砌体结构古建筑弹性模量实测研究

朱 航 张艳强

(1.华森建筑与工程设计顾问有限公司，广东深圳 518054;2.深圳机械院建筑设计有限公司，广东深圳 518027)

如何评价现存砌体结构古建筑的安全状况，然后根据评价结果确定合理的保护措施;如何了解施工中结构的力学性能，从而改进和优化施工方法;如何评估实施保护后结构的安全状况;这些都需要全面了解结构在相应工况下的结构响应。随着计算机运算速度的提高和大型通用有限元软件的发展，数值分析逐渐成为主要手段之一。目前，多数文献采用宏观模型，即把砌体视为各项同性的均匀连续材料进行数值分析。弹性模量作为分析中最基本的力学参数，各种文献中一般仅直接给出其数值，而其取值的依据及方法均未提及。因此，很有必要提供一种对砌体结构古建筑弹性模量的测定方法。为此，本文以一砌体结构古建筑为例给出了一种测定结构弹性模量的方法，该方法首先通过回弹法分别测定结构的块体和砂浆强度，进而根据有关公式即可计算其弹性模量。

1 基本方法

施楚贤根据试验结果的分析，提出了常用砖砌体弹性模量表达式为［2］:

式(1)中以砌体抗压强度的平均值fm作为基本变量来表示弹性模量E。其中fm可根据式(2)确定［3］:

其中，fm为砌体的抗压强度平均值，MPa;f1为块体的抗压强度平均值，MPa;f2为砂浆的抗压强度平均值，MPa;k1为随砌体中块体类别和砌筑方法而变化的参数;α为与块体高度有关的参数;k2为低强度等级砂浆砌筑的砌体强度修正系数。

式(2)中的各系数值详见表1，显然，如果通过回弹法测定得到块体的抗压强度平均值f1和砂浆的抗压强度平均值f2，即可根据式(1)和式(2)计算砌体弹性模量。

表1 砌体抗压强度平均值公式中的各系数值

2 块体强度和砂浆强度的测定

2.1 基本步骤

被测砖砌体结构古建筑位于河南省开封市(见图1)。测试采用山东省乐陵市回弹仪厂生产的ZC4型测砖回弹仪和ZC5型砂浆回弹仪。在建筑物内墙自地坪向上1.5 m范围内选定10个测区(见图2)，每个测区内选定一块砖作为砖强度等级测定试样;每个测区内设置一个砂浆测位，每个测位均匀布置12个砂浆强度检测弹击点;各弹击点处的砖和灰缝表面应打磨平整并除去浮灰。回弹法测定砖强度等级的具体步骤详见JC/T 796—2013回弹仪评定烧结普通砖强度等级的方法，回弹法测定砂浆强度等级的具体步骤可详见GB/T 50315—2011砌体工程现场检测技术标准。

图1 建筑物全貌

图2 测区分布图

2.2 块体强度的测定

表2为回弹仪测定砖强度等级的记录数据及计算表，表中各符号的含义及具体计算方法、强度等级的评定方法可详见JC/T 796—2013回弹仪评定烧结普通砖强度等级的方法。经测定和计算，被测结构砖强度等级评定为MU20，故砖的抗压强度平均值f1=20 MPa。

表2 回弹仪测定砖强度等级的记录数据及计算表

2.3 砂浆强度的测定

表3为回弹仪测定砂浆强度等级的记录数据及计算表，表中每个测位的12个回弹值中已剔除最大值和最小值。由于建筑物各测区内灰缝酥碱较为严重，偏保守认为各测位的砂浆平均碳化深度d均大于3.0 mm。把测位的平均回弹值R和平均碳化深度d代入式(3)即可计算测位的砂浆强度值f2ij［5］，进而确定各测区的砂浆抗压强度平均值f2i和建筑物砂浆的抗压强度平均值f2。具体计算方法可参见GB/T 50315—2011砌体工程现场检测技术标准。

表3 回弹仪测定砂浆强度等级的记录数据及计算表

2.4 弹性模量的计算

经测定可知砖的抗压强度平均值f1=20 MPa，砂浆的抗压强度平均值f2=1.8 MPa，把相关参数代入式(1)和式(2)即可计算砌体的弹性模量，各计算参数取值见表4。

3 结语

表4 计算弹性模量的各参数取值

弹性模量是砌体结构古建筑有限元数值分析中最基本的力学参数。本文提供了一种对其实测的方法，首先通过回弹法分别测定结构块体和砂浆的强度，进而根据式(1)和式(2)计算其弹性模量。然而，式(1)和式(2)均建立在大量的砌体试件的试验。

资料之上，砌体结构古建筑采用的块体、砂浆、砌筑方式与砌体试件难免存在差别，上述计算方法肯定存在不合理之处。由于砌体是一种非常复杂的工程材料，对砌体结构古建筑进行有限元数值分析其目的更多不是为了得到准确的结构响应，而是为了获取有用的设计信息。因此，即使本文测定出的弹性模量存在误差，对具体工程而言也是有价值的。

［1］GB 50003—2011，砌体结构设计规范［S］.

［2］施楚贤.砌体结构理论与设计［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［3］唐岱新.砌体结构设计规范理解与应用［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［4］JC/T 796—2013，回弹仪评定烧结普通砖强度等级的方法［S］.

［5］GB/T 50315—2011，砌体工程现场检测技术标准［S］.