粉煤灰磚砌體軸壓本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究

楊衛(wèi)忠，曹文文，王 茜

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

砌體結(jié)構(gòu)的理論研究離不開試驗(yàn)研究，而試驗(yàn)結(jié)果則為結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能的研究提供依據(jù)，也是對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證的有力手段.砌體在軸心受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不僅是砌體結(jié)構(gòu)分析的重要基礎(chǔ)，同時(shí)還是其力學(xué)性能的集中體現(xiàn).目前，國內(nèi)外對(duì)于砌體應(yīng)力-應(yīng)變曲線尤其是全曲線的研究較少且相對(duì)滯后［1］.在普通試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行砌體抗壓試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)機(jī)本身剛度不足，超過最大應(yīng)力后試件會(huì)被迅速壓壞，呈脆性破壞特征，無法測出下降段，常用方法是在試驗(yàn)機(jī)上附加剛性元件以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段［2-3］.為此，本試驗(yàn)也采用此類方法，在試件兩側(cè)布置同步千斤頂與試件共同受力，以量測應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段.

為了驗(yàn)證砌體隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系的理論研究結(jié)果，同時(shí)，也為了研究模型參數(shù)，以粉煤灰實(shí)心磚砌體為研究對(duì)象，進(jìn)行了砌體軸壓本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究，共設(shè)計(jì)了3組棱柱體試件，每組3個(gè)試件，變化的參數(shù)是砂漿強(qiáng)度，除了考察該類砌體在單軸單調(diào)受壓狀態(tài)下的強(qiáng)度、裂縫發(fā)展、破壞形態(tài)外，重點(diǎn)考察其應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，為后續(xù)的隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系提供可靠的數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)用磚為粉煤灰實(shí)心磚，平均尺寸為202 mm×96 mm×51 mm，砂漿采用水泥砂漿，通過改變灰砂比來控制砂漿強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)不同的砌體強(qiáng)度.

按《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［4］規(guī)定的高厚比β=3來確定砌體受壓試件的外形尺寸為202 mm×310 mm×610 mm(厚度×寬度×高度)，試件厚度和寬度的允許誤差為±5 mm，頂部用厚度為10 mm的1∶3水泥砂漿找平，并采用水平尺檢查其平整度，采用水平砌筑，塊體的排列方式如圖1所示.

圖1 試件側(cè)面及橫截面Fig.1 Section of specimen

每組試件灰縫厚度10～12 mm，每種配比砂漿采用同一盤足量砂漿并制作一組(3個(gè))砂漿試件，以便測定砂漿強(qiáng)度.砂漿試件采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的無底試模制作，人工振搗.砌體試件和砂漿試件均在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn).

試驗(yàn)裝置如圖2所示，試件寬側(cè)面兩側(cè)放置同步千斤頂，窄側(cè)面兩側(cè)放置百分表，百分表架在鋼墊板與試驗(yàn)機(jī)底座之間.

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Device of test

加載時(shí)，在預(yù)估破壞荷載的5%區(qū)間內(nèi)，反復(fù)預(yù)壓2～3次.預(yù)壓后正式加壓，分級(jí)加載，每級(jí)為破壞荷載的5%，保持勻速加載，試驗(yàn)過程中觀察第一條受力的發(fā)絲裂縫，并記錄初裂荷載值.開裂后，仍然按照每級(jí)5%的破壞荷載加載，當(dāng)構(gòu)件上的傳感器在應(yīng)變儀上顯示的讀數(shù)開始下降時(shí)，表明試件將逐漸喪失承載力而進(jìn)入破壞階段，此時(shí)暫停加載并記錄下試件受到的壓力值，即極限承載力.然后繼續(xù)加載，試件的承載力會(huì)隨著應(yīng)變的增加而減小，但由于千斤頂與試件共同受力，在試件的承載力減小之后，試驗(yàn)機(jī)的壓力會(huì)向兩邊的千斤頂轉(zhuǎn)移，這樣就避免了積蓄在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)的應(yīng)變能迅速釋放造成的試件脆性破壞.但在本試驗(yàn)中，為得到較長的曲線下降段，當(dāng)試件承受荷載為破壞荷載的50%左右時(shí)才停止試驗(yàn).加載過程中，需記錄下每級(jí)荷載下的變形值.

