不同砌筑方式砖墙轴压力学性能试验及承载力公式系数修正

Axial Mechanics Tests on Brick Walls of Different Masonry Types and Bearing Capacity Formula Coefficient Revision

摘要: 在我国，自建房数量极为庞大，其安全问题日益严峻。自建房常采用砖墙作为承重结构，但砌体结构形式丰富多样，这给房屋检测工作带来了诸多挑战。本文通过模拟自建房实际工况，以一眠一斗砖墙、一眠三斗砖墙、无眠空斗墙和眠墙等不同砌筑方式为参数，开展了砖墙轴向力学性能试验，并基于试验结果对砖墙承载力计算公式系数予以修正。结果表明：不同的砌筑方式对砖墙的开裂荷载、破坏荷载以及破坏形态具有较大影响，眠墙的承载能力最高，随着空斗数的增多，墙体承载能力随之降低；将修正后的系数k₁代入砖墙承载力计算公式，并与其他学者的试验结果进行比对验证，验证结果表现良好，证明了修正后公式具备较高的适用性。本研究可为自建房砖墙检测提供一定的试验与理论基础。

Abstract: In China, the number of self-built houses is extremely large, and their safety issues are becoming increasingly severe. Self-built houses often use brick walls as load-bearing structures. However, the rich and diverse forms of masonry structures bring numerous challenges to house inspection work. In this paper, by simulating the actual working conditions of self-built houses, taking different masonry methods such as one-course-of-headers-and-one-course-of-stretchers brick walls, one-course-of-headers-and-three-courses-of-stretchers brick walls, header-less cavity walls, and solid-brick walls as parameters, the axial mechanical property tests of brick walls were carried out. Based on the test results, the coefficients of the brick wall bearing capacity calculation formula were modified. The results show that different masonry methods have a significant impact on the cracking load, failure load, and failure mode of brick walls. The solid-brick wall has the highest bearing capacity. As the number of cavity spaces increases, the bearing capacity of the wall decreases. The modified coefficient k₁ was substituted into the brick wall bearing capacity calculation formula, and it was compared and verified with the test results of other scholars. The verification results are good, which proves that the modified formula has high applicability. This research can provide a certain experimental and theoretical basis for the inspection of brick walls in self-built houses.

1. 引言

随着国家的持续发展以及民众对住房需求的不断提升，我国住房建设规模迅速扩张，其中居民自建房数量众多[1]。自建房常采用砖墙作为承重结构，然而，因早期相关制度不完善，加之房屋使用过程中的不规范行为，我国出现了多起自建房安全事故，如山西临汾聚仙饭店“8∙29”重大安全事故[2]、长沙“4∙29”自建房倒塌事件[3]，这些事故给国家住房安全带来了严峻挑战。为保障自建房的安全使用，全国范围内针对自建房开展了结构安全鉴定工作。陈立[4]等人对居民自建房空斗墙砌体结构进行了检测与鉴定，通过规范计算值与实测数据的对比，验证了砌体检测计算的可行性；周水平[5]等人总结了空斗墙砌筑材料强度的检测方法及注意事项。由此可见，砌体结构的检测工作一直备受关注。然而，砌体结构形式多样，在鉴定过程中，鉴定结果可能与实际情况存在偏差。现行常用的《砌体结构设计规范》虽对砌体强度有所阐述，但缺乏针对不同砌筑方式空斗墙承载力的计算方法，这使得在鉴定不同砌筑方式的自建房时，缺少必要的依据。鉴于上述问题，本文模拟自建房实际工况，以一眠一斗砖墙、一眠三斗砖墙、无眠空斗墙和眠墙等不同砌筑方式为参数，开展轴向力学性能试验，并基于试验结果对砖墙承载力计算公式系数进行修正。本研究旨在为检测人员进行砖墙砌体抗压承载力鉴定提供理论支撑。

2. 试验概况

2.1. 构件制作

为精准模拟自建房中砖墙的实际使用状况，本文选用从现有拆除房屋中获取的普通烧结黏土砖。砖块尺寸为240 mm × 115 mm × 53 mm，实测抗压强度为11.3 MPa，依据《砌砖墙检验规则》(JC 466-92(96))评定强度等级为MU7.5。考虑到早期实际砖砌体中常用的砂浆多为强度较低的石灰砂浆[6] (强度接近0.1 MPa)，故本研究采用砌筑砂浆强度等级为M0.1，及抗压强度为0.1 MPa。本试验共设计8片墙体，墙体砌筑在1500 mm × 700 mm × 500 mm的混凝土底梁上，构件具体参数如表1所示。

