孫建剛，崔利富，王 振，楊惠晴，李 想，劉偉兵

(1.大連民族學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 大連116605;2.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)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(shù)的重要組成部分，對(duì)于了解中國的傳統(tǒng)建筑［2］有著極大的研究價(jià)值。為了充分認(rèn)識(shí)藏族民居砌體材料的物理力學(xué)性能［3，4］，現(xiàn)場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法［5-7］進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，并與數(shù)值仿真分析進(jìn)行對(duì)比，為藏族民居設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 黃泥砂漿物理力學(xué)性能試驗(yàn)

參考《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70 -2009)的要求［6］，對(duì)黃泥砂漿進(jìn)行級(jí)配分析試驗(yàn)、體積密度試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及彈性模量試驗(yàn)。

1.1 黃泥級(jí)配分析試驗(yàn)

試驗(yàn)選用的儀器設(shè)備有:電子稱、搖篩機(jī)、沙石套篩。沙石套篩為國家新標(biāo)準(zhǔn)方孔套篩，共6個(gè)，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(xì)砂粒，其中摻有部分極細(xì)砂粒、粉粒與角礫顆粒。不均勻系數(shù)，級(jí)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(duì)較小，濕潤時(shí)有粘性，具有一定可塑性的土粒。

表1 黃泥級(jí)配分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 黃泥體積密度試驗(yàn)

選取5 組試件，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 黃泥砂漿體積密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3 黃泥砂漿立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

參考《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70 -2009)［6］的要求利用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)黃泥砂漿進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)見表3，試驗(yàn)曲線如圖1。

表3 黃泥砂漿立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(gè)數(shù)據(jù)曲線上升階段與峰值點(diǎn)略有差異，標(biāo)準(zhǔn)偏差與變異系數(shù)差別不大，試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可用。參考《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70 -2009)［6］對(duì)砂漿立方體抗壓強(qiáng)度的規(guī)定。借鑒水泥砂漿立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)試件抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算，以1.3倍的試驗(yàn)所測(cè)值的算術(shù)平均值為該組試件抗壓強(qiáng)度平均值。試驗(yàn)測(cè)得黃泥砂漿立方體抗壓強(qiáng)度為0.314 ×1.3=0.408MPa。

1.4 黃泥砂漿彈性模量試驗(yàn)

利用數(shù)顯壓力機(jī)和千分表對(duì)黃泥砂漿進(jìn)行彈性模量試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 黃泥砂漿彈性模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4 可見，6 組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差與變異系數(shù)差別不大，試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可用，黃泥砂漿彈性模量為231MPa。

2 石材物理力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)石材的物理力學(xué)性能試驗(yàn)均參考《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542 -2012)［7］的要求［8］。對(duì)其進(jìn)行石材體積密度試驗(yàn)和石材抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.1 石材體積密度試驗(yàn)

在試驗(yàn)所用石材中，隨機(jī)選用水鉆取樣，兩側(cè)用切石機(jī)切割后用磨平機(jī)磨平。由于試驗(yàn)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(duì)各組試件進(jìn)行測(cè)量，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 石材體積密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 石材抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

利用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)石材進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。分別對(duì)各組試件進(jìn)行測(cè)量，得出力與位移曲線如圖2，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

圖2 石材抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)力與位移曲線

表6 石材抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度略有不同，彈性段有所震蕩。由表6 可見，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差與變異系數(shù)差別不大，試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可用。石材抗壓強(qiáng)度測(cè)定值為67.92MPa。

3 材料基本力學(xué)性能數(shù)值仿真與試驗(yàn)分析對(duì)比

將試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，其幾何尺寸與邊界條件均與試驗(yàn)實(shí)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(yīng)的荷載-位移曲線如圖4 與圖5。

圖3 有限元模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

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(yàn)值，但極限承載力基本保持一致，達(dá)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(yàn)值保持一致，達(dá)到最大荷載后，曲線突然下降，喪失承載力。從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，砌體材料力學(xué)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(jí)配良好;黃泥抗壓強(qiáng)度為0.408MPa，彈性模量為231MPa;石材的抗壓強(qiáng)度為67.92 MPa。

(2)數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)值保持一致。

(3)試驗(yàn)研究結(jié)果可為砌體材料力學(xué)性能數(shù)值分析方法提供理論基礎(chǔ)，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)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(jìn).川西藏區(qū)傳統(tǒng)民族建筑的類型構(gòu)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(gòu)設(shè)計(jì)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［7］GB/T 2542 -2012. 砌墻磚試驗(yàn)方法［S］. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.