 08 1 1 5t 2 - 1空心砖t 形 0 5 y 47 08 1 1 6t 2 - 2空心砖t 形 o 5 y 4 7 08 l 1 7t 3 - 1空心砖t 形 1 o y 408 1 1 8t 3 - 2空心砖t 形 1 o r 4 08 l 1 9t 4 - 1空心砖t 形 1 o y 47 08 l 2 0t 4 2空心砖t 形 1 吵 4 7 08 1 2 it s - 空心砖t 形 1 印 8 无 2 2t 5 2空心砖t 形 1 砂 8 无 2 3t 6 1空心砖t 形15 y87 08 1 2 4t 6 2 空心砖t 形1 5 y 87 08 1 2 5l 卜1空心砖l 形 o 5 y8 08 1 2 6l 】- 2 空心砖l 形0 黟8 08 】 2 7l 2 一l空心砖l 形 o 5 y8 4 08 l 2 8l 2 2空心砖l 形 o 5 y8 4 08 1 2 9l 3 一l空心砖l 形 l o y 400 3 0l 3 - 2空心砖l 形1o y40o 3 ll 4 1空心砖l 形 1 5 y404 6 3 2l 4 - 2空心砖l 形l 5 y 405 0 3 3l s - 1空心砖l 形15 v44 03 9 3 4l 5 2 空心砖l 形1 5 y4 4 03 9 3 5 q m 一1砌块矩形o 5 y 4 无 3 6 q m 2砌块矩形 05 y4 无 3 7 q r 2 - 1砌块矩形 1 o y 46 02 2 3 8 q r 2 - 2砌块矩形 1 o y 46 02 2 3 9 q r 3 - l砌块矩形 15 y46 01 7 4 0 q r 3 - 2砌块矩形1 5 y4 6 01 7 6 堕室里三查堂堡主堡奎! 堕墼堡丛 目之间矛盾，不能实现，如当荷载偏心距岛为0 时遇见有预应力筋并且预应力 筋偏心距为0 的情况，就产生矛盾，所以将不可能实现的项去除。最终，确定 了试验方案，共4 0 根。具体方案见表2 4 。 2 3 试验的试件、装置设计 2 3 1 试件设计 试件砌块材料采用两种分别是k p l 粘土空心砖和小型粉煤灰混凝土空心砌 块，具体见表2 5 。 表2 5砌块材料 l 砌块材料强度尺寸( 长宽x 高) ( m i l l )产地 lk p l 粘土空心砖 m u l o2 4 0 x1 1 5 9 0江宁 i 粉煤灰混凝土空心砌块 m u 53 9 0 x1 9 0 x1 9 0 ( 壁厚3 0 ) 芜湖 试件砂浆采用m 5 混合砂浆，水泥：砂：石