藏族民居石砌体基本力学性能试验与数值仿真

刘伟兵，崔利富，孙建刚，王 振，李 想

(大连民族学院土木建筑工程学院，辽宁大连116605)

地震灾害是最严重且破坏能力最大的自然 灾害之一，它具有瞬时性、不可预测性的特点。藏族居民群落形式主要采用聚落布局［1］形式，其民居的抗震性能较为薄弱，为了保护民族地区建筑、保障民族地区人民安全对藏族地区四川阿坝州民居建筑的石砌体进行基本力学性能的试验研究和数值仿真分析，通过试验研究与数值仿真分析结果对比，验证数值仿真分析结果的合理性，进而提取石砌体抗压和抗弯的应力云图。确定出砌体结构的本构关系，为以后的整体民居模型数值仿真模拟提供是否可行的依据，为改善少数民族聚集地人民居住水平的工程实践提供指导。

1 石砌体基本力学性能试验

对石砌体的物理力学性能试验均参考《砌体基本力学性能试验方法标准》［2］(GB/T50129-2011)的要求。

1.1 石砌体抗压强度试验

石砌体试件的制作所用黄泥和石材以及工匠均来自四川省阿坝藏族羌族自治州，制作标准砌体抗压试件尺寸为400 mm×800 mm×1200 mm(厚度 ×宽度 ×高度)。石砌体抗压试验采用YAW-10000J微机控制电液伺服压剪试验机施加竖向荷载如图1(a)，加载采用逐级加载的方式，每级荷载20 kN。

1.2 石砌体弯曲抗拉强度试验

弯曲抗拉强度是反映砌体结构抗弯性能的一个重要参数指标。砌体结构的弯曲抗拉强度试验包括沿通缝截面弯曲抗拉强度试验和沿齿缝截面弯曲抗拉强度试验。通缝石砌体的尺寸为240 mm×240 mm×800 mm，齿缝石砌体的尺寸为240 mm×240 mm×1100 mm，采用片石砌筑，黄泥砂浆灰缝的尺寸控制在10 mm左右。试验采用简支梁三分点集中加荷的方法。试验过程中为克服重力影响，加载力的方向为水平加载，即垂直于重力方向加载。土坯砌体抗弯试验的加载装置根据试验室条件自行设计，试件底部垫上钢管形成滑动支座，顶部为自由端，将试件靠在反力架上，用千斤顶加载。采用电子位移计控制匀速连续加载，并避免冲击。试验加载千斤顶、压力传感器和位移计布置如图1(b)和(c)。试验通过预加载使加载板与试件、千斤顶与试件间充分接触。

图1 石砌体基本力学性能试验照片

2 石砌体基本力学性能试验数值仿真

2.1 石砌体材料属性

定义材料为DF-Concrete(石材)和Concrete(黄泥砂浆)，通过试验确定石材和黄泥砂浆的物理力学性能［3］，详细指标见表1和表2。

表1 石块物理力学性质表

表2 黏土砂浆物理力学性质表

2.2 石砌体材料几何参数

根据《砌体基本力学性质试验方法标准》(GB/T50129-2011)的要求，石砌体标准抗压试件、石砌体沿通缝截面弯曲抗拉试件和石砌体沿齿缝截面弯曲抗拉试件尺寸分别为400 mm×800 mm×1200 mm(厚度 ×宽度 ×高度)、240 mm×240 mm×800 mm和240 mm×240 mm×1000 mm。

2.3 单元选取及有限元模型

在 ADINA［4］中石材用 DF-Concrete模拟和黄泥砂浆Concrete模拟，为了便于对比分析，在ADINA软件中与试验试件等比例建模分析，基于有限元离散随机分布的思想［5，8］，将石砌体标准抗压试件中的石块单元和黄泥单元按3:1进行随机分配，模拟石砌体抗压强度试验，模型的地面全约束，在Z方向施加位移荷载-0.002 m，石砌体抗压强度试验模型及石材和黄泥单元如图2。

图2 抗压试件模型

石砌体沿通缝截面弯曲抗拉试件和石砌体沿齿缝截面弯曲抗拉试件则按9:1进行随机分配，通缝位置不进行随机处理，模拟石砌体弯曲抗拉试验。在Z方向分别施加位移荷载为-0.002 m和 -0.001 m，数值仿真石砌体弯曲抗拉试验模型及石材和黄泥单元见如图3与图4。

