在1933年美国加里福尼亚长滩大地震中，无筋砌体结构产生了严重震害，为此，美国率先推出了配筋(混凝土)砌块砌体结构体系，至今已建立了完善的配筋砌体结构系列标准[1]，且建造了大量的多层和高层配筋砌体建筑。其中一些建筑经历了强烈地震的考验，表现出良好抗震性能。
根据我国墙改节能、节土基本国策的要求，混凝土小型砌块已成为粘土砖的主要替代产品，配筋砌块砌体结构也成为目前大力推广的新型建筑结构体系。该体系是一个比钢筋混凝土结构材料组成更复杂和庞大的体系，有着从材料选择、材性、构性、结构构造、施工技术等众多要解决的课题。近年来经过多方面的努力，与之相关的技术和材料基本配置齐全，但《砌体结构设计规范》(征求意见稿)(以下简称规范征求意见稿)中，关于钢筋的锚固等构造措施部分尚缺乏足够数量的试验数据。为使即将出版的《砌体结构设计规范》更具可靠的科学依据，沈阳建筑工程学院针对灰缝、芯柱和凹槽砌块混凝土带中钢筋的锚固与搭接构造问题，共制作了71组试件，采用拉拔试验，测定其锚固承载力，为确定钢筋的锚固与搭接长度等提供试验数据，并提出了混凝土小型砌块砌体配筋构造措施设计的改进建议。
1 试验概况
1.1 试件设计
规范征求意见稿的反馈意见认为钢筋的锚固与搭接长度过大，且缺乏试验依据，为此，我们结合规范征求意见稿中的规定，针对灰缝共设计和制作灰缝试件24组，其中非灌芯配筋砌体灰缝钢筋的水平锚固试件11组，灌芯配筋砌体灰缝钢筋的水平锚固试件11组和垂直锚固试件2组。试件设计时分别考虑正应力、钢筋直径、砂浆强度等级和钢筋锚固长度等因素的影响。正应力分别为0.1 MPa、0.5 MPa、0.76 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa；选用直径Φ6.5的HRB 235级钢筋和直径Φ4的650级冷轧带肋钢筋；砂浆强度取M10、M15、M20、M25。因规范征求意见稿规定在灰缝砂浆中钢筋的锚固长度不宜小于70 D(D为钢筋直径，下同)，故对于灰缝钢筋的水平锚固(灌芯)长度取260 mm、325 mm；灰缝钢筋的水平锚固(非灌芯)长度取325 mm、390 mm；灰缝钢筋的垂直锚固长度取260 mm、325 mm；弯折段长度分别为130 mm和195 mm。
1.2 材料的基本力学性能
制作试件所用混凝土砌块强度为MU10，灌孔混凝土为DY－5系列，砂浆为DY－4系列。钢筋采用HRB 235级、HRB 335级、HRB 400级和冷轧带肋小螺纹钢650级。砂浆、灌孔混凝土和钢筋按实际预留砂浆试块、混凝土试块和钢筋试件经实测确定其力学性能指标，分别在试验结果数据表中[2]给出，钢筋的规格和力学性能见表1。
表1 钢筋实测力学指标
| 规格 |
直径/mm |
截面面积/mm2 |
屈服强度/MPa |
极限强度/MPa |
弹性模量/MPa |
延伸率/% |
| 冷轧带肋小螺纹钢650级 |
4 |
12.6 |
822.0 |
1127.0 |
2.79 ×105 |
|
| HRB235级 |
6.5 |
33.20 |
300.4 |
417.8 |
2.13×105 |
22.3 |
1.3 试验装置和测试方法
1.3.1 试验装置
所有试件均采用拉拔式加载方案，试验装置见图1。试验时将垫板、千斤顶、力传感器穿在钢筋上，再在千斤顶的两端之间架设1个位移传感器，正压力由YES－500液压式压力试验机施加。
图1 试件加载装置示意
