類磚混生土結(jié)構(gòu)及其砌體抗壓強(qiáng)度理論研究

吳永誠,王朝暉,曾佑?xùn)|,孟祥武,2

(1.蘭州理工大學(xué) 設(shè)計藝術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州　730050;2.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院,陜西 西安　710055)

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類磚混生土結(jié)構(gòu)及其砌體抗壓強(qiáng)度理論研究

吳永誠1,王朝暉1,曾佑?xùn)|1,孟祥武1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 設(shè)計藝術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州730050;2.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院,陜西 西安710055)

對生土結(jié)構(gòu)概念和生土磚砌體受力分析進(jìn)行研究,提出類磚混生土結(jié)構(gòu)的基本概念和設(shè)計內(nèi)容及其生土磚砌體的組成,建議生土磚砌體中磚漿的抗壓強(qiáng)度等級。研究生土磚砌體抗壓強(qiáng)度的理論計算,對磚砌體破壞理論包絡(luò)線的H.K.Hilsdorf斜線公式進(jìn)行分析,推導(dǎo)出磚砌體破壞理論包絡(luò)線的二次曲線公式。二次曲線類似于雙曲線形狀,其計算值較理論包絡(luò)線的斜線公式計算值更接近磚砌體破壞時的實際值。經(jīng)理論計算和比較,生土磚砌體的整體受力表現(xiàn)明顯高于燒結(jié)磚砌體的受力表現(xiàn)。

類磚混生土結(jié)構(gòu);砌體強(qiáng)度;理論計算;二次曲線

生土建筑就地取材,易于施工,造價低廉,冬暖夏涼,節(jié)省能源,而且融于自然,有利于環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡。在人們普遍關(guān)注生態(tài)危機(jī)、能源危機(jī)、環(huán)境污染的今天,這種建筑依然有強(qiáng)大的生命力[1]。改變生土結(jié)構(gòu)缺陷的研究一直是建筑結(jié)構(gòu)工作者努力的目標(biāo)。

在生土結(jié)構(gòu)中,生土墻是核心的受力構(gòu)件。近些年,許多學(xué)者對生土墻體的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,用來改善生土結(jié)構(gòu)的自身缺陷。王毅紅等[2]采用不同的砌筑方式制作了4個土坯砌體抗壓試件,對試件進(jìn)行了加載實驗,研究試件受力過程、破壞形態(tài)和荷載位移曲線,并和磚砌體受力做對比,分析影響土坯砌體承載力和變形性能的因素。阿肯江·托呼提等[3]參照砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了土坯及土坯砌體、改性土坯砌體的抗壓強(qiáng)度試驗,分析了土坯、灰漿強(qiáng)度、砌筑質(zhì)量和試驗方法對土坯砌體抗壓強(qiáng)度的影響,提出了抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的簡化計算公式。曹耿等[4,5]通過土坯砌體單軸抗壓試驗研究,得到其荷載位移曲線,采用回歸分析,運用應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征點推得其本構(gòu)關(guān)系中特征參數(shù),確定了單軸受壓本構(gòu)關(guān)系,同時將可靠度理論分析運用到生土建筑結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計中。焦春節(jié)等[6]、房彥山等[7]對傳統(tǒng)和改性土坯砌體進(jìn)行了抗剪性能實驗,通過實驗研究了其破壞過程和破壞特征,并分析影響土坯墻抗剪性能的因素,提出了傳統(tǒng)和改進(jìn)土坯墻抗剪承載力的計算公式。尚建麗[8]在材料研究的基礎(chǔ)上,對夯土混合結(jié)構(gòu)提出準(zhǔn)剛性方案的設(shè)計概念,提出夯土墻體結(jié)構(gòu)可采用的兩種設(shè)計方法,給出夯土承重墻體抗壓承載力計算表達(dá)式和關(guān)鍵參數(shù)。陸承鐸[9]在對汶川地震災(zāi)區(qū)的磚混結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件進(jìn)行震害分析后,指出土坯墻結(jié)構(gòu)的房屋在受到地震力作用時,穩(wěn)定性較差,并提出了一系列的抗震加固措施和修復(fù)意見。