按本試驗(yàn)方案進(jìn)行全曲線試驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè):其一是控制千斤頂何時(shí)受力，剛開始加載時(shí)，試驗(yàn)機(jī)上壓板與千斤頂不接觸，只有試件受力，當(dāng)超過破壞荷載的10%時(shí)，讓千斤頂頂住試驗(yàn)機(jī)上壓板，使試件和千斤頂共同受力;其二是控制好加載速率，勻速加載，特別是曲線進(jìn)入下降段后，要緩慢加載以防止試件突然崩裂.

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及主要結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

根據(jù)裂縫的發(fā)展情況，將砌體試件從開始受壓到最終被壓碎的整個(gè)過程分為3個(gè)階段:

第一階段，未出現(xiàn)裂縫.從試件開始受壓到裂縫出現(xiàn)之前，百分表讀數(shù)隨荷載的增加而增加，但試件表面無任何變化，且荷載不增加，百分表讀數(shù)也保持不變.

第二階段，開始出現(xiàn)裂縫，但裂縫的發(fā)展處于穩(wěn)定階段.當(dāng)荷載達(dá)到某一值，首先在某一單磚出現(xiàn)發(fā)絲裂縫，此時(shí)的荷載為破壞荷載的54% ～77%，平均為69%，與普通磚砌體的50% ～70%大致相當(dāng).隨荷載的增加，單磚內(nèi)的裂縫逐漸向上下延伸開展，并在其它磚內(nèi)也開始出現(xiàn)裂縫.此時(shí)，裂縫發(fā)展尚處于穩(wěn)定階段，即荷載不增加，百分表讀數(shù)也保持不變.

第三階段，裂縫迅速發(fā)展的不穩(wěn)定階段.當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載的80% ～90%時(shí)，裂縫迅速發(fā)展并沿豎向貫通數(shù)磚，明顯延長加寬，并伴有開裂的聲音.此時(shí)，即使保持荷載不變，裂縫也會(huì)繼續(xù)發(fā)展，如圖3(a)所示.百分表的讀數(shù)變化較快.繼續(xù)加載，試件的表面或角部會(huì)出現(xiàn)脫皮、外鼓、掉塊等現(xiàn)象，貫通的豎向裂縫將砌體分割成若干獨(dú)立的小柱，至此，試件喪失承載力，達(dá)到其極限破壞狀態(tài).破壞成小柱體的試件如圖3(b)所示.

圖3 裂縫及破壞Fig.3 Cracks and failure mode

2.2 強(qiáng)度

表1列出了試件的開裂荷載和極限荷載，同時(shí)，試驗(yàn)前對(duì)試件截面尺寸進(jìn)行了測量，取其平均值，則按《砌墻磚試驗(yàn)方法》［5］來測定磚的抗壓強(qiáng)度，如表1所示.按現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］計(jì)算的砌體受壓強(qiáng)度理論值fm也列于表1.

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)百分表上讀取的每級(jí)荷載下的變形值，通過計(jì)算，可以得到每一組粉煤灰磚砌體試件的實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示.曲線進(jìn)入下降段之后，應(yīng)變不斷增加的同時(shí)，應(yīng)力迅速下降，相對(duì)于應(yīng)變軸，曲線的走勢由凸變凹，出現(xiàn)反彎點(diǎn).應(yīng)變進(jìn)一步增加，應(yīng)力降低減慢，曲線變平緩，進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段.實(shí)際結(jié)構(gòu)中，此時(shí)的構(gòu)件已失去意義.

由圖4不難發(fā)現(xiàn)，隨著砂漿強(qiáng)度增加，即砌體強(qiáng)度提高，而峰值應(yīng)變呈降低趨勢，這也與其它塊體材料砌體變形規(guī)律相符.

