扶壁柱在砌體圍墻中的作用初探

洪 健

(悉地(蘇州)勘察設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司,江蘇蘇州 215000)

1 問(wèn)題概述

圍墻作為普通圍護(hù)構(gòu)件，其受力分析往往僅限于豎向受力，圍墻設(shè)計(jì)施工也以控制豎向安全性為主，而水平力作用下墻體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性卻未必得到足夠的重視。但現(xiàn)實(shí)工程中，圍墻側(cè)向倒塌的事故卻時(shí)有發(fā)生，在堆料側(cè)向壓力下破壞、被大風(fēng)吹倒等也是常見(jiàn)事故。

側(cè)向荷載作用下，圍墻是一個(gè)懸臂構(gòu)件，其內(nèi)力可根據(jù)靜力計(jì)算手冊(cè)公式求得。圍墻根部彎矩最大，由此產(chǎn)生的邊緣拉應(yīng)力可能超過(guò)圍墻自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力，墻身作為壓彎構(gòu)件應(yīng)滿足GB 50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.4.1條要求。即

M

(1)

對(duì)圍墻而言，可考慮扣除圍墻自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力，將公式修改為

M/W-σG

(2)

根據(jù)公式的要求，受彎斷面在最大拉應(yīng)力處，拉應(yīng)力也不應(yīng)大于受拉強(qiáng)度f(wàn)tm。當(dāng)墻體高度、風(fēng)荷載(水平荷載)為定值的前提下，墻體所受荷載及內(nèi)力也為定值，此時(shí)墻體斷面尺寸成為唯一的變量，對(duì)墻體截面應(yīng)力的分析，即可簡(jiǎn)化為對(duì)斷面抵抗矩W的分析。

本文分析對(duì)象為高度2.2 m圍墻，240 mm厚磚墻、墻垛尺寸360 mm×360 mm，間距3.6 m(圖1)，容許拉應(yīng)力[ft]為 0.17 MPa。在常規(guī)風(fēng)荷載0.45 kPa(體型系數(shù)1.3)作用下，根據(jù)靜力計(jì)算手冊(cè)懸臂構(gòu)件公式，墻腳彎矩Mk=1.42(kN·m)/m，墻腳自重壓應(yīng)力σ，Gk=0.4MPa；無(wú)墻垛圍墻(3.6 m長(zhǎng))慣性矩I1=4.15×109mm4，抵抗矩W1=34.55×106mm3；帶墻垛圍墻(3.6 m長(zhǎng)度)慣性矩I2=5.13×109mm4，抵抗矩W2=28.50×106mm3；側(cè)壓力下，無(wú)墻垛墻根部應(yīng)力σ=0.148MPa；帶墻垛墻根部應(yīng)力σ=0.179MPa。墻體計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 墻體平面(單位:mm)

表1 增加扶壁柱前后墻體內(nèi)力對(duì)比

該結(jié)果顯示，增加墻垛后圍墻斷面最大拉應(yīng)力比不設(shè)墻垛的拉應(yīng)力有所增大，甚至可能超過(guò)砌體抗拉承載力，從而不符合式(2)要求。為此，設(shè)計(jì)人員往往采用增大扶壁柱尺寸、減小扶壁柱間距，甚至采用鋼筋混凝土構(gòu)造柱的方法來(lái)爭(zhēng)取滿足承載力要求。這是否意味著增加扶壁柱后，墻體的抗彎性能反而降低。這與工程常理不相符，也與多年形成的工程經(jīng)驗(yàn)相違背。以下筆者根據(jù)常規(guī)受力機(jī)理，采用不同的假定對(duì)扶壁柱在墻體內(nèi)的作用進(jìn)行分析。

2 問(wèn)題分析

2.1 分析思路一

將普通墻身和扶壁柱分別作為隔離體獨(dú)立分析，兩者分擔(dān)的單位長(zhǎng)度水平荷載及墻底彎矩均相等，而單位長(zhǎng)度扶壁柱的抵抗矩遠(yuǎn)大于單位長(zhǎng)度的普通墻段，因此彎矩對(duì)扶壁柱產(chǎn)生的變形和拉應(yīng)力應(yīng)遠(yuǎn)小于普通墻段。