從上述研究可以看出,針對生土結(jié)構(gòu)的研究大多集中在原有生土墻體構(gòu)件的力學(xué)性能方面。目前,深入的研究需要更具針對性地在生土結(jié)構(gòu)概念、設(shè)計和建造的具體內(nèi)容方面,以及在生土材料保持原有性能的基礎(chǔ)上使生土結(jié)構(gòu)和生土磚砌體適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計方法和建造方式的諸方面開展工作。類磚混生土結(jié)構(gòu)就是在此背景下,基于諸多學(xué)者對生土土坯墻結(jié)構(gòu)的研究,借鑒傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)理論和實踐產(chǎn)生的一種結(jié)構(gòu)概念和建造方式類似于磚混結(jié)構(gòu)的生土結(jié)構(gòu)形式。在此基礎(chǔ)上對其砌體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了理論驗算。

1　類磚混生土結(jié)構(gòu)

磚混結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)類型中非常成熟的結(jié)構(gòu)類型。類磚混生土結(jié)構(gòu)就是在結(jié)構(gòu)概念和建造方式上借鑒磚混結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)和建造技術(shù),從而設(shè)計和建造出的一種生土建筑結(jié)構(gòu)。

1.1受力體系及組成

借鑒磚混結(jié)構(gòu),類磚混生土結(jié)構(gòu)的水平受力構(gòu)件梁板由鋼筋混凝土梁板構(gòu)件或木制椽梁體系組成,承受構(gòu)件上部傳來的各種荷載及水平構(gòu)件自重;豎向受力構(gòu)件由兩部分組成,一小部分由鋼筋混凝土獨立柱組成,其余大部分由生土磚砌體組成,承受由上部水平構(gòu)件傳來的各種荷載和豎向構(gòu)件自重。

1.2結(jié)構(gòu)布置方案

在類磚混生土結(jié)構(gòu)的布置方案中,水平受力構(gòu)件的梁板布置按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁板布置方法或用木椽梁體系布置梁板;豎向受力構(gòu)件的布置借鑒磚混結(jié)構(gòu)的布置方式,主要采用橫墻承重方案和以橫墻為主的縱橫墻混合承重方案?？紤]到類磚混生土結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于低層的民居和一些文化旅游建筑,在結(jié)構(gòu)布置方案中較易實現(xiàn)橫墻承重方案,所以不建議采用縱墻承重方案和其他類型的結(jié)構(gòu)布置方案。

1.3靜力計算方案及方法

在結(jié)構(gòu)的靜力計算方案中,同樣由于生土建筑的應(yīng)用特點,采用剛性計算方案。在計算過程中類磚混生土結(jié)構(gòu)的靜力計算假定同磚混結(jié)構(gòu)的靜力計算假定,類磚混生土結(jié)構(gòu)的靜力計算方法可以借用磚混結(jié)構(gòu)的計算方法。

1.4建造方式

類磚混生土結(jié)構(gòu)的建造方式不同于土坯墻生土結(jié)構(gòu)。主要的不同在于類磚混生土結(jié)構(gòu)的墻體是按照磚砌體砌筑的,由此帶來生土磚生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和砌體砌筑的精細(xì)化,使生土建筑按照現(xiàn)代施工方式實現(xiàn)生土建筑建造的現(xiàn)代化。在一個相當(dāng)長的時期,生土建筑的建造囿于施工方式的鄉(xiāng)土化,而沒有把重點放在發(fā)掘和保留生土材料生態(tài)優(yōu)勢和適于人居優(yōu)勢的同時實現(xiàn)建造的現(xiàn)代化,使生土建筑脫離了時代的發(fā)展。

2　類磚混生土結(jié)構(gòu)中的生土磚砌體

生土材料和燒結(jié)粘土材料的制作和性能有較大的不同,兩種材料砌筑的砌體在受力過程中內(nèi)力的復(fù)雜程度和狀態(tài)也有較大不同。

2.1生土磚

在生土材料已有研究成果[10,11]的基礎(chǔ)上,采用擠壓或振動成型的機(jī)械生產(chǎn)方式,生產(chǎn)滿足二至三層建筑所需的生土磚在技術(shù)上已具備完全的能力。

