秸秆混凝土复合板轴压承载力分析

秸秆混凝土复合板轴压承载力分析摘要-秸秆混凝土复合板属于密肋壁板结构的一种，其承载力的计算是墙体能够进一步应用的前提。

国内对竖向荷载作用下密肋复合墙体的的轴向承载力研究已不在少数，但是由于密肋结构体系中的填充砌块性质差异较大，已有研究的理论是否广泛适应尚待研究。

本文以秸秆混凝土复合板轴压承载力试验数据为依据，讨论了已有的两种计算公式的准确性和实用性。

在目前计算密肋复合墙体轴压承载力的公式的基础上，充分考虑到了试验中植物纤维砌块相对于混凝土抗压强度的影响因素，提出了绿色节能复合墙体轴心受压承载力计算公式。

此计算公式具有较高的精确度，并能适应于密肋结构墙体的计算。

为绿色节能复合墙体的应用提供了理论依据。

关键词-秸秆混凝土复合板，弹性地基梁法，轴压承载
analysis of axial compression bearing capacity of straw concrete composite board
sun danyue
jilin forestry investigate and design institute, changchun 130022
abstract-straw concrete composite board is a type of multi-ribbed slab structure, the calculation of its bearing capacity is the precondition of application. in china, there are not a few researches on axial compression bearing capacity of multi-ribbed slab under vertical load, but due to the
diversity of the property of block which fill in the
multi-ribbed slab structure, the problem that if the existing theory adapt to all application is uncertain. this paper is based on the experimental data of axial compression bearing capacity of straw concrete composite board, compared the accuracy and availability of two existing computational formula. on the basis of existing computational formula of axial compression bearing capacity of multi-ribbed slab, considering the influencing factor of plant fiber block for compressive strength of concrete, this paper put forward the computational formula of axial compression bearing capacity of green and energy conservation composite wall. this computational formula is more accurate, and can be apply to calculation of multi-ribbed slab structure, provide theoretical foundation for the application of green and energy conservation composite wall.
keywords-straw concrete composite board, elastic foundation beam method, axial compression bearing capacity 中图分类号： tg335.81文献标识码a 文章编号：
0引言
密肋复合墙体结构住宅体系是适应我国墙体改革及住宅产业化要求的产物。

作为主要承力构件的密肋复合墙体不仅起围护、分隔
空间和保温作用, 而且可作为承力构件使用, 从而可有效减小框
架截面尺寸及配筋量, 降低结构经济指标。

密肋复合墙体主要以截面及配筋较小的混凝土框格为骨架，内嵌以炉渣、粉煤灰等工业废料为主要原料的轻质砌块预制而成[1]。

密肋复合墙板结构构造如图1所示。

绿色节能复合墙板是以截面尺寸和配筋较小的钢筋混凝土为骨架，内嵌植物纤维水泥砌块。

植物纤维水泥砌块是利用北方农村常见的玉米秸秆为保温和增强材料，以水泥为粘合剂加上添加剂经蒸压而成。

玉米秸秆中的植物纤维成分与其它轻骨料性质差别明显，利用玉米秸秆制成的砌块有着良好的韧性，并具有一定的强度[2]。

因此植物纤维砌块具有质量轻、保温好、墙体薄等优点，符合节能环保的要求，绿色节能复合墙体的应用将会极大地推动农村建设产业化发展。

图1 密肋复合墙板结构构造示意图
fig.1 the diagram of multi-ribbed wal
绿色节能复合墙体作为密肋壁板结构的一种新型承力构件，其承载力的计算是墙体能够进一步应用的前提，而墙体承载力的计算就需要参考规范的公式。

国内对竖向荷载作用下密肋复合墙体的的轴向承载力研究已不在少数，但是由于密肋结构体系中的填充砌块性质差异较大，已有研究的理论是否广泛适应尚待研究。

本文将对已有的几种典型轴压承载力计算方法展开介绍并与试验值进行对
比，并归纳总结出适合本模型的实用轴压承载力计算公式，为实际工程应用提供依据。

1 绿色节能复合墙板竖向承载力试验数据
1.1墙体试验
试件制作包括墙体骨架绑制、砌块预制和整体浇注三大部分。

一榀墙有16个肋格，尺寸为：300×300×100，并制作材性试验用的立方体和棱柱体试块若干。

养护后备用，虽然采用的硫铝酸盐水泥是早强水泥，为了保证强度，还是选择适当延长养护时间到一周[3,4]。

1.2墙体试验结果
在竖向荷载作用下，墙体裂缝首先出现在墙体上部填充砌块中，然后砌块中裂缝会沿竖向及斜向延伸及变宽，并向周围肋梁肋柱发展，随着荷载继续增加，肋梁肋柱中将出现贯通裂缝并延伸入外框梁和柱，同时砌块与肋柱及墙体与外框柱交接处出现通缝，最后以肋柱及外框混凝土被压坏和钢筋屈服，此时认为试件破坏[5]。