進(jìn)一步對(duì)實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行均一化處理，結(jié)果如圖5所示，ε0為峰值應(yīng)力σmax對(duì)應(yīng)的應(yīng)變.從圖中可以看出，所有試件均一化后的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的上升段和下降段具有內(nèi)在的相似性.

表1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of compression strength

圖4 實(shí)測應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of test result

圖5 均一化的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.5 Relative stress-strain curves

3 結(jié)果分析與討論

3.1 強(qiáng)度分析

從表1中不難看出，理論抗壓強(qiáng)度值fm略高于實(shí)測砌體抗壓強(qiáng)度值fc，m，偏高約9%.其原因包括:砂漿的和易性(和易性差則灰縫不易飽滿均勻)，砂漿的變形性能(變形率增大會(huì)降低砌體的抗壓強(qiáng)度)，砌筑質(zhì)量(灰縫均勻飽滿程度、灰縫厚度、磚的含水率等)，試件偏心受壓或局部受壓(試件沒有完全對(duì)中或頂面抹灰不平整)等等.此外，式(1)本身也是個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，且主要針對(duì)磚砌體.

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

作者曾借助細(xì)觀模型，從損傷角度建立統(tǒng)一本構(gòu)關(guān)系模型［7］，并初步驗(yàn)證了其合理性.其本構(gòu)關(guān)系如下:

式中:Em為砌體的彈性模量;λ，ζ為隨機(jī)場參數(shù);δ為變形系數(shù)，反映微裂縫面拉開或滑移的程度.

上述參數(shù)可結(jié)合試驗(yàn)，采用隨機(jī)建模原理并借助于Powell優(yōu)化算法即可識(shí)別.表2即是模型參數(shù)的識(shí)別結(jié)果［8］.圖6給出了采用式(1)～(3)得到的理論結(jié)果與上述3組試件均值曲線的比較.

從圖6中不難看出，基于細(xì)觀損傷單元模型建立的軸壓砌體損傷本構(gòu)關(guān)系能較好地預(yù)測試件的受力全過程應(yīng)力響應(yīng).

表2 參數(shù)識(shí)別結(jié)果Tab.2 Coefficients in the constitutive model

圖6 應(yīng)力－應(yīng)變曲線的理論值和試驗(yàn)值比較Fig.6 Comparison of mean stress-strain curves between experiments and analytical results

4 結(jié)論

(1)采用普通試驗(yàn)機(jī)加千斤頂?shù)难b置，可以測得砌體在軸壓狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，關(guān)鍵點(diǎn)在于控制好加載速率，而試件頂面的平整度及受力均勻也是其重要條件.

(2)粉煤灰磚砌體受壓時(shí)的裂縫發(fā)展及破壞形態(tài)與普通磚砌體相似，開裂荷載為破壞荷載的54%～77%，平均為69%，當(dāng)荷載達(dá)破壞荷載的80% ～90%，則進(jìn)入破壞階段.

(3)隨砂漿強(qiáng)度提高，砌體受壓強(qiáng)度和彈性模量也增加，但應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀變化不大，而峰值應(yīng)變降低.

(4)現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003)預(yù)測的粉煤灰磚砌體抗壓強(qiáng)度偏高約9%.

(5)粉煤灰磚砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可采用基于細(xì)觀損傷模型而建立起的本構(gòu)關(guān)系預(yù)測.

［1］ 劉桂秋.砌體結(jié)構(gòu)基本受力性能的研究［D］.長沙:湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2005.

［2］ 劉立鵬，翟希梅，張連振，等.砌體材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系［J］.低溫建筑技術(shù)，2007(6):63-65.

［3］ 郝彤，劉立新，鞏耀娜.混凝土多孔磚砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(10):73-74.

［4］ 中華人民共和國建設(shè)部.GBJ 129—90，砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1991.

［5］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB/T 2542—2003，砌墻磚試驗(yàn)方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［6］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50003—2001，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，2002.

［7］ 楊衛(wèi)忠.砌體受壓本構(gòu)關(guān)系模型［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(10):80 ～82.

［8］ 曹文文.砌體隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系的研究［D］.鄭州:鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，2011.