Table 1. Specific parameters of components

表1. 构件具体参数

试件编号	砌筑方式	墙高(mm)	墙宽(mm)	墙厚(mm)	高厚比β
MQ-1	眠砌	1004	1001	242	4.17
MQ-2	眠砌	1005	1003	241	4.17
1M1D-1	一眠一斗	998	1003	239	4.17
1M1D-2	一眠一斗	1003	999	240	4.17
1M3D-1	一眠三斗	921	1000	240	3.83
1M3D-2	一眠三斗	924	1002	236	3.83
KD-1	无眠空斗	1003	1004	240	4.17
KD-2	无眠空斗	996	1001	243	4.17

2.2. 加载方案

在轴压力学性能试验中，采用100T千斤顶作为加载装置对墙体进行加载。为精确检测墙体变形，在墙体上共布置8个百分表。具体试验装置如图1所示，其中，1代表混凝土底梁，2为反力架，3是分配梁，4为100T千斤顶，5为力传感器，6则为墙体试件。为准确检测试件在轴向均布荷载作用下的应变，并便于描述破坏现象，将墙体的四个面分别定义为W面、E面、S面和N面。其中，S面与N面为墙的宽面，W面与E面为墙体窄面。在N面以及S面沿高、宽的1/3与2/3处的4个交点布置竖向百分表，用以测量试件竖向位移，在高1/2与宽1/3、2/3处布置水平百分表，用以测量横向位移，以及在中心点架设垂直墙面的百分表。测点布置如图2所示。

Figure 1. Schematic diagram of the loading device

图1. 加载装置示意图

Figure 2. Schematic diagram of measuring point layout

图2. 测点布置示意图

试验开始前，运用水平仪对构件实施对中操作。完成对中后，在墙体顶部均匀铺设石英砂，随后依序架设顶梁、垫板、千斤顶以及传感器。正式开展破坏试验前，先进行3次预加载，每次荷载大小设定为预估破坏荷载的10%。正式加载时，加载速率设定为每级10 kN，每级荷载施加后保持恒定2 min，之后再继续加载下一级。当出现试件垮塌，或者力传感器数据急剧回缩的情况时，判定试件达到破坏状态。

3. 试验结果与分析

3.1. 试验现象与破坏模式

Figure 3. Diagram of the wall failure mode

图3. 墙体破坏形态图

依据加载过程中墙体裂缝的出现、发展状况以及百分表数据的动态变化，可将加载进程划分为位移线性增长阶段、裂缝持续发展的损伤阶段以及最终的破坏阶段。在线性阶段，从加载起直至初裂阶段，墙体竖向位移与荷载增长呈线性关系，此阶段，墙体处于弹性工作状态，仔细观察试件表面，砖体与砂浆之间均未出现裂缝；损伤阶段，当荷载提高至极限荷载的40%~50%时，墙体顶部砂浆层率先出现细微的发丝状裂缝，随着荷载进一步加大，顶部砖块也开始断裂，在后续加载过程中，裂缝逐步向下延伸拓展，同时能清晰听到砖块陆续断裂发出的声响，这表明墙体内部结构损伤在持续加剧；破坏阶段：随着荷载增大到80%以上时，裂缝自上而下基本贯通，继续增大荷载，传感器读数迅速下降且出现砖块剥落以及墙体垮塌现象。各墙体破坏形态如图3所示。