1－垫板；2－30 t千斤顶；3－力传感器；4－夹具；5－300 mm位移传感器；6－表座及表架；7－钢筋；8－试件
1.3.2 测试方法
力的测量使用BLR－1型力的传感器，位移测量使用300 mm位移传感器。力传感器、位移传感器均由日本UCAM－70A数据采集仪记录数据。加载时，用锚具夹住钢筋，由液压千斤顶等速加载，并由UCAM－70A直接绘制试件的荷载与变形(P－△L)曲线，控制加荷直至钢筋拔出或钢筋拉断时停止加载，试验时随时监控数据和曲线情况。
2 试验结果分析
2.1 非灌芯配筋砌体中灰缝钢筋水平弯折90°锚固
灰缝钢筋的水平弯折90°锚固是指钢筋在自由端弯折90°，水平砌入灰缝中，钢筋与灰缝中砂浆接触。试件钢筋拉拔的荷载与变形(P－△L)曲线如图2。
图2 试件HF5的P－△L曲线
加荷初期试件加载端的荷载与变形(P－△L)曲线与钢筋本身的应力与应变(σ－ε)关系曲线类似。随着荷载的增大，钢筋屈服，曲线进入水平段，荷载进一步加大，钢筋进入强化阶段。此后，加载端钢筋与砂浆间产生滑移，砂浆拉裂，当加载端钢筋滑移36 mm左右时，荷载突然降低，钢筋弯折处砂浆被压碎，钢筋有拉直的趋势，加载端钢筋出现粘结破坏；继续加载，荷载有所上升，且钢筋强度再次超过屈服强度进入强化阶段，但尚未达到钢筋的极限强度，弯折段(自由端)的钢筋出现滑动，粘结强度完全丧失。大部分试件均是在钢筋屈服后，发生锚固破坏。而冷轧带肋钢筋拉拔的荷载与变形(P－△L)曲线无明显的屈服点，在钢筋应力接近极限强度时，钢筋与砂浆间被拉裂，从加载开始直至钢筋颈缩后被拉断，加载端都没有发生明显的滑移，破坏是以钢筋拉断为标志。
2.2 灌芯配筋砌体中灰缝钢筋水平弯折和垂直弯
灰缝钢筋的水平弯折90°锚固是指钢筋在自由端弯折90°，水平砌入灰缝中，芯柱中用灌孔混凝土灌实，钢筋锚固在灌孔混凝土和灰缝砂浆中；垂直弯折90°锚固是指钢筋在自由端弯折90°，弯折段锚固在芯柱混凝土中。图3给出了灰缝钢筋水平弯折90°锚固的典型试件HF－21的荷载与变形(P－△L)曲线。
图3 试件HF21的P－△L曲线
由图3可见，整个加载过程试件的荷载与变形(P－△L)曲线与钢筋本身的应力与应变(σ－ε)关系曲线类似。试验时，在钢筋屈服前，加载端的钢筋与砂浆间未产生滑移，砂浆尚未出现明显裂缝；随着荷载增加，钢筋屈服进入强化阶段，钢筋变形急剧增加，直径变小，加载端钢筋与砂浆间产生滑移，砂浆被拉裂；但从加载开始、钢筋屈服直至钢筋颈缩后被拉断，自由端(弯折段)都没有发生滑移，破坏是以钢筋拉断为标志，没有发生粘结破坏。破坏时，钢筋达到了极限强度。
2.3 正应力对粘结强度的影响
试验时，将构件放在YES－5000 kN液压压力试验机上，分别加正应力0.1 MPa、0.5 MPa、0.76 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa。
图4给出正应力对非灌芯试件强度影响的曲线。正应力对拉拔钢筋的屈服强度几乎无影响，随着正应力的提高，破坏强度随之提高，但变化幅度不大，破坏强度介于钢筋本身的屈服强度与极限强度之间。
图4 正应力对钢筋锚固强度的影响(非灌芯)
图5给出正应力对灌芯试件强度影响的曲线。正应力对拉拔钢筋的屈服强度和极限强度几乎无影响，破坏强度达到了钢筋本身的极限强度。
图5 正应力对钢筋锚固强度的影响(灌芯)
2.4 砂浆强度和钢筋外形特征的影响
