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摘要 本文通过工程实践中的一个例子，提出并分析小型混凝土砌块墙体中芯柱对该体系墙片的抗震性能与未配芯柱的墙片地震剪力的不同。结果表明采用适当配置芯柱的混凝土砌块墙体地震抗剪性能得到明显提高。
关键词 混凝土砌块；芯柱；抗震； 抗剪；
the earthquake-resistance of concrete block walls by the use of core column system
LI Gen-hu 1，ZHAO Kao-zhong1，ZHANG Hong-lei 1
(1. Department of Civil Engineering, Shan dong jian zhu University , Jinan 250101，China)
Abstract In this paper, through an example in the engineering presented practice, we put forward and analysis the hollow concrete block walls with core column system.the aseismic behavior of these structures have heen studied by contrast testing.The analysis of the results show that the earthquake-resistance of concrete block walls were improved obviously by the use of core column system.
Key words: concrete block；core column；aseismicity；shear;
研究的背景和目的：
2000年6月，160多個大中城市都以政府令或通告形式，明令在住宅建设中禁止使用实心粘土砖。“禁实”带动了建筑墙体材料材质、规格的多样化发展。砌块墙体具有自重轻，施工方便，保温节能性能好，节省土地等经济效益和社会效益，应用天然或人工骨料做成小型混凝土空心砌块取代粘土砖是墙体改革的方向之一[1]。
在小型混凝土空心砌块的发展历程中，我们大部分都是将其作为自承重墙使用，但是很多时候要将其向承重结构转化。现在发展比较成熟的有无筋砌体结构、配筋砌体结构等。在无筋砌体结构中，为了充分利用小型混凝土砌块的“空心”，提高砌体结构的抗震承载力，我们在空心中灌注混凝土，形成“芯柱”。 国家对此出台了一系列的规范来指导我们进行设计。但是，在现行的规范下，芯柱配制的数量对于无筋砌体的抗震承载力影响有多大呢？我们可以结合实例以《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）为主要指导从理论上进行分析。
实例原型：
该建筑位于山东省济南市东部一片住宅小区内，属于附属的公共建筑。其采用小型混凝土砌块作为承重墙。我们选择了一面长度最大的横墙作为研究对象。此墙长度为6.8m，截面上共有空洞34个，即最多可以设置34根芯柱。每个孔洞形成芯柱截面为120mm×120mm，插筋为一级钢，直径为，灌孔的混凝土强度等级为C20。混凝土砌块尺寸为390mm×190mm×190mm，砌块强度等级为MU15，砌块砂浆强度等级为Mb5。该建筑中空心混凝土砌块样式如下图1所示：
图1：混凝土砌块分析图及实图
理论分析：
为了从理论上分析芯柱对于混凝土砌块墙体抗震性能的影响，我们分别应用下列五种情况进行分析：第一：当墙体两端各填实2孔。第二：墙体两端各填实3孔。第三：两端各填实3孔条件下中间再填实10孔。第四：全部孔洞都填实。第五：墙体不进行填实。根据现行的砌体结构设计规范进行计算分析比较，理论上得出芯柱对抗震性能的影响。
该建筑施工质量控制等级为B级，龄期为28d的以毛截面计算的各类砌体的抗剪强度设计值根据砌体规范相关条文及表格可以得到，当采用Mb5砌块砂浆时混凝土砌块抗剪强度设计值=0.06Mpa。由《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）给出的计算公式
（公式1）[2]
将数据带入公式1，易得Mpa。其中根据建筑上部传递的荷载和自身重力产生的平均压应力与砌体水平抗剪强度设计值的比例，统一采用墙体正应力影响系数取为1.25。
该横墙截面面积为1.292，其中每一根芯柱截面面积为0.0144，由现行的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）可以得到C20的混凝土抗拉强度设计值为[3]
每根钢筋截面面积为113，设计的墙体两端都有芯柱，我们根据砌体规范中抗震设计的要求，承载力抗震调整系数都取用0.9[4].
