CN108426763A - 一种条石砌筑石墙灰缝力学性能试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种条石砌筑石墙灰缝力学性能试验方法，包括在条石砌筑石墙上选取石墙灰缝单元模型或者根据条石砌筑石墙的结构制作石墙灰缝单元模型、对石墙灰缝单元模型进行建模以及将所述石墙灰缝单元模型放置试验装置上进行测试等步骤，本发明所采用的力学计算模型，充分考虑了条石沿灰缝在地震往复作用下剪切滑移的非线性特征，以及地震作用与竖向压力共同作用下竖向压缩变形刚度，更符合石墙灰缝单元模型实际力学行为过程，该模型考虑非线性力学特征、精炼准确、适用范围广。同时本发明的试验装置通过滑块和直线导轨的配合形成可竖向滑动的直线轴承，实现对条石砌筑石墙灰缝竖向边界条件的模拟，边界条件更加理想、功能更加完善、适用范围更广。

Description

一种条石砌筑石墙灰缝力学性能试验方法

技术领域

本发明是专利号为ZL 201510192106.0、名称为“条石砌筑石墙灰缝力学计算模型、试验装置及试验方法”的发明专利的分案申请。

本发明涉及一种建筑力学性能试验方法，特别是一种条石砌筑石墙灰缝力学性能试验方法。

背景技术

福建沿海地处环太平洋地震带，由条石砌筑的石墙作为主要抗侧力结构构件的石结构建筑民居在该地区大量存在，从而导致该地区抗震防灾工作形势严峻。在地震作用下，条石砌筑石墙灰缝滑移破坏是石结构地震破坏的主要特征。石墙灰缝单元在竖向压应力和低周往复水平荷载作用下的力学行为和破坏机理，是建立条石砌筑石墙非线性数值模拟分析模型，以及研究石结构整体抗震性能的关键问题。

目前国内外对该问题开展过一些理论分析和试验研究，但由于条石砌筑石墙的砌筑工艺和砌块物理特性与常规的建筑构件不同，使得这类研究所建立的墙体灰缝单元计算模型存在以下问题：(1)简单用摩尔库伦摩擦理论建立摩擦系数不变的理想计算模型，忽略石砌块沿灰缝滑移后从静摩擦到动摩擦的系数变化，也忽略了在地震往复作用下摩擦系数的变化；(2)已有计算模型的灰缝剪切滑移曲线刚度不变，不符合石墙灰缝单元实际力学行为过程；(3)已有模型仅针对干砌石墙界面的力学计算，不适用于其它有浆砌筑石墙。

同时，由于条石砌筑石墙灰缝试验所用的试件的复杂性及其受力特点，现有的试验装置存在以下问题：(1)大多数试验装置仅能实现单向水平加载，无法实现水平方向低周往复加载；(2)已有可实现水平方向往复加载装置尺寸过小，仅能适用缩尺试件，且未考虑石墙灰缝单元竖向变形自由的边界条件，存在适用范围小、边界条件不理想等问题。

鉴于此，本案发明人进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种边界条件理想、功能完善、适用范围广的条石砌筑石墙灰缝力学验方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种条石砌筑石墙灰缝力学性能试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在条石砌筑石墙上选取石墙灰缝单元模型或者根据条石砌筑石墙的结构制作石墙灰缝单元模型，所述石墙灰缝单元模型包括三个相邻且竖直排列的条石，每两个相邻的条石之间具有一个灰缝；

S2，对所述石墙灰缝单元模型进行建模，分别采用竖向弹簧单元和水平弹簧单元模拟所述石墙灰缝单元模型在竖直和水平两个方向的力学性能，所述竖向弹簧单元为线性单元，所述水平弹簧单元为非线性单元，建模后获得所述竖向弹簧单元的本构模型和所述水平弹簧单元的恢复力模型；

S3，将所述石墙灰缝单元模型放置试验装置上进行测试，所述试验装置包括反力架、竖直固定在所述反力架上的直线轴承、用于装夹试件的装夹组件、提供水平方向试验力的水平加载组件以及提供竖直方向试验力的竖向加载组件，所述直线轴承包括竖直放置的直线导轨和与所述直线导轨配合的滑块，所述装夹组件包括两个水平设置且相互平行的第一螺杆组和一个位于两个所述第一螺杆组之间且与所述第一螺杆组平行的第二螺杆组，所述第一螺杆组的一端与所述滑块安装在一起，且所述第一螺杆组的杆身上设置有两个用于固定试件位置的紧固钢板，所述第二螺杆组的一端安装在所述水平加载组件上，另一端设置有用于将试件压紧在所述水平加载组件上的压紧钢板，所述竖向加载组件位于试件上方；