从3种类型试件来看，由于灌芯试件未发生粘结破坏，从试验结果[2]可以看出，在锚固长度、钢筋直径等其它条件相同的情况下，砂浆强度M25以下的试件在钢筋屈服后均发生了粘结破坏；M30的一组试件，由于钢筋与砂浆的粘结强度较高，均未发生粘结破坏，而是钢筋被拉断。
对不灌芯的配筋砌体，在锚固长度相同的情况下，光圆钢筋的试件在钢筋屈服尚未达到极限强度均发生了破坏，而冷轧带肋钢筋虽然强度高，但大部分试件的拉拔达到了极限强度。
3 对锚固与搭接长度的建议
配筋砌体中钢筋在灰缝中的粘结问题，诸如钢筋的锚固与搭接长度，对工程设计实践十分重要。钢筋伸入支座必须有足够的锚固长度，要求通过这段长度上粘结力的积累，把钢筋锚固在混凝土或砂浆中，而不致使钢筋在未发挥作用前就被拔出。同样，钢筋的搭接接头，必须有一定的搭接长度，要求通过粘结应力传递钢筋与钢筋间的内力，以保证钢筋强度的充分发挥。为了安全，本文以拉拔钢筋达到屈服强度作为控制锚固长度的极限状态，而后期大滑移条件下强度的增长作为安全储备。根据试验结果确定锚固与搭接长度如下：
3.1 非灌芯配筋砌体
规范征求意见稿第8.4.5条中规定灰缝中钢筋的锚固长度为70 D。本次试验钢筋直径为Φ6.5，锚固长度分别取325 mm和390 mm(相当于50 D和60 D)，弯折段长度分别为130 mm和195 mm。试验结果表明，所有试件均是在拉拔钢筋屈服后发生破坏的。因此，在灰缝中锚固长度取50 D，且弯折段长度不宜小于20 D和150 mm。
3.2 灌芯配筋砌体
水平锚固和垂直锚固试验时，钢筋的锚固长度取260 mm和325 mm，相当于40 D和50 D，弯折段长度分别为130 mm和195 mm。试验结果表明，所有的试件在钢筋屈服后发生破坏的。因此，建议对灌芯试件的2种锚固方式(水平弯折90°和垂直弯折90°)锚固长度取40 D，且弯折段长度不宜小于20 D和150 mm。
3.3 小直径(≤5 mm)带肋钢筋
取260 mm和325 mm这2种锚固长度的小直径带肋钢筋试验。试验结果表明，所有试件的拉拔钢筋都是在钢筋达到极限强度后被拉断。但考虑由于钢筋强度较高和砂浆砌筑质量影响，锚固长度不宜过小，因此，建议锚固长度取为300 mm，且弯折段长度不宜小于150 mm。
由此可见，本文所建议的配筋砌块砌体钢筋的锚固与搭接长度与规范征求意见稿相比减少20 D。所建议的锚固长度是以钢筋达到屈服强度作为控制锚固长度的极限状态，而以后期大滑移条件下强度的增长作为安全储备，以保证配筋砌块砌体中钢筋强度的充分发挥。同时，试验结构试件又是采用单根钢筋的锚固与搭接拉拔试验，未考虑网状配筋，具有较大安全裕量。由于试验受时间、试件数量限制，因此对钢筋与砂浆的破坏机理，临界破坏的锚固长度还有待于进一步的研究。
参考文献
[1] Building Code Requirement For Masonry Structure(ACI－50－92/ASCE5－92/TMS402－90) America Concrete Institute－Detroit,America Society Of Civil Engineering－New York,And The Masonry Society－Boulder.1992
[2] 刘明，苑振芳.配筋砌块砌体剪力墙结构配筋构造措施的建议[A]，《砌体结构设计规范》GB 50003－XX送审报告材料.砌体结构设计规范国家标准管理组，2000.11
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