材料:蘭州市周邊黃土、石灰、粉沙、麥秸稈。

規(guī)格:240 mm×115 mm×53 mm。

成型工藝:擠壓振動成型。

生土磚的抗壓強(qiáng)度等級建議分別取:2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa、5.0 MPa。

圖1為生土磚在單軸受壓時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,其破壞形態(tài)見圖2。

圖1　生土磚試件受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1　Compressive stress and strain curve of raw soil brick test-piece

圖2　破壞后的試件Fig.2　Destroyed test-piece

實驗中發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整麥秸稈、石灰的摻入量,可以改變直線段的斜率和曲線段的飽滿程度。

2.2生土漿

生土漿在類磚混生土結(jié)構(gòu)生土磚砌體中的作用如同砂漿在磚混結(jié)構(gòu)磚砌體中所起的作用。所不同的是生土漿所需的抗壓強(qiáng)度較低;在生土漿中添加了麥秸稈末纖維,灰漿的抗拉強(qiáng)度較好;在生土漿中適量添加水玻璃,使生土漿的保水性和和易性有所提高。

生土漿的材料:蘭州市周邊黃土、水玻璃、粉沙、麥秸稈末。

生土漿的抗壓強(qiáng)度等級建議分別取:0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa。

2.3生土磚砌體

生土磚砌體可借鑒粘土燒結(jié)磚砌體的施工工法。生土磚在受壓過程中表現(xiàn)出的塑性材料性能,使生土磚砌體的受力狀態(tài)相對于燒結(jié)粘土磚砌體的受力狀態(tài)有很大的改善。

在燒結(jié)粘土磚砌體中,燒結(jié)粘土磚是一種脆性破壞材料,彈性模量比砂漿大很多,而砂漿在受力過程中表現(xiàn)出的塑性材料性能,使磚和砂漿在受力狀態(tài)中不能很好地協(xié)同工作;且磚在燒結(jié)過程中外形發(fā)生翹曲變形。這些因素使磚在砌體中處于彎曲和橫向拉力的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),使磚在最薄弱部位首先受拉破壞,砌體隨之產(chǎn)生豎向裂縫而破壞。

在生土磚砌體中,上述介紹的生土磚具有較好的塑性性能,彈性模量較低。生土漿材料通過調(diào)整組分使其彈性模量和生土磚的彈性模量接近,從而使磚和漿較好地協(xié)同工作;且生土磚不需燒結(jié),形狀規(guī)整。受這些因素的影響,磚和漿在砌體中的受力狀態(tài)比較簡單,能較好地發(fā)揮出材料的抗壓性能。

3　生土磚砌體抗壓強(qiáng)度的理論計算

3.1理論計算模型

采用文獻(xiàn)[11]中提出的砌體抗壓強(qiáng)度計算模型,該模型以單塊磚疊砌的棱柱體試件為研究對象,見圖3。

在模型中承受垂直壓力σy時,忽略試驗機(jī)上下壓板對砌體上下的約束;仍然認(rèn)定在磚內(nèi)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力,在漿內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力;磚與漿之間相互不產(chǎn)生滑移。

3.2砌體中生土磚及生土漿橫向拉應(yīng)力

在文獻(xiàn)[11]中,用圖3所示的計算模型,分析砌體中生土磚和生土漿產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力,見圖4。

圖3　單塊磚疊砌的砌體試件Fig.3　Masonry test-piece of single brick bond

圖4　軸向力作用下的砌體中的磚與砂漿的應(yīng)力分析Fig.4　Stress analysis of brick and mortar in masonry with axial force

根據(jù)廣義胡克定律,求出砌體中磚的橫向拉應(yīng)力σxb和σzb為

(1)

砌體中生土磚的基本受力狀態(tài)和計算假定同砌體中磚的受力狀態(tài),式(1)求解的橫向拉應(yīng)力σxb和σzb的結(jié)果可以應(yīng)用到砌體中生土磚的受力分析中。在式(1)中,(1-νb)往往比αβ(1-νm)小很多,可將其略去,且令