3.2. 受压实验结果与分析

各试件受压试验结果如表2所示。由表可知，在各类墙体试件中，眠墙的开裂荷载、破坏荷载以及破坏强度均为最高，其次是一眠一斗墙和一眠三斗墙，无眠空斗墙的强度则最低。具体对比不同砌筑方式的墙体，采用一眠一斗砌筑方式的砖墙相较于一眠三斗砖墙，其开裂荷载提升幅度较小，而破坏荷载却提高12.3%；与无眠空斗墙相比，一眠一斗砖墙的开裂荷载提高了8.6%，破坏荷载提高了19.5%。由此可知，随着墙体中空斗数的增加，墙体的开裂荷载与破坏荷载均会随之下降，进而导致砖墙的承载能力相应降低。这是因为眠墙中砖与砖形成一个连续的实心整体，在承受竖向荷载时，每块砖都能有效分担受力，而随着空斗数的增加，砖墙内部空心空间增多，在受荷载时会出现受力不充分、局部破坏的现象，正如图3(e)、图3(h)所示，在破坏时，空斗墙(KD-1)和一眠三斗砖墙(1M3D-2)出现边缘砖块脱落现象，而眠墙(MQ-1)和一眠一斗砖墙(1M1D-1)的砖块依旧保持完整。

Table 2. Specific compression test results

表2. 具体受压试验结果

试件编号	开裂荷载 (kN)	平均开裂荷载 (kN)	破坏荷载 (kN)	平均破坏荷载(kN)	破坏强度 (MPa)	平均破坏强度(MPa)
MQ-1	221.4	210.7	460.6	445.4	1.92	1.86
MQ-2	200		430.2		1.79
1M1D-1	79.4	85.6	203.0	208.9	0.85	0.87
1M1D-2	91.8		214.7		0.89
1M3D-1	83.4	84.6	187.8	186.0	0.78	0.78
1M3D-2	85.7		184.1		0.77
KD-1	73	78.8	167.2	174.8	0.70	0.73
KD-2	84.6		182.4		0.76

3.3. 砖墙竖向应力–应变分析

图4为砖墙整体竖向应力–应变曲线，从图中可以看出，在初始加载阶段，应力增长速率较快，与之相比，应变增长相对迟缓，二者基本呈线性关系，此时墙体处于线弹性阶段。伴随荷载持续增加，应变增长速率逐渐加快，应力增长趋于缓慢，墙体由此进入损伤阶段。由于墙体破坏为脆性破坏，因此到达破坏阶段时，应力出现急速下降的现象。图中可以看出眠墙的峰值应变远大于各种砌筑方式的空斗墙，一眠一斗空斗墙的峰值应变大于一眠三斗和无眠空斗，这表明在空斗墙体系中，随着眠砖层数的递增，墙体的整体协同工作性能与变形能力得以增强，有效降低了墙体的脆性，湖南大学学者岳香莹也描述了相同的现象[7]。这是因为随着眠砖层数增加，墙体在承受竖向荷载时，力的传递路径更均匀，使得墙体承载能力提高；受到外力作用时，能通过眠砖与砂浆间的相对滑动、错动以及眠砖自身微小变形消耗能量，避免受力后立即发生脆性破坏。这种相对滑动和变形可在一定程度上适应外力，提升墙体延性，增强变形能力。

Figure 4. Overall vertical stress-strain curve of the brick wall

图4. 砖墙整体竖向应力–应变曲线

4. 砖墙承载力计算公式系数修正

《砌体结构设计规范》(GBJ3-88)中提出了以砌块种类、强度和砂浆强度为参数的砌体抗压强度公式，具体公式(1)如下：

$f_m=k_1{f}_1^{\alpha }\left(1+0.07f_2\right)k_2$ (1)

式中：$f_{\text{m}}$ 为砌体抗压强度平均值(MPa)；$f_1$ 为砌块的抗压强度等级或平均值(MPa)；$f_2$ 为砂浆的抗压强度平均值(MPa)；$k_1$ 为块体类别有关的参数；$\alpha$ 为与块体高度及砌体类别有关的参数；

将本研究中实测的数据代入公式(1)，经计算得出墙体抗压强度的理论值。随后，将该理论值与通过试验所获取的墙体抗压强度实测值加以对比，具体数据详见表3。

Table 3. Test values and code-specified values of the compressive strength of brick walls

表3. 砖墙的抗压强度试验值与规范值

试件编号	砌筑方式	$f_m$	$f_{m1}$	$f_m$ /$f_{m1}$	$f_{m\min }$
MQ-1	眠砌	1.282	1.919	0.668	1.792
MQ-2	眠砌	1.282	1.792	0.715
1M1D-1	一眠一斗	0.78	0.845	0.890	0.845
1M1D-2	一眠一斗	0.78	0.894	0.878
KD-1	无眠空斗	0.78	0.708	1.102	0.708
KD-2	无眠空斗	0.78	0.771	1.012
1M3D-1	一眠三斗	0.78	0.783	0.996	0.767
1M3D-2	一眠三斗	0.78	0.767	1.017