通过我们假定的四种情况，分别进行分析，主要应用规范为《砌体结构设计规范》中无筋砌体构件中混凝土砌块墙体的截面抗震承载力验算公式，抗震剪力设计值具体为：
（公式2）[2]
其中：—灌孔混凝土的轴心抗拉强度设计值，应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）采用：
—灌孔混凝土或芯柱截面总面积；
—芯柱钢筋的抗拉强度设计值；
—芯柱钢筋截面总面积；
—芯柱参与工作系数，根据《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）提供的资料采用，表格一如下：
表一：芯柱参与工作系数
注：灌孔率指芯柱根数（含构造柱和填实孔洞数量）与孔洞总数之比
当两端各填实2孔时：
灌孔率=4/34=0.12<0.15，此时，由表一可以得出=0，进而其抗震承载力计算为
当两端各填实3孔时：
灌孔率=6/34=0.18，此时，由表一可以得出=1，但是通过简单计算可以知道两端芯柱之间最大净距约为5.6m，不符合《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）中抗震要求的最大净距不大于2.0m的规定，所以在计算式我们不能考虑芯柱抗剪作用[5]。因此其抗震承载力计算式为
当两端各填实3孔条件下再在中间填实10孔时：
灌孔率=16/34=0.47，此时，由上表可以得出=1.1，芯柱之间净距的要求符合规定，考虑芯柱的抗剪作用，其抗震承载力计算式为
当全部孔洞填满时：
灌孔率=1，此时，由表一可以得出=1.15，其抗震承载力为
作为一个参照，当不进行灌孔填实时：
此时其抗震承载力全部由小型空心砌块承担。其大小同工况一相同。
综上分析，绘制成表格二如下：
表二：灌孔率对砌块墙体抗震承载力的影响
根据上述理论计算表明，每增加一根普通芯柱，大约增加6～7kN左右的抗剪承载力。当两端填实孔洞很少时，芯柱在计算中不起作用，但芯柱填实量加大后，对砂浆等级较低且正应力影响系数不大的小型混凝土砌块墙体，芯柱可以起到重要作用，甚至可以达到纯砌体抗剪承载力的两倍还要多。
结论：
在现行规范下，对灌孔砌块的研究深度还不够，因为构件的抗震承载力与很多无法量化的因素有关，数量存在“越级”现象，我们只能偏于保守的确定基本承载力。本文通过工程中的实例提炼进行理论分析，可以得出在工程实践中采用小型混凝土砌块墙体承重时，短墙将芯柱数量比例增加到25%以上，长墙芯柱数量比例增加到50%以上时，可以有效的提高混凝土砌块的抗震性能。
参考文献:
[1] 杨德健 高永孚 孙锦镖 王书祥. 构造柱-芯柱体系混凝土砌块墙体抗震性能试验研究建筑结构学报[J],2000.8 p22-p27
[2]GB50003-2001砌体结构设计规范[S]
[3] GB50010-2002混凝土结构设计规范[S]
[4] 傅传国 砌体结构 科学出版社 2005.7
[5] 刘锡荟 张鸿熙 刘经纬 用钢筋混凝土构造柱加强砖房抗震性能研究建筑结构学报[J],1991
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词 混凝土砌块；芯柱；抗震； 抗剪；
the earthquake-resistance of concrete block walls by the use of core column system
LI Gen-hu 1，ZHAO Kao-zhong1，ZHANG Hong-lei 1
(1. Department of Civil Engineering, Shan dong jian zhu University , Jinan 250101，China)
Abstract In this paper, through an example in the engineering presented practice, we put forward and analysis the hollow concrete block walls with core column system.the aseismic behavior of these structures have heen studied by contrast testing.The analysis of the results show that the earthquake-resistance of concrete block walls were improved obviously by the use of core column system.
Key words: concrete block；core column；aseismicity；shear;
研究的背景和目的：
2000年6月，160多個大中城市都以政府令或通告形式，明令在住宅建设中禁止使用实心粘土砖。“禁实”带动了建筑墙体材料材质、规格的多样化发展。砌块墙体具有自重轻，施工方便，保温节能性能好，节省土地等经济效益和社会效益，应用天然或人工骨料做成小型混凝土空心砌块取代粘土砖是墙体改革的方向之一[1]。