則式(1)簡化為

σxb=σzb=σyξ。

(2)

生土漿橫向壓應(yīng)力σxm和σzm為

σxm=σzm=ασxb,

(3)

其中:α=tb/tm,β=Eb/Em,νb和νm為生土磚和生土漿的泊松比;Eb、Em為生土磚和生土漿的彈性模量;tb、tm為生土磚和生土漿的厚度。

3.3生土磚砌體抗壓強(qiáng)度的理論計算

(4)

磚砌體破壞是以磚的破壞為標(biāo)志,由此得到磚砌體抗壓強(qiáng)度的理論求解。

(2)磚砌體理論包絡(luò)線的一元二次曲線求解增加曲線的二次項,能夠提高計算精度,可以更好地描述材料破壞中的塑性性能。假定材料破壞時的理論包絡(luò)線為一元二次曲線,見圖5。

圖5　磚砌體破壞時其拉-壓應(yīng)力理論包絡(luò)Fig.5　Pull-compressive stress theoretical envelope diagram in damage of brick masonry

在圖5中,有兩個已知點用以確定斜線的理論包絡(luò)線,確定二次曲線需要確定第三個點。對任意的拉應(yīng)力σxb,曲線上有對應(yīng)的破壞壓應(yīng)力σult,該點應(yīng)符合材料力學(xué)第二強(qiáng)度理論,破壞條件為該點上最大伸長線應(yīng)變ε1達(dá)到材料在單向拉伸發(fā)生斷裂破壞時的極限伸長線應(yīng)變εu,有

ε1=εu。

假定當(dāng)材料的ε1達(dá)到εu時,在破壞前符合胡克定律

在圖4所示條件的下,上式即

有σxb=σzb,σy=σult,且σult為壓應(yīng)力,取負(fù)值,整理得

(5)

(6)

設(shè)滿足圖5條件的任意一元二次曲線方程為

(7)

(8)

(9)

得到磚砌體破壞時理論包絡(luò)線的一元二次曲線求解。

(3)磚砌體抗壓強(qiáng)度的理論求解將式(2)代入式(9),且注意σy=σult,令

得到有拉應(yīng)力時的破壞壓應(yīng)力σult和無拉應(yīng)力時的破壞壓應(yīng)力σ'ult的比值ρ的一元二次方程為

(10)

對ρ求解,注意在多項式中,ξ是一個較小值,與ξ2有關(guān)的項略去,整理得

(11)

其中:0<ρ1,2<1。

(4)生土磚砌體抗壓強(qiáng)度的理論計算生土磚砌體在壓應(yīng)力條件下的受力狀態(tài)與磚砌體在此條件下的受力狀態(tài)是一致的,不同之處表現(xiàn)在:①生土磚和生土漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀接近,兩者的彈性模量E相差較小,在受力過程中磚和漿可以較好地協(xié)同工作,提高砌體的整體抗壓強(qiáng)度;②生土磚和生土漿的抗拉性能較好;③改變生土磚和生土漿的組分及制作工藝,可以在較大的范圍內(nèi)改變兩種材料的性能,材料性能有比較好的可設(shè)計性。

以上數(shù)據(jù)帶入上述各參數(shù)公式后可得

α=tb/tm=6.625,ξ=0.027 6,η=5.0,φ=8.0。

在式(11)中,得

σult=2.96 MPa。

上述生土磚砌體的理論設(shè)計抗壓強(qiáng)度計算值為2.96 MPa。燒結(jié)磚在砌體中受到復(fù)雜應(yīng)力的作用,使砌體的抗壓強(qiáng)度大大低于磚的抗壓強(qiáng)度,在文獻(xiàn)[1,2]中圖3的試驗砌體其強(qiáng)度僅為磚抗壓強(qiáng)度的0.24。從上述理論計算結(jié)果看出,生土磚砌體的整體受力表現(xiàn)明顯高于燒結(jié)磚砌體的受力表現(xiàn)。

