洪 健

(悉地(蘇州)勘察設計顧問有限公司,江蘇蘇州 215000)

1 問題概述

圍墻作為普通圍護構件，其受力分析往往僅限于豎向受力，圍墻設計施工也以控制豎向安全性為主，而水平力作用下墻體的強度和穩(wěn)定性卻未必得到足夠的重視。但現(xiàn)實工程中，圍墻側向倒塌的事故卻時有發(fā)生，在堆料側向壓力下破壞、被大風吹倒等也是常見事故。

側向荷載作用下，圍墻是一個懸臂構件，其內力可根據(jù)靜力計算手冊公式求得。圍墻根部彎矩最大，由此產(chǎn)生的邊緣拉應力可能超過圍墻自重產(chǎn)生的壓應力，墻身作為壓彎構件應滿足GB 50003-2011《砌體結構設計規(guī)范》5.4.1條要求。即

M

(1)

對圍墻而言，可考慮扣除圍墻自重產(chǎn)生的壓應力，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力處，拉應力也不應大于受拉強度ftm。當墻體高度、風荷載(水平荷載)為定值的前提下，墻體所受荷載及內力也為定值，此時墻體斷面尺寸成為唯一的變量，對墻體截面應力的分析，即可簡化為對斷面抵抗矩W的分析。

本文分析對象為高度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)，容許拉應力[ft]為 0.17 MPa。在常規(guī)風荷載0.45 kPa(體型系數(shù)1.3)作用下，根據(jù)靜力計算手冊懸臂構件公式，墻腳彎矩Mk=1.42(kN·m)/m，墻腳自重壓應力σ，Gk=0.4MPa；無墻垛圍墻(3.6 m長)慣性矩I1=4.15×109mm4，抵抗矩W1=34.55×106mm3；帶墻垛圍墻(3.6 m長度)慣性矩I2=5.13×109mm4，抵抗矩W2=28.50×106mm3；側壓力下，無墻垛墻根部應力σ=0.148MPa；帶墻垛墻根部應力σ=0.179MPa。墻體計算數(shù)據(jù)見表1。

圖1 墻體平面(單位:mm)

表1 增加扶壁柱前后墻體內力對比

該結果顯示，增加墻垛后圍墻斷面最大拉應力比不設墻垛的拉應力有所增大，甚至可能超過砌體抗拉承載力，從而不符合式(2)要求。為此，設計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造柱的方法來爭取滿足承載力要求。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)驗相違背。以下筆者根據(jù)常規(guī)受力機理，采用不同的假定對扶壁柱在墻體內的作用進行分析。

2 問題分析

2.1 分析思路一

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

兩者依靠砌體之間的水平抗剪力協(xié)同變形，使雙方內力實現(xiàn)重分布，扶壁柱內力變形增大，普通墻段內力變形減小，最終兩者之間實現(xiàn)平衡。作用在圍墻上的側向推力，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。

以下為有限元結構分析軟件MIDAS模型計算結果，根據(jù)應力(表2)顯示，扶壁柱部分應力顯著減小，普通墻段部分應力也小于不設扶壁柱時的應力，減小約25 %,圍墻彎矩見表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，應力值偏小。但是，扶壁柱部分的應力仍然較大，仍有可能增大至砌體的抗拉極限強度。該分析思路結果與實際情況仍有一定出入。

表2 圍墻應力 kN/m2

表3 圍墻彎矩 (kN·m)/m

表4 圍墻側向變形 mm

2.2 分析思路二

針對分析思路一未解決的問題，筆者采用另外一種假設：扶壁柱外側受拉破壞開裂，但是其受壓部分仍在工作，使圍墻截面變成兩側不對稱的十字型，甚至是T型，見圖2。根據(jù)前例計算結果，扶壁柱開裂后墻體斷面發(fā)展成為T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，風荷載下最大拉應力0.137 MPa，扣除自重壓應力之后設計拉應力0.161 MPa<0.17 MPa=[ft]，滿足抗裂要求，計算結果見表5。

圖2 T形截面尺寸(單位:mm)

表5 增加扶壁柱前后墻體內力對比

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

該分析思路結果較好地解釋和扶壁柱的作用。

3 結論

由上述分析可知，按照平截面假定及式(1)、式(2)推算出的結果并不能真實反映扶壁柱在磚砌圍墻水平受力過程中的機理。扶壁柱作為墻體的加強措施，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墻體受拉破壞的可能。這也說明，結構理論分析結果需要經(jīng)過實際工程檢驗才能付諸應用。

另外，本文僅分析了尺寸360 mm×360 mm間距3.6 m布置扶壁柱的實例，根據(jù)筆者進行的相關有限元分析可知，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，對墻體的抗彎承載力影響也不同。但有一點可以肯定，扶壁柱可以分擔普通墻段的側向荷載，減小普通墻段的內力和應力，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，扶壁柱也可以提高墻體的整體剛度，提高抗傾覆性能。