藏族民居石砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)與數(shù)值仿真

劉偉兵，崔利富，孫建剛，王 振，李 想

(大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連116605)

地震災(zāi)害是最嚴(yán)重且破壞能力最大的自然 災(zāi)害之一，它具有瞬時(shí)性、不可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn)。藏族居民群落形式主要采用聚落布局［1］形式，其民居的抗震性能較為薄弱，為了保護(hù)民族地區(qū)建筑、保障民族地區(qū)人民安全對(duì)藏族地區(qū)四川阿壩州民居建筑的石砌體進(jìn)行基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真分析，通過(guò)試驗(yàn)研究與數(shù)值仿真分析結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值仿真分析結(jié)果的合理性，進(jìn)而提取石砌體抗壓和抗彎的應(yīng)力云圖。確定出砌體結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系，為以后的整體民居模型數(shù)值仿真模擬提供是否可行的依據(jù)，為改善少數(shù)民族聚集地人民居住水平的工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 石砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)石砌體的物理力學(xué)性能試驗(yàn)均參考《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［2］(GB/T50129-2011)的要求。

1.1 石砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

石砌體試件的制作所用黃泥和石材以及工匠均來(lái)自四川省阿壩藏族羌族自治州，制作標(biāo)準(zhǔn)砌體抗壓試件尺寸為400 mm×800 mm×1200 mm(厚度 ×寬度 ×高度)。石砌體抗壓試驗(yàn)采用YAW-10000J微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)施加豎向荷載如圖1(a)，加載采用逐級(jí)加載的方式，每級(jí)荷載20 kN。

1.2 石砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

彎曲抗拉強(qiáng)度是反映砌體結(jié)構(gòu)抗彎性能的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)。砌體結(jié)構(gòu)的彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)包括沿通縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。通縫石砌體的尺寸為240 mm×240 mm×800 mm，齒縫石砌體的尺寸為240 mm×240 mm×1100 mm，采用片石砌筑，黃泥砂漿灰縫的尺寸控制在10 mm左右。試驗(yàn)采用簡(jiǎn)支梁三分點(diǎn)集中加荷的方法。試驗(yàn)過(guò)程中為克服重力影響，加載力的方向?yàn)樗郊虞d，即垂直于重力方向加載。土坯砌體抗彎試驗(yàn)的加載裝置根據(jù)試驗(yàn)室條件自行設(shè)計(jì)，試件底部墊上鋼管形成滑動(dòng)支座，頂部為自由端，將試件靠在反力架上，用千斤頂加載。采用電子位移計(jì)控制勻速連續(xù)加載，并避免沖擊。試驗(yàn)加載千斤頂、壓力傳感器和位移計(jì)布置如圖1(b)和(c)。試驗(yàn)通過(guò)預(yù)加載使加載板與試件、千斤頂與試件間充分接觸。

圖1 石砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)照片

2 石砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)值仿真

2.1 石砌體材料屬性

定義材料為DF-Concrete(石材)和Concrete(黃泥砂漿)，通過(guò)試驗(yàn)確定石材和黃泥砂漿的物理力學(xué)性能［3］，詳細(xì)指標(biāo)見表1和表2。

表1 石塊物理力學(xué)性質(zhì)表

表2 黏土砂漿物理力學(xué)性質(zhì)表

2.2 石砌體材料幾何參數(shù)

根據(jù)《砌體基本力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50129-2011)的要求，石砌體標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件、石砌體沿通縫截面彎曲抗拉試件和石砌體沿齒縫截面彎曲抗拉試件尺寸分別為400 mm×800 mm×1200 mm(厚度 ×寬度 ×高度)、240 mm×240 mm×800 mm和240 mm×240 mm×1000 mm。

2.3 單元選取及有限元模型

在 ADINA［4］中石材用 DF-Concrete模擬和黃泥砂漿Concrete模擬，為了便于對(duì)比分析，在ADINA軟件中與試驗(yàn)試件等比例建模分析，基于有限元離散隨機(jī)分布的思想［5，8］，將石砌體標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件中的石塊單元和黃泥單元按3:1進(jìn)行隨機(jī)分配，模擬石砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，模型的地面全約束，在Z方向施加位移荷載-0.002 m，石砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)Ｐ图笆暮忘S泥單元如圖2。

圖2 抗壓試件模型

石砌體沿通縫截面彎曲抗拉試件和石砌體沿齒縫截面彎曲抗拉試件則按9:1進(jìn)行隨機(jī)分配，通縫位置不進(jìn)行隨機(jī)處理，模擬石砌體彎曲抗拉試驗(yàn)。在Z方向分別施加位移荷載為-0.002 m和 -0.001 m，數(shù)值仿真石砌體彎曲抗拉試驗(yàn)?zāi)Ｐ图笆暮忘S泥單元見如圖3與圖4。

圖3 沿通縫彎曲抗拉試件模型

圖4 沿齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度試件模型

3 數(shù)值仿真與試驗(yàn)分析對(duì)比

3.1 荷載-位移曲線

石砌體力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)得和數(shù)值仿真模擬計(jì)算得出的荷載位移曲線如圖5。

