砌體結(jié)構(gòu)古建筑彈性模量實(shí)測(cè)研究

朱 航 張艷強(qiáng)

(1.華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，廣東深圳 518054;2.深圳機(jī)械院建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳 518027)

如何評(píng)價(jià)現(xiàn)存砌體結(jié)構(gòu)古建筑的安全狀況，然后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定合理的保護(hù)措施;如何了解施工中結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，從而改進(jìn)和優(yōu)化施工方法;如何評(píng)估實(shí)施保護(hù)后結(jié)構(gòu)的安全狀況;這些都需要全面了解結(jié)構(gòu)在相應(yīng)工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高和大型通用有限元軟件的發(fā)展，數(shù)值分析逐漸成為主要手段之一。目前，多數(shù)文獻(xiàn)采用宏觀模型，即把砌體視為各項(xiàng)同性的均勻連續(xù)材料進(jìn)行數(shù)值分析。彈性模量作為分析中最基本的力學(xué)參數(shù)，各種文獻(xiàn)中一般僅直接給出其數(shù)值，而其取值的依據(jù)及方法均未提及。因此，很有必要提供一種對(duì)砌體結(jié)構(gòu)古建筑彈性模量的測(cè)定方法。為此，本文以一砌體結(jié)構(gòu)古建筑為例給出了一種測(cè)定結(jié)構(gòu)彈性模量的方法，該方法首先通過回彈法分別測(cè)定結(jié)構(gòu)的塊體和砂漿強(qiáng)度，進(jìn)而根據(jù)有關(guān)公式即可計(jì)算其彈性模量。

1 基本方法

施楚賢根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的分析，提出了常用磚砌體彈性模量表達(dá)式為［2］:

式(1)中以砌體抗壓強(qiáng)度的平均值fm作為基本變量來表示彈性模量E。其中fm可根據(jù)式(2)確定［3］:

其中，fm為砌體的抗壓強(qiáng)度平均值，MPa;f1為塊體的抗壓強(qiáng)度平均值，MPa;f2為砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值，MPa;k1為隨砌體中塊體類別和砌筑方法而變化的參數(shù);α為與塊體高度有關(guān)的參數(shù);k2為低強(qiáng)度等級(jí)砂漿砌筑的砌體強(qiáng)度修正系數(shù)。

式(2)中的各系數(shù)值詳見表1，顯然，如果通過回彈法測(cè)定得到塊體的抗壓強(qiáng)度平均值f1和砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值f2，即可根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算砌體彈性模量。

表1 砌體抗壓強(qiáng)度平均值公式中的各系數(shù)值

2 塊體強(qiáng)度和砂漿強(qiáng)度的測(cè)定

2.1 基本步驟

被測(cè)磚砌體結(jié)構(gòu)古建筑位于河南省開封市(見圖1)。測(cè)試采用山東省樂陵市回彈儀廠生產(chǎn)的ZC4型測(cè)磚回彈儀和ZC5型砂漿回彈儀。在建筑物內(nèi)墻自地坪向上1.5 m范圍內(nèi)選定10個(gè)測(cè)區(qū)(見圖2)，每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)選定一塊磚作為磚強(qiáng)度等級(jí)測(cè)定試樣;每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置一個(gè)砂漿測(cè)位，每個(gè)測(cè)位均勻布置12個(gè)砂漿強(qiáng)度檢測(cè)彈擊點(diǎn);各彈擊點(diǎn)處的磚和灰縫表面應(yīng)打磨平整并除去浮灰?；貜椃y(cè)定磚強(qiáng)度等級(jí)的具體步驟詳見JC/T 796—2013回彈儀評(píng)定燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)的方法，回彈法測(cè)定砂漿強(qiáng)度等級(jí)的具體步驟可詳見GB/T 50315—2011砌體工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 建筑物全貌

圖2 測(cè)區(qū)分布圖

2.2 塊體強(qiáng)度的測(cè)定

表2為回彈儀測(cè)定磚強(qiáng)度等級(jí)的記錄數(shù)據(jù)及計(jì)算表，表中各符號(hào)的含義及具體計(jì)算方法、強(qiáng)度等級(jí)的評(píng)定方法可詳見JC/T 796—2013回彈儀評(píng)定燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)的方法。經(jīng)測(cè)定和計(jì)算，被測(cè)結(jié)構(gòu)磚強(qiáng)度等級(jí)評(píng)定為MU20，故磚的抗壓強(qiáng)度平均值f1=20 MPa。

表2 回彈儀測(cè)定磚強(qiáng)度等級(jí)的記錄數(shù)據(jù)及計(jì)算表

2.3 砂漿強(qiáng)度的測(cè)定

表3為回彈儀測(cè)定砂漿強(qiáng)度等級(jí)的記錄數(shù)據(jù)及計(jì)算表，表中每個(gè)測(cè)位的12個(gè)回彈值中已剔除最大值和最小值。由于建筑物各測(cè)區(qū)內(nèi)灰縫酥堿較為嚴(yán)重，偏保守認(rèn)為各測(cè)位的砂漿平均碳化深度d均大于3.0 mm。把測(cè)位的平均回彈值R和平均碳化深度d代入式(3)即可計(jì)算測(cè)位的砂漿強(qiáng)度值f2ij［5］，進(jìn)而確定各測(cè)區(qū)的砂漿抗壓強(qiáng)度平均值f2i和建筑物砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值f2。具體計(jì)算方法可參見GB/T 50315—2011砌體工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 回彈儀測(cè)定砂漿強(qiáng)度等級(jí)的記錄數(shù)據(jù)及計(jì)算表

2.4 彈性模量的計(jì)算

經(jīng)測(cè)定可知磚的抗壓強(qiáng)度平均值f1=20 MPa，砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值f2=1.8 MPa，把相關(guān)參數(shù)代入式(1)和式(2)即可計(jì)算砌體的彈性模量，各計(jì)算參數(shù)取值見表4。

3 結(jié)語

表4 計(jì)算彈性模量的各參數(shù)取值

彈性模量是砌體結(jié)構(gòu)古建筑有限元數(shù)值分析中最基本的力學(xué)參數(shù)。本文提供了一種對(duì)其實(shí)測(cè)的方法，首先通過回彈法分別測(cè)定結(jié)構(gòu)塊體和砂漿的強(qiáng)度，進(jìn)而根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算其彈性模量。然而，式(1)和式(2)均建立在大量的砌體試件的試驗(yàn)。

資料之上，砌體結(jié)構(gòu)古建筑采用的塊體、砂漿、砌筑方式與砌體試件難免存在差別，上述計(jì)算方法肯定存在不合理之處。由于砌體是一種非常復(fù)雜的工程材料，對(duì)砌體結(jié)構(gòu)古建筑進(jìn)行有限元數(shù)值分析其目的更多不是為了得到準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，而是為了獲取有用的設(shè)計(jì)信息。因此，即使本文測(cè)定出的彈性模量存在誤差，對(duì)具體工程而言也是有價(jià)值的。

［1］GB 50003—2011，砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］施楚賢.砌體結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［3］唐岱新.砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［4］JC/T 796—2013，回彈儀評(píng)定燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)的方法［S］.

［5］GB/T 50315—2011，砌體工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.