注：$f_m$ ——砖墙抗压强度理论值(MPa)；$f_{m1}$ ——砖墙抗压强度实测值(MPa)；$f_{m\min }$ ——砖墙抗压强度实测最小值(MPa)。

由表3数据可知，利用公式(1)计算得出的砖墙抗压强度理论值与实际试验测得的抗压强度实测值之间存在一定偏差。究其原因，在于公式(1)未能针对不同砌筑方式的砖墙开展细致分类。为有效提升该公式的适用性，本文对与砌块类别相关的参数k₁进行更为细致的分类取值。将表3中抗压强度实测最小值$f_{m\min }$ 代入进公式(1)，即可求得对于三种不同砌筑方式砖墙的k₁，详见表4。

Table 4. The correction value of k₁ for three masonry methods

表4. 三种砌筑方式的k₁修正值

砌体类别	砌筑方式	k1
240 mm厚砌体	一眠一斗	0.141
	一眠三斗	0.128
	无眠空斗	0.116

从表4数据能够得出，针对此三种砌筑方式的砌体，其参数k₁基本呈现出线性变化规律。依据该规律，可进一步推导一眠二斗与一眠四斗砌筑方式下的k₁值。具体推导方法为：对一眠一斗与一眠三斗砌筑方式所对应的k₁值取算术平均值，即可得到一眠二斗砌筑方式的k₁值；同理可得一眠四斗砌筑方式的k₁值。经计算，一眠二斗与一眠四斗砌筑方式的k₁值分别为0.135和0.122。至此，已获取全部不同类型砌筑砖墙修正后的k₁值，具体数据详见表5。

Table 5. The correction value of k₁ for all masonry methods

表5. 全部砌筑方式的k₁修正值

砌体类别	砌筑方式	k1
240 mm厚砌体	一眠一斗	0.141
	一眠二斗	0.135
	一眠三斗	0.128
	一眠四斗	0.122
	无眠空斗	0.116

温州大学学者李建根[8]对无眠空斗墙的抗压强度展开了研究，在此基础上本文使用上述修正公式对其进行验算并与《砌体结构设计规范》(GBJ3-88)进行比较。具体结果见表6，修正后的墙体抗压强度理论值与抗压强度实测值的误差在10%以内，表明该公式具有广泛适用性。

Table 6. Comparison between theoretical strength and code-specified strength of compressive strength

表6. 抗压强度理论强度与规范强度对比

试件编号	砌块强度(MPa)	砌筑砂浆强度(MPa)	砌筑方式	墙体抗压强度实测值$f_{m1}$ (MPa)	规范墙体抗压强度理论值$f_{m规}$ (MPa)	修正后墙体 抗压强度理论值 $f_{\text{m}修}$ (MPa)	$f_{m1}/f_{m规}$	$f_{m1}/f_{m修}$
M2.5-1	20	1.9	无眠空斗	3.6	3.95	3.52	0.911	1.02
M5.0-1		3.87		3.7	4.43	3.95	0.835	0.938
M7.5-1		5.2		4	4.76	4.25	0.840	0.941

5. 结论

1) 不同的砌筑方式对砖墙的开裂荷载、破坏荷载以及破坏形态具有较大影响，随着空斗数的增多，墙体承载能力随之降低，砖墙中随着眠砖层数的增加，墙体的整体性和变形能力有所提升，在各类墙体试件中，眠墙的开裂荷载、破坏荷载以及破坏强度均为最高，其次是一眠一斗墙和一眠三斗墙，无眠空斗墙的强度则最低。

2) 对不同砌筑方式空斗墙的与块体类别有关的参数k₁进行了修正，一眠一斗、一眠二斗、一眠三斗、一眠四斗、无眠空斗墙的k₁分别为0.141、0.135、0.128、0.122、0.116，将修正后的公式代入其他学者的试验结果进行对比验证，发现验证结果良好，说明该修正后公式具有较为广泛的适用性。