圖5 石砌體力學(xué)性能試驗(yàn)中荷載-位移曲線

圖6 石砌體力學(xué)性能數(shù)值仿真中荷載-位移曲線

數(shù)值仿真模擬計(jì)算得出的荷載-位移曲線如圖6。

對(duì)比圖5(a)和6(a)可以看出石砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)曲線和數(shù)值模擬曲線均有明顯的彈性階段、彈塑性階段和軟化階段，抗壓極限強(qiáng)度試驗(yàn)值為206.91 kN，數(shù)值仿真為198.36 kN，誤差為4.13%，證明數(shù)值仿真分析結(jié)果的合理性。對(duì)比圖5(b)和6(b)、5(c)和6(c)可以看出模型同樣屬于脆性破壞，實(shí)驗(yàn)室條件下的沿通縫彎曲抗拉強(qiáng)度和沿齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度均比數(shù)值仿真下的大1-2 kN，試驗(yàn)值在實(shí)驗(yàn)室條件下收試驗(yàn)儀器設(shè)備影響較大，數(shù)值仿真為理想條件下的結(jié)果，考慮經(jīng)濟(jì)等因素可以使用數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行分析。齒縫的彎曲抗拉強(qiáng)度大于通縫的彎曲抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明縫的位置直接影響模型承載能力。石砌體抗壓發(fā)生脆性破壞主要在于隨機(jī)分布模型中，黏土砂漿與石塊形成不規(guī)則的整體，強(qiáng)度較弱的砂漿大量破壞后，導(dǎo)致石砌體構(gòu)件在超過(guò)其最大荷載值后瞬間破壞。沿通縫彎曲抗拉強(qiáng)度數(shù)值仿真分析中通縫砂漿是薄弱環(huán)節(jié)，砂漿達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度后，模型脆性破壞，承載能力急速下降。

3.2 裂縫分析

石砌體抗壓、沿通縫彎曲抗拉、沿齒縫彎曲抗拉試驗(yàn)過(guò)程中裂縫位置如圖7。

圖7 石砌體試驗(yàn)過(guò)程中裂縫分布情況

石砌體抗壓、沿通縫彎曲抗拉、沿齒縫彎曲抗拉模擬過(guò)程中裂縫位置如圖8。

圖8 石砌體仿真模擬過(guò)程中裂縫分布情況

對(duì)比圖7(a)和圖8(a)石砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與數(shù)值仿真模擬裂縫開始出現(xiàn)均在試件的中部，隨著裂縫的開展均出現(xiàn)沿試件對(duì)角線方向的貫通斜裂縫，繼續(xù)加載試件壓潰，承載能力急劇下降，試件破壞，從裂縫開展情況來(lái)看，數(shù)值仿真分析合理，可以代替試驗(yàn)研究分析，節(jié)省人力物力。圖7(b)中離試件加載位置最近的通縫黃泥砂漿處首先出現(xiàn)裂縫，隨著千斤頂繼續(xù)加載，裂縫開展至斷裂，壓力傳感器讀數(shù)降低，試件破壞，通縫破壞裂縫多為一兩條貫通裂縫。圖7(c)中石砌體沿齒縫彎曲抗拉裂縫同樣首先出現(xiàn)在彎矩較大的加載部位，沿齒縫破壞片石之間有一定的咬合力，齒縫破壞裂縫在純彎曲段有較多的細(xì)小裂縫，加載到一定程度有較大的貫通裂縫。圖8(b)(c)中數(shù)值模型裂縫均出現(xiàn)在力學(xué)性能較為薄弱的黃泥砂漿單元上，而在石材單元上裂縫出現(xiàn)的很少或者幾乎沒有裂縫。未隨機(jī)分布的通縫位置首先發(fā)生開裂，數(shù)值模擬能夠較好的模擬裂縫的開展。

3.3 有效應(yīng)力云圖

試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析結(jié)果相近，說(shuō)明數(shù)值仿真的合理性，進(jìn)而可以利用數(shù)值仿真分析有效應(yīng)力云圖如圖9。

圖9 石砌體抗壓強(qiáng)度模擬有效應(yīng)力云圖變化情況

從圖9中可以看出，有效應(yīng)力云圖變化情況和裂縫出現(xiàn)規(guī)律一致。有效應(yīng)力集中出現(xiàn)的現(xiàn)象先于裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，裂縫需要力達(dá)到材料的抗壓強(qiáng)度值才會(huì)出現(xiàn)。應(yīng)力集中的位置均在裂縫處，有效應(yīng)力變化規(guī)律同裂縫趨勢(shì)相似，能明顯看出交叉現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)石砌體力學(xué)性能試驗(yàn)曲線和數(shù)值模擬曲線均有明顯的彈性階段、彈塑性階段和軟化階段，試驗(yàn)值和數(shù)值模擬值誤差較小，數(shù)值模擬合理，可以代替試驗(yàn)值分析使用;

(2)砂漿所在位置是薄弱環(huán)節(jié)，裂縫位置大多出現(xiàn)在力學(xué)性能較為薄弱的黃泥砂漿位置上;

(3)在通縫截面和齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度模型對(duì)比中，縫的位置直接影響模型承載能力。

［1］何泉.藏族民居建筑文化研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2009.

［2］GB/T50129-2011.砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］孫建剛.藏族民居砌體材料物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，17(1):61-64.

［4］馬野，袁志丹，曹金鳳.ADINA有限元經(jīng)典實(shí)例分析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［5］SCHLANGEN E，GARBOCAI E J.Fracture simulation of concrete using lattice models:computa-tional aspects［J］.Engineering Fracture Meshanice，1997，57(2/3):319-322.

［6］DE SCHUTTER G，TAERWE L.Random particle model for concrete based on Delaunay Trian-gulation［J］.Material Structures，1993，26(153):67-73.

［7］MOHAMED A R，HANSEN W.Micromechanical modeling of crack-aggregate interaction in concrete materials［J］.Cement＆ concrete Composites，1999，21(5/6):349-359.

［8］劉光延，王宗敏.用隨機(jī)骨料模型數(shù)值模擬混凝土材料的斷裂［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1996，36(1):84-89.