在小型混凝土空心砌块的发展历程中，我们大部分都是将其作为自承重墙使用，但是很多时候要将其向承重结构转化。现在发展比较成熟的有无筋砌体结构、配筋砌体结构等。在无筋砌体结构中，为了充分利用小型混凝土砌块的“空心”，提高砌体结构的抗震承载力，我们在空心中灌注混凝土，形成“芯柱”。 国家对此出台了一系列的规范来指导我们进行设计。但是，在现行的规范下，芯柱配制的数量对于无筋砌体的抗震承载力影响有多大呢？我们可以结合实例以《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）为主要指导从理论上进行分析。
实例原型：
该建筑位于山东省济南市东部一片住宅小区内，属于附属的公共建筑。其采用小型混凝土砌块作为承重墙。我们选择了一面长度最大的横墙作为研究对象。此墙长度为6.8m，截面上共有空洞34个，即最多可以设置34根芯柱。每个孔洞形成芯柱截面为120mm×120mm，插筋为一级钢，直径为，灌孔的混凝土强度等级为C20。混凝土砌块尺寸为390mm×190mm×190mm，砌块强度等级为MU15，砌块砂浆强度等级为Mb5。该建筑中空心混凝土砌块样式如下图1所示：
图1：混凝土砌块分析图及实图
理论分析：
为了从理论上分析芯柱对于混凝土砌块墙体抗震性能的影响，我们分别应用下列五种情况进行分析：第一：当墙体两端各填实2孔。第二：墙体两端各填实3孔。第三：两端各填实3孔条件下中间再填实10孔。第四：全部孔洞都填实。第五：墙体不进行填实。根据现行的砌体结构设计规范进行计算分析比较，理论上得出芯柱对抗震性能的影响。
该建筑施工质量控制等级为B级，龄期为28d的以毛截面计算的各类砌体的抗剪强度设计值根据砌体规范相关条文及表格可以得到，当采用Mb5砌块砂浆时混凝土砌块抗剪强度设计值=0.06Mpa。由《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）给出的计算公式
（公式1）[2]
将数据带入公式1，易得Mpa。其中根据建筑上部传递的荷载和自身重力产生的平均压应力与砌体水平抗剪强度设计值的比例，统一采用墙体正应力影响系数取为1.25。
该横墙截面面积为1.292，其中每一根芯柱截面面积为0.0144，由现行的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）可以得到C20的混凝土抗拉强度设计值为[3]
每根钢筋截面面积为113，设计的墙体两端都有芯柱，我们根据砌体规范中抗震设计的要求，承载力抗震调整系数都取用0.9[4].
通过我们假定的四种情况，分别进行分析，主要应用规范为《砌体结构设计规范》中无筋砌体构件中混凝土砌块墙体的截面抗震承载力验算公式，抗震剪力设计值具体为：
（公式2）[2]
其中：—灌孔混凝土的轴心抗拉强度设计值，应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）采用：
—灌孔混凝土或芯柱截面总面积；
—芯柱钢筋的抗拉强度设计值；
—芯柱钢筋截面总面积；
—芯柱参与工作系数，根据《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）提供的资料采用，表格一如下：
表一：芯柱参与工作系数
注：灌孔率指芯柱根数（含构造柱和填实孔洞数量）与孔洞总数之比
当两端各填实2孔时：
灌孔率=4/34=0.12<0.15，此时，由表一可以得出=0，进而其抗震承载力计算为
当两端各填实3孔时：
灌孔率=6/34=0.18，此时，由表一可以得出=1，但是通过简单计算可以知道两端芯柱之间最大净距约为5.6m，不符合《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）中抗震要求的最大净距不大于2.0m的规定，所以在计算式我们不能考虑芯柱抗剪作用[5]。因此其抗震承载力计算式为
当两端各填实3孔条件下再在中间填实10孔时：
灌孔率=16/34=0.47，此时，由上表可以得出=1.1，芯柱之间净距的要求符合规定，考虑芯柱的抗剪作用，其抗震承载力计算式为
当全部孔洞填满时：
灌孔率=1，此时，由表一可以得出=1.15，其抗震承载力为
作为一个参照，当不进行灌孔填实时：
此时其抗震承载力全部由小型空心砌块承担。其大小同工况一相同。
综上分析，绘制成表格二如下：
表二：灌孔率对砌块墙体抗震承载力的影响
根据上述理论计算表明，每增加一根普通芯柱，大约增加6～7kN左右的抗剪承载力。当两端填实孔洞很少时，芯柱在计算中不起作用，但芯柱填实量加大后，对砂浆等级较低且正应力影响系数不大的小型混凝土砌块墙体，芯柱可以起到重要作用，甚至可以达到纯砌体抗剪承载力的两倍还要多。
结论：
在现行规范下，对灌孔砌块的研究深度还不够，因为构件的抗震承载力与很多无法量化的因素有关，数量存在“越级”现象，我们只能偏于保守的确定基本承载力。本文通过工程中的实例提炼进行理论分析，可以得出在工程实践中采用小型混凝土砌块墙体承重时，短墙将芯柱数量比例增加到25%以上，长墙芯柱数量比例增加到50%以上时，可以有效的提高混凝土砌块的抗震性能。
参考文献:
[1] 杨德健 高永孚 孙锦镖 王书祥. 构造柱-芯柱体系混凝土砌块墙体抗震性能试验研究建筑结构学报[J],2000.8 p22-p27
[2]GB50003-2001砌体结构设计规范[S]
[3] GB50010-2002混凝土结构设计规范[S]
[4] 傅传国 砌体结构 科学出版社 2005.7
[5] 刘锡荟 张鸿熙 刘经纬 用钢筋混凝土构造柱加强砖房抗震性能研究建筑结构学报[J],1991
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。