经试验测得墙体的极限荷载为950kn，墙体的开裂荷载为620kn；极限状态下墙体最大位移出现在墙体中间位置。

试验中绿色节能复合墙体的正截面轴心受压破坏是由肋柱及外框柱混凝土达到材料
强度而引起的，因此，墙体破坏形式为材料破坏。

2弹性地基梁法
2.1基本假设
弹性地基梁的各点都支承在弹性地基上，因而可使梁的变形减
少、刚度提高及内力降低。

试件塑性不明显，故可以运用弹性理论为作为此阶段的分析理论[6]。

模型假定如下：植物纤维砌块作为弹性材料有较好的弹性变形能力；将暗梁形象地简化成为弹性地基梁，而墙体作为弹性地基。

日莫契金[7]提出，当竖直荷载或者力偶作用到弹性地基梁时，将弹性地基梁分段后并在每段中添加适量的竖直方向弹性支座此时的弹性地基梁就简化成为了连续梁，而力法和混合法都可以作为这种连续梁的求解方法。

根据日莫契金计算的经验，对本试验的绿色节能复合墙体划分3种弹性支座，也即移动约束：边框柱跟与之相邻的肋柱简化为一种弹性支座，刚度记为；中间各肋柱简化为刚度为的弹性支座；每块植物纤维砌块都简化为一个刚度为的弹性支座；考虑到边框柱对暗梁的的约束作用，将这个作用简化成弹性转动约束，转动刚度为，模型见图2。

本次分析将采用混合法求解带有弹性转动约束的弹性连续梁[8]。

图2 墙体简化模型
fig.2 simplified model of wall
2.2模型的弹性力学分析
图3 计算模型
fig 3calculation model
图3为本试验绿色节能复合墙体的简化力学模型。

简化后的弹性连续梁由3种11个弹性支座，类型及刚度分别为：移动约束、、，转动约束。

在计算中，为了防止混淆刚度，将竖向移动约束刚度统一记作(i=1,2,…,n)，转动约束刚度为(j=n…n)。

在分析过程中，将离散化处理的竖向均布荷载转换成集中荷载，能极大地减少计算量，从而使分析简化。

步骤如下：将简化后的弹性连续梁一端固定，并添加相应的线位移以及角位移，记为和，并记各弹性支座处的虚力为(i=1,2,…,n)，弹性方程中共有n+2个未知量。

由力与力矩平衡条件得到弹性连续梁的平衡方程[9]：
根据变形协调条件可以得到：
墙体暗梁端部转角较小的时候，可以用代替进行计算。

由方程(1)~ (4)可得到如(5)所示的力学方程：
方程中各参数：
—在虚拟单位力作用下方向的位移；
—外荷载，作用下方向的位移；
的计算与约束的性质有关，具体分类如下：
若，皆为移动约束弹簧：
若，皆为转动约束弹簧：
若为移动约束弹簧，为转动约束弹簧：
若为移动约束弹簧，为转动约束弹簧：
当为移动约束弹簧，
当为转动约束弹簧，
通过各方程联立求解，得到的支座反力便可得到绿色节能复合墙体的中作为主要受力构件的各柱的轴力。

2.3 计算结果
a边框柱试验与计算对比图
a the comparison of experimental and calculation of frame column
b中肋柱试验与计算对比图
b the comparison of experimental and calculation of middle column
图4 墙体承力构件承担荷载试验与计算结果
对比图
fig.4 comparison of experimental and calculation results of the bearing part of the wall
由以上两图的对比可以发现，运用弹性地基梁法计算所得绿色节能复合墙体肋柱的承载力与实验所得结果相差不大，误差控制在6%以内，说明此算法具有较高的精确度。

但是此算法的计算过程较为繁琐，而且容易出错，所以，在实际计算中很少采用这种方法，计算轴压承载力的公式也随后被提出。

3密肋复合墙体轴心受压承载力计算公式
3.1轴压承载力公式
参考密肋板规程[10]以及先前学者的研究[11]，目前计算密肋复合墙体轴压承载力的公式为：
其中：
——填充砌块对复合墙体轴心受压承载力的提高系数，在应用最小二乘法进行曲线拟合后，得到：，其中为柱面积率；
——复合墙体稳定系数，参考
、——边框柱、肋柱混凝土轴心抗压强度设计值；
、——边框柱、一根肋柱的截面面积；
、——边框柱、一根肋柱截面中纵向钢筋抗压强度设计值；
、——边框柱、一根肋柱纵向钢筋截面面积。