上述數(shù)據(jù)在理論包絡(luò)線斜線公式(4)中得

理論包絡(luò)線二次曲線在理論包絡(luò)線斜線的內(nèi)側(cè),應(yīng)類似于雙曲線形狀。理論包絡(luò)線二次曲線在求解時考慮了材料破壞時的極限線應(yīng)變,其計算值較理論包絡(luò)線斜線計算值更接近磚砌體破壞時的實際值。

通過式(11)可以進(jìn)一步分析影響磚砌體強(qiáng)度的各種因素,為生土磚材料的性能設(shè)計提供依據(jù)。

4　結(jié)語

(1)目前,在生土結(jié)構(gòu)研究中需有針對性地在結(jié)構(gòu)整體研究和生土材料改性的同時保持原有性能方面開展工作,諸如結(jié)構(gòu)概念確定和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法以及材料在滿足結(jié)構(gòu)安全的同時突出生土材料原有性能的諸方面是生土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步深入研究的方向。生土建筑理論的系統(tǒng)化和精細(xì)化是生土建筑走向當(dāng)代建筑的重要環(huán)節(jié)。

(2)類磚混生土結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)概念和建造方式類似于磚混結(jié)構(gòu)的生土結(jié)構(gòu)形式。借鑒磚混結(jié)構(gòu)成熟的概念和技術(shù)是類磚混生土結(jié)構(gòu)實踐的有效途徑,不同的是,需要利用生土磚材料的可設(shè)計理念,研究生土磚砌體磚漿協(xié)同工作的機(jī)能和材料的延性,使生土結(jié)構(gòu)更具優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能。

(3)研究材料的可設(shè)計性、生產(chǎn)形狀平整和尺寸一致的生土磚、研究和易性和保水性高的生土漿,是生土磚砌體研究能夠發(fā)揮的優(yōu)勢,也是生土磚砌體研究比較好地符合磚砌體理論抗壓強(qiáng)度計算假定的主要因素。

(4)磚砌體破壞的理論包絡(luò)線二次曲線類似于雙曲線形狀,該曲線在分析時考慮了材料破壞時的極限線應(yīng)變,其計算值較理論包絡(luò)線斜線計算值更接近磚砌體破壞時的實際值。

(5)經(jīng)理論計算和比較,生土磚砌體的整體受力表現(xiàn)明顯高于燒結(jié)磚砌體的受力表現(xiàn)。

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Theoretical Study of Brick Mixed Raw Soil Structure and Its Masonry Compression Strength

Wu Yongcheng1,Wang Zhaohui1,Zeng Youdong1,Meng Xiangwu1,2

(1.College of Design Art,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.College of Architecture,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

This paper makes study on the raw-soil structure conception and raw-soil brick masonry force analysis.It proposes the basic concept and design content of brick mixed raw soil structure and the composition of its raw soil brick masonry,suggesting the compressive strength level of brick thick liquid in the raw soil brick masonry.And then it studies the theoretical calculations of compressive strength level of raw soil,making analysis of envelope curve's H.K.Hilsdorf bias formula of brick masonry failure theory,and then it deduces the quadric curve formula of brick masonry failure theory.Quadric curve is similar to the shape of hyperbolic curve,and its calculation value is closer to the actual value of brick masonry failure when compared to that of envelope curve's bias formula.Through theoretical calculation and comparison,the global stress of raw soil brick masonry is significantly higher than sintering brick masonry.

Brick mixed raw soil structure;Masonry strength;Theoretical calculation;Quadratic curve

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.014.

2015-12-28;

2016-03-10.

國家自然科學(xué)基金項目(51568038).

吳永誠(1956-),男,甘肅武威人,教授級高級工程師,研究方向為綠色建筑設(shè)計與生土材料及結(jié)構(gòu)性能研究.E-mail:114083820@qq.com.

TU375.4

A

1004-0366(2016)04-0066-06

引用格式:Wu Yongcheng,Wang Zhaohui,Zeng Youdong,etal.Theoretical Study of Brick Mixed Raw Soil Structure and Its Masonry Compression Strength[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):66-71.[吳永誠,王朝暉,曾佑?xùn)|,等.類磚混生土結(jié)構(gòu)及其砌體抗壓強(qiáng)度理論研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(4):66-71.]