兩者依靠砌體之間的水平抗剪力協(xié)同變形，使雙方內(nèi)力實(shí)現(xiàn)重分布，扶壁柱內(nèi)力變形增大，普通墻段內(nèi)力變形減小，最終兩者之間實(shí)現(xiàn)平衡。作用在圍墻上的側(cè)向推力，并非按照各自寬度分別分配到扶壁柱和普通段，在墻腳彎矩作用下，圍墻斷面也不符合理想的平截面假定。

以下為有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS模型計(jì)算結(jié)果，根據(jù)應(yīng)力(表2)顯示，扶壁柱部分應(yīng)力顯著減小，普通墻段部分應(yīng)力也小于不設(shè)扶壁柱時(shí)的應(yīng)力，減小約25 %,圍墻彎矩見(jiàn)表3。從變形(表4)還可以看出，扶壁柱與普通墻段的變形基本一致，扶壁柱變形略小。因此和表1數(shù)據(jù)相比，應(yīng)力值偏小。但是，扶壁柱部分的應(yīng)力仍然較大，仍有可能增大至砌體的抗拉極限強(qiáng)度。該分析思路結(jié)果與實(shí)際情況仍有一定出入。

表2 圍墻應(yīng)力 kN/m2

表3 圍墻彎矩 (kN·m)/m

表4 圍墻側(cè)向變形 mm

2.2 分析思路二

針對(duì)分析思路一未解決的問(wèn)題，筆者采用另外一種假設(shè)：扶壁柱外側(cè)受拉破壞開(kāi)裂，但是其受壓部分仍在工作，使圍墻截面變成兩側(cè)不對(duì)稱的十字型，甚至是T型，見(jiàn)圖2。根據(jù)前例計(jì)算結(jié)果，扶壁柱開(kāi)裂后墻體斷面發(fā)展成為T(mén)形之后，每3.6 m墻段截面慣性矩I3=4.625×109mm4，抵抗矩W3=37.4×106mm3，風(fēng)荷載下最大拉應(yīng)力0.137 MPa，扣除自重壓應(yīng)力之后設(shè)計(jì)拉應(yīng)力0.161 MPa<0.17 MPa=[ft]，滿足抗裂要求，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

圖2 T形截面尺寸(單位:mm)

表5 增加扶壁柱前后墻體內(nèi)力對(duì)比

即使扶壁柱部分開(kāi)裂，此時(shí)的T型斷面 抵抗矩仍大于普通圍墻抵抗矩。如此可以說(shuō)，當(dāng)扶壁柱受拉端受拉開(kāi)裂后，普通墻段處墻體應(yīng)力還很小，不足以產(chǎn)生整體性破壞，扶壁柱對(duì)圍墻整體是有利的。扶壁柱突出于墻體兩側(cè)，其目的就是為了承受來(lái)自墻面兩側(cè)方向可能的水平作用。

該分析思路結(jié)果較好地解釋和扶壁柱的作用。

3 結(jié)論

由上述分析可知，按照平截面假定及式(1)、式(2)推算出的結(jié)果并不能真實(shí)反映扶壁柱在磚砌圍墻水平受力過(guò)程中的機(jī)理。扶壁柱作為墻體的加強(qiáng)措施，可以有效改善墻體受力性能，而不存在增加扶壁柱反而促進(jìn)墻體受拉破壞的可能。這也說(shuō)明，結(jié)構(gòu)理論分析結(jié)果需要經(jīng)過(guò)實(shí)際工程檢驗(yàn)才能付諸應(yīng)用。

另外，本文僅分析了尺寸360 mm×360 mm間距3.6 m布置扶壁柱的實(shí)例，根據(jù)筆者進(jìn)行的相關(guān)有限元分析可知，不同尺寸及間距的扶壁柱與普通墻段之間協(xié)同工作的性能有所不同，對(duì)墻體的抗彎承載力影響也不同。但有一點(diǎn)可以肯定，扶壁柱可以分擔(dān)普通墻段的側(cè)向荷載，減小普通墻段的內(nèi)力和應(yīng)力，作為普通墻段的彈性支座，提高墻體斷面的抗彎承載力。同時(shí)，扶壁柱也可以提高墻體的整體剛度，提高抗傾覆性能。