干砌撂浆砌砌挡墙抗剪强度分析

干砌撂浆砌砌挡墙抗剪强度分析

石材是最传统的建筑材料之一。石材建筑材料到处都是。许多古老的人类文明和建筑文化通过石材结构的保护继承了许多古代的人类文明和建筑文化。福建省盛产优质花岗岩石材,石结构建筑遍及东南沿海各地,具有浓厚的建筑特色和悠久的历史。根据项目组前期对厦门和泉州部分地区村镇住宅普查的结果,福建沿海不同地区农村住宅石结构所占比例分布约40%～70%,是闽东南村镇住宅的主要结构形式。由于福建省石结构建筑的结构组成特点和砌筑特点,现存的大多数石结构房屋整体性和抗震能力极差,存在“小震成灾、小震大灾”的隐患。因此,提升量大面广且抗震性能极差的石结构建筑的震灾防御能力,无疑是当前防灾形势下急迫攻克的重要课题。对于石砌体结构,特别是处在地震区的承重石砌体,其灰缝抗剪强度直接影响着结构的安全性,也是结构抗震性能好坏的重要评价指标。国内外专家学者对石砌体的抗震性能进行了一定的研究,但由于石砌体的砌筑方式存在一定地域性的差别,已有的研究报道多数存在一定的局限性,不能形成一个完整的体系。本文以闽南地区石砌体常见的干砌甩浆砌筑方式,通过试验研究石墙的通缝抗剪强度及计算方法,并在可靠度分析的基础上提出满足规范要求的石砌体通缝抗剪承载能力设计公式。1一般介绍1.1无砂混凝土试件灰缝砂浆和砌块之间的粘结强度是影响砌体结构受力性能的主要因素之一。该文共进行了25片小墙体的通缝双剪试验,试件尺寸如图1所示。试验主要参数包括砂浆强度、压应力水平,同时也考虑砌筑质量的影响。砌筑砂浆强度有1.5MPa、3.2MPa、4.1MPa、5.6MPa和9.6MPa等5种等级,压应力水平有0N/mm2、0.25N/mm2、0.6N/mm2和0.95N/mm2等4种水平。试件GW1～GW16的灰缝砂浆饱满率约为80%,试件GW17～GW25的灰缝砂浆饱满率约为68%。所有试件均由同一名熟练工人采用干砌甩浆砌筑方式砌筑而成。试件编号和具体试验参数如表1所示。1.2试验加载和加载试验加载装置如图2所示。试验采用平推加载方式以避免试验过程中翻动试件对试件造成损伤,同时为减少上下边界条件的影响,在试件的上下压板上分别加装滚轴。加载时试件中心和加载的千斤顶中心对齐,同时应保证上下钢压板与试件紧密接触。竖向荷载由电动液压千斤顶通过电动超高压稳压油泵作用于石墙的上压板,且在试验的过程中保持恒定。水平荷载通过高精度电动液压千斤顶进行加载。试验过程中采集的数据主要有水平荷载和灰缝(剪切面)的滑移。所有采集信号均通过DH3816数据采集仪自动采集。1.3抗压强度计算方法试验结果如表1所示,通过对试验结果采用双参数进行统计回归分析,可得灰缝抗剪强度计算公式如下τ=0.068√f2+0.843σn(1)τ=0.068f2−−√+0.843σn(1)式中,f2为砌筑砂浆的抗压强度平均值;σn为垂直与灰缝的压应力值。根据上述灰缝抗剪强度计算公式,对25个试件的灰缝抗剪强度进行计算,所有试件试验值与计算值之比的平均值ξave=1.02;相关系数r=0.950。可见,文中提出的干砌甩浆石墙灰缝抗剪强度计算可供该类石墙的工程设计和抗剪验算参考。2抗弯性能的上表2.1旋转构造抗力计算r石墙通缝剪切抗力的表达式为R=ΩRp⋅Rp(2)R=ΩRp⋅Rp(2)式中,R表示为石墙通缝剪切抗力;ΩRp表示石墙通缝剪切抗力计算模式的不定性系数;Rp表示石墙通缝抗剪强度计算公式。2.2可靠度指标的描述根据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001),分析结构(构件)可靠度时考虑3种常遇荷载效应组合的情况,即恒载G分别与办公楼活载L办、住宅楼面荷载L住及风荷载组合,并取三者的平均值作为最终的可靠度指标。大量文献表明,只考虑恒载G与住宅楼面活载L住的计算结果与三者的平均值较为接近,因此该文仅考虑恒载G与住宅楼面活载L住组合的情况。因此,作用效应S可表达为{S=1.2SGk+1.4SLkS=1.35SGk+0.98SLk(3){S=1.2SGk+1.4SLkS=1.35SGk+0.98SLk(3)式中,S表示构件因作用而引起的剪切效应;SGk表示由恒载引起的荷载效应标准值;SLk表示由活载引起的荷载效应标准值。