图3 沿通缝弯曲抗拉试件模型

图4 沿齿缝弯曲抗拉强度试件模型

3 数值仿真与试验分析对比

3.1 荷载-位移曲线

石砌体力学性能试验测得和数值仿真模拟计算得出的荷载位移曲线如图5。

图5 石砌体力学性能试验中荷载-位移曲线

图6 石砌体力学性能数值仿真中荷载-位移曲线

数值仿真模拟计算得出的荷载-位移曲线如图6。

对比图5(a)和6(a)可以看出石砌体抗压强度试验曲线和数值模拟曲线均有明显的弹性阶段、弹塑性阶段和软化阶段，抗压极限强度试验值为206.91 kN，数值仿真为198.36 kN，误差为4.13%，证明数值仿真分析结果的合理性。对比图5(b)和6(b)、5(c)和6(c)可以看出模型同样属于脆性破坏，实验室条件下的沿通缝弯曲抗拉强度和沿齿缝弯曲抗拉强度均比数值仿真下的大1-2 kN，试验值在实验室条件下收试验仪器设备影响较大，数值仿真为理想条件下的结果，考虑经济等因素可以使用数值仿真结果进行分析。齿缝的弯曲抗拉强度大于通缝的弯曲抗拉强度，说明缝的位置直接影响模型承载能力。石砌体抗压发生脆性破坏主要在于随机分布模型中，黏土砂浆与石块形成不规则的整体，强度较弱的砂浆大量破坏后，导致石砌体构件在超过其最大荷载值后瞬间破坏。沿通缝弯曲抗拉强度数值仿真分析中通缝砂浆是薄弱环节，砂浆达到极限抗拉强度后，模型脆性破坏，承载能力急速下降。

3.2 裂缝分析

石砌体抗压、沿通缝弯曲抗拉、沿齿缝弯曲抗拉试验过程中裂缝位置如图7。

图7 石砌体试验过程中裂缝分布情况

石砌体抗压、沿通缝弯曲抗拉、沿齿缝弯曲抗拉模拟过程中裂缝位置如图8。

图8 石砌体仿真模拟过程中裂缝分布情况

对比图7(a)和图8(a)石砌体抗压强度试验与数值仿真模拟裂缝开始出现均在试件的中部，随着裂缝的开展均出现沿试件对角线方向的贯通斜裂缝，继续加载试件压溃，承载能力急剧下降，试件破坏，从裂缝开展情况来看，数值仿真分析合理，可以代替试验研究分析，节省人力物力。图7(b)中离试件加载位置最近的通缝黄泥砂浆处首先出现裂缝，随着千斤顶继续加载，裂缝开展至断裂，压力传感器读数降低，试件破坏，通缝破坏裂缝多为一两条贯通裂缝。图7(c)中石砌体沿齿缝弯曲抗拉裂缝同样首先出现在弯矩较大的加载部位，沿齿缝破坏片石之间有一定的咬合力，齿缝破坏裂缝在纯弯曲段有较多的细小裂缝，加载到一定程度有较大的贯通裂缝。图8(b)(c)中数值模型裂缝均出现在力学性能较为薄弱的黄泥砂浆单元上，而在石材单元上裂缝出现的很少或者几乎没有裂缝。未随机分布的通缝位置首先发生开裂，数值模拟能够较好的模拟裂缝的开展。

3.3 有效应力云图

试验和数值仿真分析结果相近，说明数值仿真的合理性，进而可以利用数值仿真分析有效应力云图如图9。

图9 石砌体抗压强度模拟有效应力云图变化情况

从图9中可以看出，有效应力云图变化情况和裂缝出现规律一致。有效应力集中出现的现象先于裂缝出现的时间，裂缝需要力达到材料的抗压强度值才会出现。应力集中的位置均在裂缝处，有效应力变化规律同裂缝趋势相似，能明显看出交叉现象。

4 结论

(1)石砌体力学性能试验曲线和数值模拟曲线均有明显的弹性阶段、弹塑性阶段和软化阶段，试验值和数值模拟值误差较小，数值模拟合理，可以代替试验值分析使用;

(2)砂浆所在位置是薄弱环节，裂缝位置大多出现在力学性能较为薄弱的黄泥砂浆位置上;

(3)在通缝截面和齿缝截面弯曲抗拉强度模型对比中，缝的位置直接影响模型承载能力。

［1］何泉.藏族民居建筑文化研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2009.

［2］GB/T50129-2011.砌体基本力学性能试验方法标准［S］.北京:建筑工业出版社，2011.

［3］孙建刚.藏族民居砌体材料物理力学性能试验研究［J］.大连民族学院学报，2015，17(1):61-64.

［4］马野，袁志丹，曹金凤.ADINA有限元经典实例分析［M］.北京:机械工业出版社，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］刘光延，王宗敏.用随机骨料模型数值模拟混凝土材料的断裂［J］.清华大学学报:自然科学版，1996，36(1):84-89.