钢板-砖砌体组合墙梁高度限制与破坏形态分析

为了更好地理解钢板-砖砌体组合托梁与上部墙体之间拱效应的组合作用。将本章试验得到的结果与文献[61]中试件L2的试验结果进行比较，见表9-2所示。试件L2与试件QL1中的组合托梁的几何尺寸相似，钢板的实测厚度为5.6mm，钢板的屈服强度为308.7MPa。

考虑到试件QL1相对试件L2在钢材屈服强度，以及底板宽度（考虑砂浆层的厚度）上的优势，可以认为试件QL1中托梁与上部墙体拱效应的组合作用基本没有发挥。因此试件QL1中整个托梁还是一个受弯为主的普通钢板-砖砌体组合梁，梁底及侧板靠近底板处钢板已受拉进入屈服阶段；受压区钢板出现明显局部屈曲。因此，在上部墙体的高跨比hw/l0≤0.25时，拱效应的组合作用可以忽略。

与试件L2相比，试件QL2、QL4的墙体高度增加，对应的空鼓荷载与极限荷载均提高较大，上部墙体的拱效应形成，托梁与墙体的组合作用开始显现。因此，托梁截面的中和轴位置向上移动，侧板上部受压范围的高度减小，侧板虽然出现空鼓，但未见较为明显的局部屈曲。即在上部墙体的高跨比hw/l0＝0.4时，拱效应的组合作用明显。

试件QL3从图9-20（c）中可以看出，托梁的钢板应变很小，相应的应力水平较低；并且钢板未出现空鼓现象。此外，试件QL3的“假定空鼓荷载”相对试件L2提高幅度不低于48％。这就说明在试件QL3中，拱效应的组合作用也很明显，但是其上部砌体破坏控制的极限荷载反而比试件L2还略低。该结果表明集中荷载作用下的钢板-砖砌体组合墙梁中的上部墙体高度应有所限制，防止发生劈裂破坏。按照斜压剪切破坏中的最小倾角55°，假设集中力到墙体边缘的距离为L1，则上部墙体的高度H应满足公式（9-1）。

H≤L1×tan（55°） 　（9-1）

因此，在集中荷载作用下的钢板-砖砌体组合墙梁中，为了使得上部墙体的拱效应充分发挥，上部墙体的高跨比应满足公式（9-2）。否则，在墙体端部应增加有效构造措施防止劈裂破坏的发生。

0.25＜hw/l0≤L1tan（55°）/l0 　（9-2）

另外，在试件QL5中，上部砌体出现了局部受压竖向裂缝破坏，这一现象与组合托梁的高跨比密切相关。在现行的《砌体结构设计规范》中，限制墙梁中托梁（钢筋混凝土构件）的高跨比不小于1/10，并且认为较大的托梁刚度对承载力、改善上部墙体的抗剪性能和托梁支座上部砌体局部受压性能是有利的；同时，也指出过大的托梁高跨比会使竖向荷载向跨中分布，而不向支座集聚，不利于组合作用充分发挥。虽然试件QL5相对试件L2的空鼓荷载与极限荷载均有很大幅度的提高，但其上部墙体的破坏形态表明此时托梁的高跨比已经过高。(www.xing528.com)

依据文献[67]关于钢梁与砖砌体墙之间产生拱效应的研究成果，上部砖砌体墙与钢梁中的应力均受到钢梁与砌体墙平面内刚度比（R）的影响。为此，针对钢板-砖砌体组合墙梁构件给出公式（9-3）来计算刚度比R。公式（9-3）中，Em是砌体墙的弹性模量（取值为1000fm且不超过20000MPa，fm是砌体的抗压强度平均值）；t是砌体墙的厚度（mm）；hw是钢板-砖砌体组合托梁上部的砌体墙高度（mm）；EI是钢板-砖砌体组合托梁的抗弯刚度。R值越大表明组合托梁的刚度越小或者上部砌体墙的高度越大，R值越小则表明托梁的刚度越大、上部砌体墙高度越小。

考虑到钢板-砖砌体组合梁中内部砖砌体对托梁抗弯刚度的贡献，采用公式（9-4）计算组合托梁的抗弯刚度。公式（9-4）中，Es是钢板的弹性模量；Is和Im分别是槽形截面钢板和内部砖砌体部分的惯性矩。

EI＝EsIs＋EmIm 　（9-4）

为了简化计算，假定内部砖砌体和外包槽形钢板能够作为一个整体协同变形。此时，内部砖砌体可以转换为等效的钢板（n＝Es/Em，见图9-23所示）。基于公式（9-3）、（9-4），可以求出试件QL1～QL5的刚度比R分别为0.91、3.72、9.68、2.76和1.07。由此可见，钢板-砖砌体组合墙梁应该有一个合理的刚度比R，如果刚度比R过大（例如试件QL3）或者过小（例如试件QL1、QL5），组合托梁与上部墙体之间均不能形成拱效应的协同工作。当刚度比R在2.76～3.72区间时（例如试件QL2、QL4），协同工作性能比较理想。对于试件QL3发生了劈裂斜裂缝，该裂缝位于离支座上部的200mm处。如果将这个200mm从墙体高度1100mm中扣除，可以把试件QL3的刚度比R调整为5.30。因此，基于本章的试验研究结果，合理的刚度比R可放宽在2.8～5.3之间。

图9-23 内部砖砌体转换为等效钢板示意

鉴于墙梁结构构件在地震作用时，其上部墙体容易开裂从而降低拱效应的作用效果。因此，本章在此不再针对墙梁的承载力计算方法展开阐述。在具体的工程实践中，可以将钢板-砖砌体组合墙梁的整体工作行为带来的承载力提高空间作为安全储备，即钢板-砖砌体组合托梁的设计建议仍按照一般的受弯构件进行设计。