砌体结构在世界范围内应用广泛，在地震中破坏相对严重。在实际工程中，砌体结构同时受到水平剪力和垂直压力的作用，使其处于剪压复合受力状态。Mann[1]将砌体剪压复合受力时的破坏形式分为三种：水平缝的滑动破坏、砂浆的拉伸破坏和砖的压坏，分别对应剪摩破坏、剪压破坏和斜拉破坏。重庆建筑大学朱希诚[2]采用静力试验的方法对砖砌体抗剪性能进行了试验研究。发现随着轴压比的增大，砖砌体抗剪强度先增加后降低至零，并将破坏过程分为三个阶段，即剪摩破坏、剪压破坏、斜压破坏，分析了不同轴压比下砌体的抗剪破坏延性。此外，还对摩尔-库伦理论加以研究并阐述其局限性，提出了含变摩擦系数的砖砌体抗剪强度计算公式。重庆建筑大学骆万康等[3-6]对砌体的剪压复合受力性能进行了动力试验研究，得出以下结论：动力试验结果与静力试验结果一致，同时证明了库伦理论和主拉应力理论对于砌体抗剪性能有一定的局限性。湖南大学吕伟荣[7-8]指出砌体的三种破坏模式不是突变的，存在过渡阶段，对砌体的破坏阶段分为剪摩-剪压破坏区段和剪压-斜压破坏区段，简化了抗剪强度计算公式。梁建国等[9]对不同砖砌体进行试验对比，研究发现通过我国标准试验方法测试的抗剪强度低于欧盟方法，为欧盟方法的80%。赵长勇等[10]对高温后烧结普通砖砌体进行研究，提出了高温后烧结普通砖砌体抗剪强度计算方法。

国内外研究者对砌体结构在常温下的抗剪性能研究较多，但对砌体结构在高温后抗剪性能的研究较少。本次试验对84个砌体试件进行了高温后的抗剪试验，分析得出不同温度、不同轴压比对普通砖砌体抗剪性能的劣化规律，给出了高温后烧结普通砖砌体剪压复合抗剪强度计算公式，为火灾后砌体墙抗剪强度计算提供依据，具有一定工程实践意义。

1、试验概况

1.1试件设计

试件采用烧结普通砖砌筑，灰缝厚度10mm左右，砂浆采用M5强度的水泥砂浆。实际工程中多层砌体结构在正常使用阶段的轴压比约为0.2～0.3[11],本次试验设置0～0.5共6个轴压比。共砌筑84个试件，施工质量等级为B级，试件设置如表1所示。砌筑完成后，置于室内浇水正常养护28d(图1(a))。将K型热电偶埋置在试件一侧的灰缝中间位置(图1(b)),试验过程中连接数据采集仪Agilent34980A测试件温度场，采样频率为5min/次。

表1试件设置

图1试件形式

1.2高温试验

试件养护完成后，将试件放置在马弗炉内进行高温试验。混凝土通常以500℃作为重度损伤界限[12],因此设置3个温度，炉温分别设定为200、400、500℃,升温速率10℃/min,达到设定温度后，恒温2h,然后试件进行自然冷却。试验装置如图2所示。

图2高温试验装置

1.3加载试验

图3试验加载装置

在完成高温试验后，如图3所示，加载装置采用YAW-5000电液伺服压力试验机，在试验机加载端中心位置固定荷载传感器，将自制的小型反力架放置在试验机平台上，反力架内用垫块将千斤顶、传感器和试件固定到相应位置，保证千斤顶和传感器处在试件轴线中心位置，保持水平。

加载之前，记录试件剪切面的尺寸，将试件立放在反力架内，固定千斤顶和传感器，保证其处在试件轴线中心位置。试验时，先施加横向荷载，使其达到设定的轴压比，再施加剪力，保持匀速连续加荷。

2、试验现象

2.1高温试验现象

由图4可以看出，随着温度的升高，砂浆灰缝颜色由深褐色渐渐变为浅黄色，砖颜色逐渐变浅。温度达到400、500℃时，试件边角砂浆松散、脱落。

图4试件高温现象

2.2加载试验现象及分析

本次试验的轴压比和砂浆强度较小，并且随温度的升高，砌体抗剪强度逐渐减小，试件出现剪摩、剪压破坏[12,16]。图5(a)、(b)为本次试验的两种破坏形式：剪摩破坏时，试件只有灰缝发生破坏；剪压破坏时，砖的表面还产生了斜裂缝。