由公式(6)可知，计入计算的各截面面积(主要是各柱截面面积)对墙体承载力的影响比较大，在墙体尺寸一定的情况下，柱面积率越大，承载力越高，而研究也证明，此时的墙体的稳定系数也会更高。

3.2 计算结果
按照公式(6)，需提供以下数据：柱子混凝土轴心抗压强度，由于绿色节能复合墙体混凝土的强度等级统一取为c25，故、=16.9，每根边框柱及肋柱的截面面积分别为1×104，5×103；一根边框柱中钢筋抗压强度设计值为458，钢筋截面面积113.04，一根肋柱中钢筋抗压强度设计值为598，钢筋截面面积50.24。

填充砌块的提高系数=1.49-0.865×(2×1×104+5×5×
103)/1650×100=1.25；
墙体稳定系数=0.89+11.6/(1.452)=0.95。

计算得到的墙体承载力为802.2，与试验值950差距较大，而且出现了计算值小于试验值得现象，误差百分比高达18%，这说明以前多采用的的承载力公式并不适应于本试验的绿色节能复合墙体，而要得到精确值，必须对各项系数进行仔细调整。

4 绿色节能复合墙体的轴压承载力计算公式
以上介绍的两种计算方法各有利弊，经过对分析后，我们将对绿色节能复合墙体的轴压承载力公式进行调整并进行数据对比。

由试验以及有限元分析可知绿色节能复合墙体轴心受压承载力的计算，需要综合考虑墙体组成材料中混凝土、植物纤维砌块以及
竖向钢筋各构件的贡献。

而研究也证明，计入竖向应力因材料弹性模量不同而分布不均的影响，并考虑一定的安全裕度，提出轴心受压承载力计算的表达式。

实际试验中，我们知道砌块与混凝土直接接触，严格地说，砌块对混凝土的承载力提高最直接，因此考虑将公式中的影响系数只赋予混凝土。

参考公式(6)，仍然考虑墙体稳定系数以及植物纤维砌块对墙体的提高系数，改后的公式会更加符合实际并且安全系数更高。

绿色节能复合墙体轴心受压承载力计算按下列公式计算：
(7)
式中——墙体轴向压力设计值；
——填充砌块对墙体抗压承载力的影响系数，其中
；
，——填充砌块，混凝土立方体强度标准值，
，——填充砌块，混凝土截面面积；
——墙体肋柱混凝土轴心抗压强度设计值；
——钢筋抗压强度设计值；
——墙体内混凝土肋柱、中间连接柱及边框柱的截面面积之和；
——贯通竖向钢筋（包括连接柱和外框柱）的面积之和；
——墙体稳定系数，其取值按下式：
，为墙体的高厚比。

公式(7) 中在考虑填充砌块对墙体的影响系数时，充分考虑到了试验中植物纤维砌块相对于混凝土抗压强度的比例关系，并以其
相应截面面积承担荷载的比值表现出来，在综合实际等因素的情况下，赋予系数0.4。

另外，参照《河北省密肋板规程》，取值为1.8以内，考虑到植物纤维砌块的特殊性能等多方面因素，本公式
中>1.4时，取=1.4。

5 结果分析
计算中各项取值情况见2.3中的数值，另外加入植物纤维砌块的抗压强度6.5。

运用公式(7)得到的绿色节能复合墙体的轴压承载力值为1004.4，与试验室较为接近。

所给计算公式计算结果有些偏高，但是考虑到实际墙体计算两侧边有墙体拉接，因此，墙体竖向承载力总的计算结果应该具有可靠性。

产生了5.7%的误差也有试件的制作缺陷以及试验中出现的微偏心这些因素的影响，结果分析表明：公式(7)具有较高的精确度，并能适应于密肋结构墙体的计算。

参考文献：
[1]姚谦峰, 黄炜.密肋复合墙体受力机理及抗震性能试验研究[j].建筑结构学报, 2004( 12) .
[2]肖力光等.秸秆环保节能材料性能的研究.吉林建筑上程学
院学报[j] .2008(6).
[3]于莹.秸秆混凝土轻钢组合墙体研究.吉林建筑工程学院硕
士学位论文.2010
[4]蔡四维.弹性地基梁解法.上海：上海科学技术出版社,1962：58-60
注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。