藏族民居砌體材料物理力學性能試驗研究

孫建剛，崔利富，王 振，楊惠晴，李 想，劉偉兵

(1.大連民族學院 土木建筑工程學院，遼寧 大連116605;2.東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶，163318)

藏族民居［1］作為中國傳統(tǒng)民居建筑藝術的重要組成部分，對于了解中國的傳統(tǒng)建筑［2］有著極大的研究價值。為了充分認識藏族民居砌體材料的物理力學性能［3，4］，現(xiàn)場選取阿壩藏族自治州理縣境內(nèi)的黃泥與石材，參考國家標準試驗方法［5-7］進行物理力學性能試驗，并與數(shù)值仿真分析進行對比，為藏族民居設計提供技術支撐。

1 黃泥砂漿物理力學性能試驗

參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70 -2009)的要求［6］，對黃泥砂漿進行級配分析試驗、體積密度試驗、抗壓強度試驗以及彈性模量試驗。

1.1 黃泥級配分析試驗

試驗選用的儀器設備有:電子稱、搖篩機、沙石套篩。沙石套篩為國家新標準方孔套篩，共6個，孔徑分別為4.75 mm，2.36 mm，1.18 mm，0.6 mm，0.3 mm，0.15 mm。黃泥中粒徑顆粒的比例情況，結(jié)果見表1。

表1 表明黃泥中土粒主要由砂粒組成，砂粒中主要為中砂粒與細砂粒，其中摻有部分極細砂粒、粉粒與角礫顆粒。不均勻系數(shù)，級配良好，曲率系數(shù)＜1，缺少中間粒組，主要是缺少粒徑范圍在0.5mm ～2mm 間的粗砂粒。但較大粒徑的砂粒易透水，無粘性，而拌制黃泥砂漿主要需要透水性相對較小，濕潤時有粘性，具有一定可塑性的土粒。

表1 黃泥級配分析試驗數(shù)據(jù)

1.2 黃泥體積密度試驗

選取5 組試件，依據(jù)標準試驗方法進行測量，記錄試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 黃泥砂漿體積密度試驗數(shù)據(jù)

1.3 黃泥砂漿立方體抗壓強度試驗

參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70 -2009)［6］的要求利用壓力試驗機對黃泥砂漿進行立方體抗壓強度試驗見表3，試驗曲線如圖1。

表3 黃泥砂漿立方體抗壓強度試驗數(shù)據(jù)

圖1 立方體抗壓試塊荷載-位移曲線

由表3 和圖1 可見，6 個數(shù)據(jù)曲線上升階段與峰值點略有差異，標準偏差與變異系數(shù)差別不大，試驗結(jié)果相對準確可用。參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70 -2009)［6］對砂漿立方體抗壓強度的規(guī)定。借鑒水泥砂漿立方體抗壓強度試驗對試件抗壓強度平均值的計算，以1.3倍的試驗所測值的算術平均值為該組試件抗壓強度平均值。試驗測得黃泥砂漿立方體抗壓強度為0.314 ×1.3=0.408MPa。

1.4 黃泥砂漿彈性模量試驗

利用數(shù)顯壓力機和千分表對黃泥砂漿進行彈性模量試驗。實驗結(jié)果見表4。

表4 黃泥砂漿彈性模量試驗數(shù)據(jù)

由表4 可見，6 組數(shù)據(jù)標準偏差與變異系數(shù)差別不大，試驗結(jié)果相對準確可用，黃泥砂漿彈性模量為231MPa。

2 石材物理力學性能試驗

對石材的物理力學性能試驗均參考《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542 -2012)［7］的要求［8］。對其進行石材體積密度試驗和石材抗壓強度試驗。

2.1 石材體積密度試驗

在試驗所用石材中，隨機選用水鉆取樣，兩側(cè)用切石機切割后用磨平機磨平。由于試驗條件所限，圓柱形試件直徑約為43.20 mm±0.15 mm，高度約為50 mm±0.1 mm。分別對各組試件進行測量，記錄試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 石材體積密度試驗數(shù)據(jù)

2.2 石材抗壓強度試驗

利用壓力試驗機對石材進行抗壓強度試驗。分別對各組試件進行測量，得出力與位移曲線如圖2，并記錄試驗數(shù)據(jù)見表6。

圖2 石材抗壓強度試驗力與位移曲線

表6 石材抗壓強度試驗數(shù)據(jù)

由于石材均為砌筑所用的天然石材，石材本身存在差異，所以抗壓強度略有不同，彈性段有所震蕩。由表6 可見，數(shù)據(jù)標準偏差與變異系數(shù)差別不大，試驗結(jié)果相對準確可用。石材抗壓強度測定值為67.92MPa。

3 材料基本力學性能數(shù)值仿真與試驗分析對比

將試驗所得的數(shù)據(jù)，其幾何尺寸與邊界條件均與試驗實際情況相同，利用ADINA 有限元軟件，建立石材和黃泥有限元模型如圖3，相應的荷載-位移曲線如圖4 與圖5。

圖3 有限元模型與試驗模型

圖4 黃泥砂漿力與位移曲線

從圖4 中可以看出，黃泥砂漿彈性階段承載力模擬值略高于試驗值，但極限承載力基本保持一致，達到最大荷載后承載力迅速降低。圖5 表明石材彈性階段與彈塑性階段模擬值均與試驗值保持一致，達到最大荷載后，曲線突然下降，喪失承載力。從經(jīng)濟性角度出發(fā)，砌體材料力學性能分析可以采用數(shù)值分析方法。

圖5 石材力與位移曲線

4 結(jié) 語

(1)黃泥中土粒主要由砂粒組成，級配良好;黃泥抗壓強度為0.408MPa，彈性模量為231MPa;石材的抗壓強度為67.92 MPa。

(2)數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，黃泥砂漿彈性階段承載力模擬值略高于試驗值，但極限承載力基本保持一致，石材彈性階段與彈塑性階段模擬值均與試驗值保持一致。

(3)試驗研究結(jié)果可為砌體材料力學性能數(shù)值分析方法提供理論基礎，滿足結(jié)構設計經(jīng)濟性要求。

［1］葉啟燊.四川藏族住宅［M］. 成都:四川民族出版社，1987.

［2］張先進.川西藏區(qū)傳統(tǒng)民族建筑的類型構成與文化遺產(chǎn)特征［J］.華中建筑，2012，8:136 -140.

［3］LOUREN?O P B，ROTS J G，BLAAUWENDRAAD J.Continuum model for masonry:parameter estimation and validation［J］.J Struct Eng ASCE 1998，1(6):642 -52.

［4］PAPA E A. Unilateral damage model for masonry based on a homogenization procedure［J］. Mech Cohesive -Frict Mater 1996，1:349 -66.

［5］GB50003 -2011. 砌體結(jié)構設計規(guī)范［S］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［6］JGJ/T70 -2009. 建筑砂漿基本性能試驗方法標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［7］GB/T 2542 -2012. 砌墻磚試驗方法［S］. 北京:中國標準出版社，2012.