(1)轴压比为0时，试件发生剪摩破坏，也是纯剪破坏。破坏发生在砂浆与砖块粘结界面处，中间砖沿灰缝方向发生滑动破坏，整个破坏过程表现出典型的脆性破坏。主要是单剪破坏和双剪破坏两种形式，且以单剪破坏为主。

(2)轴压比为0.1、0.2时，试件发生剪摩破坏。随着剪力的增加，中间砖块沿着砂浆灰缝发生滑移破坏，荷载达到最大时，由于横向荷载的存在，试件并没有完全破坏，继续加载，剪切荷载会慢慢减小，直至试件突然发生破坏。

(3)轴压比为0.4、0.5时，试件发生剪压破坏。随着横向荷载的进一步增大，砌体在剪压复合作用下产生贯穿灰缝并延伸至边缘砌块内的裂缝，裂缝开展方向与竖直方向大致呈45°,裂缝较少，但很明显。砌体双向受压，主拉应力方向与主应力方向夹角呈45°,当主拉应力大于抗主拉应力时，试件发生剪压破坏，表面产生45°的八字形裂缝，相比于剪摩破坏，剪力有所增大。

(4)轴压比为0.3时，试件破坏形式不一致，存在剪摩和剪压破坏两种破坏形式，是剪摩破坏到剪压破坏的过渡阶段，即剪摩-剪压破坏形式。

(5)在剪力施加过程中，中间砖有明显的滑动下移，砂浆发生变形但未完全破坏，如图5(c)所示，此时已达到最大荷载，其原因为由于横向荷载的存在，延缓了砂浆灰缝的破坏时间，继续加载，荷载会持续变小直至试件突然破坏，这个阶段为残余阶段。

图5试件破坏现象

3、试验结果及分析

3.1温度场分析

从炉温数据(图6)来看，实际升温速率与设定升温速率基本一致，马弗炉达到目标温度后，开始恒温，炉温始终在设定温度周围徘徊，上下温差不超过10℃。在升温过程中，三种温度升温曲线都出现了升温曲线平台，平台持续时间依次为30、20、15min,产生的原因为试件内部水分蒸发带走热量所导致，且温度越高，水分蒸发越快。

图6试件温度场

3.2高温后砌体抗剪强度结果

根据抗压强度设置轴压比0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5,每种温度后砌体试件最大抗压承载力和抗剪强度如表2、表3所示。

3.3高温后砌体抗剪强度分析

表4为各个温度下试件抗剪强度与纯剪时试件抗剪强度之比。图7为砌体试件抗剪强度变化趋势。

表2试件抗压承载力

(1)由图7(a)可以看出，随着轴压比的增加，试件抗剪强度逐渐增大，当轴压比超过0.3后，曲线变缓，抗剪强度增加值减小。这是由于轴压力的施加，使砖块与砂浆界面之间的摩阻力加大，且轴压比越大，其摩阻力越大，抗剪强度越高。但当轴压力过大时，在施加压应力过程中，试件已出现损伤，抗剪能力下降，所以抗剪强度增加值减小[13-14]。

(2)由图7(b)可以看出，随着轴压比的增加，砌体抗剪强度相对值增大。20℃和200℃曲线相近且相对平缓，400℃和500℃曲线相近且比较陡峭，400℃和500℃试件抗剪强度相对值远大于20℃和200℃时，分析其原因为，200℃时，砂浆并未出现较大损伤，砌体抗剪强度主要由砂浆与砖块的粘结力和轴压力提供的摩阻力组成，抗剪强度大，相对值较小；400℃时，砂浆已出现严重损伤，纯剪下砌体抗剪强度仅为0.09MPa,抗剪强度非常小，粘结作用几乎丧失，抗剪强度主要由轴压提供的摩阻力决定， 轴压比越大，摩阻力越大，相对值越大。