2.3靠度调整系数令ρ=SLkSGk‚S=Rk=μΩRp(0.068√f2⋅Av+0.843σn⋅Av)φ(4)令ρ=SLkSGk‚S=Rk=μΩRp(0.068f2−−√⋅Av+0.843σn⋅Av)φ(4)式中,μΩRp为计算模式的不定性系数均值;Av=bh为石墙灰缝的面积;φ为可靠度调整系数。由式(4)可得:当ρ≥0.357时,SGk=Rk1.2+1.4ρ‚SLk=ρSGkSGk=Rk1.2+1.4ρ‚SLk=ρSGk当ρ<0.357时,SGk=Rk1.35+0.98ρ‚SLk=ρSGkSGk=Rk1.35+0.98ρ‚SLk=ρSGk在设计基准期内,石墙灰缝抗剪承载力极限状态方程可表达为Ζ=R-S={ΩRp(0.068√f2⋅Av+0.843σn⋅Av)-(1.2SGk+1.4SLΚ)=0(ρ≥0.357)ΩRp(0.068√f2⋅Av+0.843σn⋅Av)-(1.35SGk+0.98SLΚ)=0(ρ＜0.357)(5)Z=R−S={ΩRp(0.068f2−−√⋅Av+0.843σn⋅Av)−(1.2SGk+1.4SLK)=0(ρ≥0.357)ΩRp(0.068f2−−√⋅Av+0.843σn⋅Av)−(1.35SGk+0.98SLK)=0(ρ＜0.357)(5)3可靠性计算3.1随机变量的概率分布类型和参数统计1砂浆强度的统计石墙灰缝抗剪承载力与砂浆的强度f2有很大的关系,目前对砂浆强度的统计参数不足,因此在进行可靠度分析时,砂浆强度的统计参数采用本次试验数据统计所得,砂浆强度符合正态分布,均值系数为1.0,变异系数为0.1。2几何上的差异构件几何参数不定性,反应理论与实际构件之间几何上的差异,由文献可知,几何尺寸符合正态分布,考虑到石砌体在加工上存在更大的不确定性,其均值系数1.0,变异系数取为0.02。3统计学分析计算模式的不定性系数的确定需要大量的样本来真实反映其统计分布特征,通过对本次25个样本的统计分析,ΩRp符合正态分布,均值系数为1.02,变异系数为0.04。4活载标准值的计算由文献可知,恒载效应SGk符合正态分布,其平均值μG=1.06Gk,标准差σG=0.074Gk,其中Gk为恒载标准值。活载效应符合极值Ⅰ型分布,其分布函数如下FLi(x)=exp{-exp[x-0.287Lk0.084Lk]}fLi(x)=exp{-exp[-x-0.287Lk0.084Lk]-x-0.287Lk0.084Lk}/(0.084Lk)}(6)FLi(x)=exp{−exp[x−0.287Lk0.084Lk]}fLi(x)=exp{−exp[−x−0.287Lk0.084Lk]−x−0.287Lk0.084Lk}/(0.084Lk)⎫⎭⎬(6)式中,Lk为活载标准值;活载平均值μLi=0.336Lk,标准差σLi=0.108Lk。3.2可靠性指标描述可靠度指标可采用JC法和验算点法通过迭代计算求得,但其步骤繁琐,该文从可靠性指标的意义出发,将可靠性指标β求解描述为如下数学模型其中,g(ˉX)为极限状态方程。借助MATLAB优化工具箱,可轻松求得可靠度指标。对非正态分布变量需先进行当量正态化处理,再进行可靠性指标β求解。4为0.4.7可靠度指标图3为试件在f2=5MPa、σn=0.5MPa情况下,β与ρ的关系曲线;从图3可以看出,可靠度指标β与活载效应与恒载效应的比值ρ和可靠度调整系数φ有着重要的关系。可靠度指标β随着φ的降低而显著提高;当ρ>0.357时,可靠度指标β变化较为平缓,当ρ<0.357时,可靠度指标β随着ρ的增大而提高。当φ=0.8,ρ=0.357时,可靠度指标β为4.35,当φ=0.7,ρ=0.1时,可靠度指标β为4.26,满足文献所规定的对安全等级为二级的构件或结构,发生脆性破坏其可靠度指标应大于3.7的要求。因此该文建议石墙灰缝抗剪承载力设计公式为{Vu=(0.054√f2+0.674σn)Av(ρ≥0.357)Vu=(0.048√f2+0.59σn)Av(ρ＜0.357)(7)表2为试件在σn=0.5MPa,φ=0.8情况下,在各ρ和f2下β的计算值;表3为试件在f2=0.5MPa,φ=0.8情况下,在各ρ和σn下β的计算值。从表2和表3可以看出,在各活载和恒载效应比ρ下,可靠度指标β随f2的增大而降低,随σn的增大而提高,但提高和降低的程度均不大,说明β受f2和σn影响较小。5计算公式的可靠度分析该文进行了25片粗料石