表3试件抗剪强度

表4抗剪强度相对值

图7抗剪强度变化趋势

3.4高温后砌体抗剪延性分析

砌体结构抗剪延性是指砌体抗剪强度达到最大荷载至荷载没有明显降低范围内的变形能力。在本次试验加载过程中，轴压比为0.1～0.5时，试件达到最大荷载，但没有完全破坏，继续加载，荷载慢慢减小，试件在二次加载过程中突然破坏。将从最大荷载下降至发生断崖式下滑荷载之前的这个过程称为残余破坏，突变的荷载称为残余荷载。由于砌体破坏时变形相对较小，难以保证其测量精度，因此砌体延性用位移所表示的精确度远没有用强度相对值高。所以本试验采用砌体的峰值抗剪强度与破坏后的残余抗剪强度的比值作为衡量砌体的抗剪延性指标。本次试验测得的各试件最大剪切荷载和残余荷载以及二者之比如表5～7所示，图8为砌体抗剪延性变化趋势。

表5最大剪切荷载平均值/kN

表6残余剪切荷载平均值/kN

表7最大剪切荷载平均值和残余剪切荷载平均值之比

(1)由表7可以看出，同一轴压比下，随着温度的增加，砌体试件延性逐渐下降，原因为高温破坏了砂浆自身的强度，也破坏了其与砖块间粘结强度，导致材料脆性增大，试件达到最大荷载时的持续时间变短，荷载突变快，会产生更严重的脆性破坏。

(2)由图8可以看出，在轴压比0.1～0.5范围内，同一温度下的试件随着轴压比增加，其延性不断增大。这是由于压应力的增加，砂浆与砖块间摩阻力增大，减缓了试件的突然性破坏。

图8不同温度后试件砌体抗剪延性分析

3.5高温后砌体抗剪性能的影响因素

(1)高温因素

高温对砌体结构产生很严重的损伤。对于水泥砂浆：高温使水泥砂浆内部胶结材料水化硅酸钙受热分解，破坏了其内部微观结构，导致砂浆强度下降；水泥砂浆和烧结砖的热膨胀系数不同，高温会破坏砂浆和砖之间的粘结强度。对于结构整体性：随着温度的升高，结构抗剪能力下降，砌体发生剪压破坏的阶段提前。

在实际工程中发生火灾时，墙的上部荷载是没有发生变化的。在本次试验中，在轴压比为0.3时，400℃和500℃对应的压应力与常温下轴压比0.2对应的压应力大致相同。以常温下相同压应力为基准，试件在400℃高温后，轴压比0.2时就可能出现剪压破坏，所以高温导致砌体剪压段提前。图9为试件在同一压应力下不同温度后抗剪强度变化趋势。

图9同一压应力、不同温度后试件抗剪强度变化趋势

(2)压应力

压应力是影响砌体结构抗剪能力的重要因素。由于压应力(轴压比)的不同，普通砖砌体将会产生剪摩破坏、剪压破坏和斜压破坏三种破坏形式。本次试验轴压比较小，只出现剪摩破坏和剪压破坏形式。剪摩破坏是当砂浆和砖之间的粘结强度不能满足抗剪强度要求时，砌体发生剪切滑移破坏，抗剪强度会随着压应力的增加而增加。剪压破坏是当砖块主拉应力大于砌体的抗拉强度时，砌体产生与竖直方向约呈45°的八字裂缝，裂缝少但较宽，抗剪强度会随着压应力的增加而趋于平稳。斜压破坏是随着轴压比及砂浆强度的进一步增加，导致试件所受的压应力占据主要部分，引起沿压应力方向的微裂缝迅速发展，接近受压破坏的性质，抗剪强度会随着压应力的增加而降低[15]。

4、高温后砌体复合抗剪强度计算

4.1高温后砖砌体纯剪强度计算公式

《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)[16]规定了常温下砌体纯剪强度公式：

式中：fv0,m为常温下砌体纯剪强度值；k5与砌体类别相关的参数，其中烧结普通砖取0.125;f2为砂浆抗压强度平均值，MPa。

采用“二次多项式”对不同温度后砂浆剩余强度相对值进行拟合，得到以温度为自变量的砂浆强度折减系数公式：

式中：Ct1为砂浆强度折减系数；f2T为高温后砂浆抗压强度；T为温度。

式(1)表明常温下砌体纯剪强度与砂浆抗压强度有关，引入高温后砂浆抗压强度折减系数，初步得到高温后砌体纯剪强度f

由式(3)计算的纯剪强度回归值与实测值的对比见表8。200℃时回归值和实测值相差不大，但400℃和500℃时差别甚大。原因为高温不仅降低了砂浆强度，而且损伤了砂浆与砖块间粘结强度。引入砂浆与砖块粘结衰减系数Ct2来表达粘结强度随温度的降低程度，为温度T的函数。

高温后砖砌体纯剪强度公式为：

由式(5)计算纯剪强度的回归值与实测值的对比见表8。实测值/式(5)值的平均值为0.991,变异系数为0.01,吻合较好。

表8高温后砖砌体纯剪强度计算值与实测值对比

4.2高温后砌体剪压复合受力抗剪强度计算公式

本次试验假定变摩擦系数μ[5-6]与温度无关，需要先把μ值表示出来。将表3中试验数据以横向压力与抗压承载力的比值N/Nu=0时的纯剪强度fv0为对比参数，常温下各轴压比对应的比值Vu/V0(砌体剪压复合抗剪强度与纯剪强度的比值，即fv/fv0)的平均值列于表9中，进行回归得Vu/V0-N/Nu剪压相关方程。

表9砌体复合抗剪强度与纯剪强度比值的实测平均值与计算值对比

将V0=fv0,mA,Vu=fv, mA,N=σ0A,Nu=fmA(σ0为不同轴压比下的压应力值，fv, m为常温下普通砖砌体剪压复合抗剪强度平均值，A为砌体剪切面面积)代入式(6),并定义砌体剪压强度比m=V0/fm=fv0,m/fm,将拟合公式(式(6))表达为含变摩擦系数的剪摩理论[2]公式：

式中μ为变摩擦系数，在《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)中定义为剪压复合受力影响系数，为随轴压比增大而减小的变数[17],μ具体取值见表10。其中m=0.090 2,故μ=0.727-0.480σ0/fm。

表10剪压复合影响系数

以纯剪强度为基数[18],假定高温后普通砖砌体剪压复合抗剪强度平均值f

式(8)建立了剪压复合抗剪强度与温度之间的关系，式(8)计算值与实测值见表11。

复合抗剪强度平均值式(8)计算值与实测值计算接近，但存在一定的误差，原因为在竖向加载剪力时，横向荷载会随着剪力的增大不能一直恒定不变，为消除这些误差，引入轴压比影响系数C3。

表11复合抗剪强度平均值式(8)计算值与实测值对比/MPa

复合抗剪强度平均值式(10)计算值与实测值如表12所示。

表12复合抗剪强度平均值式(10)计算值与实测值对比/MPa

复合抗剪强度平均值式(10)计算值与实测值误差范围在10%左右，计算可靠，式(10)为高温后普通砖砌体剪压复合抗剪强度平均值公式。具有保证率为95%的高温后砌体剪压复合抗剪强度标准值f

根据表3,变异系数δf不超过0.265,偏于安全考虑，取δf为0.27,具有保证率95%的高温后烧结普通砖砌体剪压复合抗剪强度标准值为：

5、结论

(1)200℃之前，砂浆并未出现较大损伤，砌体抗剪强度主要由砂浆与砖块的粘结力和轴压力提供的摩阻力组成。200℃之后，砂浆已出现严重损伤，砌体抗剪强度主要由轴压提供的摩阻力决定。

(2)随着温度的升高，砌体抗剪强度逐渐减小；由于轴压比的存在，砌体抗剪强度有一定提高，在本次试验中随着轴压比的增大，延性不断增大，但随着温度的升高，延性降低，脆性破坏更加严重。

(3)在实际工程中发生火灾时，荷载不变，轴压力不变，以常温下相同压应力为基准，在400℃时，试件在轴压比0.2时就可能出现剪压破坏，可以看出高温使砌体剪压段提前，结构破坏更严重。

(4)基于变摩擦系数的剪摩理论，以砌体常温下纯剪强度fv0,m为对比参数，对砌体抗剪强度相对值进行数据回归，得到普通砖砌体抗剪强度公式的μ值，提出以温度为变量的高温后砖砌体剪压复合抗剪强度计算公式。

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文章来源:周浩南,高立堂,李晓东,等.高温后烧结普通砖砌体剪压复合抗剪性能试验研究[J].建筑结构,2024,54(14):133-139.