根据测试获得的数据分别计算出所述竖向弹簧单元和所述水平弹簧单元的刚度，再将上述刚度的数值放入所述本构模型和所述恢复力模型，获得条石砌筑石墙灰缝力学性能。

作为本发明的一种改进，所述恢复力模型包括骨架曲线和恢复力曲线，建模时，将所述骨架曲线简化为正反曲线对称的三折线式曲线，将所述恢复力曲线简化为正反曲线对称的刚度退化四线型曲线。

作为本发明的一种改进，还包括顶部滚轴支座和底部滚轴支座，所述底部滚轴支座放置在地板或工作台上，试件放置在所述底部滚轴支座上，所述顶部滚轴支座放置在试件上，所述竖向加载组件作用在所述顶部滚轴支座上。

作为本发明的一种改进，所述滑块上固定安装有连接钢板，所述第一螺杆组固定在所述连接钢板上。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所采用的力学计算模型，充分考虑了条石沿灰缝在地震往复作用下剪切滑移的非线性特征，以及地震作用与竖向压力共同作用下竖向压缩变形刚度，更符合石墙灰缝单元模型实际力学行为过程，为开展石结构有限元地震反应分析提供准确的本构模型，相比于现有技术，该模型考虑非线性力学特征、精炼准确、适用范围广。

2、通过滑块和直线导轨的配合形成可竖向滑动的直线轴承，实现对条石砌筑石墙灰缝竖向边界条件的模拟，大幅提高边界条件要求，相比于现有技术，边界条件更加理想、功能更加完善、适用范围更广。

3、本发明的试验装置采用螺杆组来固定试件，对试件尺寸限制低，安装方便，适应性更强。

4、本发明的试验装置可实现试件顶部竖向加载和侧面水平和中心两者可单独加载或同时加载往复加载，加载方案选择性更多，加载过程方便。

附图说明

图1为本发明实施例中石墙灰缝单元模型计算模型示意图；

图2为本发明实施例中本构模型示意图；

图3a为本发明实施例中恢复力模型骨架曲线图；

图3b为本发明实施例中恢复力模型恢复力曲线图；

图4为本发明条石砌筑石墙灰缝力学性能试验装置的结构示意图；

图5为图4中A-A位置的剖视图；

图6为本发明条石砌筑石墙灰缝力学性能试验装置安装示意图。

图中对应标示如下：

10-竖向弹簧单元； 20-水平弹簧单元；

30-石墙灰缝单元模型(试件)； 40-反力架；

50-直线轴承； 51-直线导轨；

52-滑块； 60-装夹组件；

61-第一螺杆组； 62-第二螺杆组；

64-紧固钢板； 65-压紧钢板；

66-连接钢板； 70-水平加载组件；

80-竖向加载组件； 91-顶部滚轴支座；

92-底部滚轴支座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例提供的条石砌筑石墙灰缝力学计算模型，包括石墙灰缝单元模型30，石墙灰缝单元模型30包括三个相邻且竖直排列的条石，每两个相邻的条石之间具有一个灰缝。

分别采用竖向弹簧单元10和水平弹簧单元20模拟石墙灰缝单元模型30在竖向和水平两方向的力学行为，竖向弹簧单元为线性单元，假设其刚度为常数K，则其本构模型如图2所示。

水平弹簧单元为非线性单元，该非线性单元的骨架曲线为正反曲线对称的三折线式曲线，所述非线性单元的恢复力曲线为正反曲线对称的刚度退化四线型曲线，假设K₀表示初始阶段的刚度，K₁表示强化阶段的刚度，K₂表示退化阶段的刚度，K₃表示卸载阶段的刚度，△_p、△_m及△_u分别表示骨架曲线特征点P_P(即水平荷载比例极限值)、P_m(即水平荷载最大值)及P_u(即水平荷载极限值)对应的水平方向的滑移值，图中数字1～4分别表示恢复力曲线上与骨架曲线相对应的特征点，则其力学曲线如图3a和图3b所示。

本实施例还根据上述力学计算模型参数确定的需要提供了条石砌筑石墙灰缝力学性能试验装置及试验方法，该试验方法包括以下步骤：

S1，在条石砌筑石墙上选取石墙灰缝单元模型，或者根据条石砌筑石墙的结构制作石墙灰缝单元模型，条石砌筑石墙可以是干砌石墙，也可以是有浆砌筑石墙或其他类型的石墙。选取获得的石墙灰缝单元模型包括三个相邻且竖直排列的条石，每两个相邻的条石之间具有一个灰缝。石墙灰缝单元模型在条石砌筑石墙上的具体位置可以根据实际需要选择或随机选取。其大小也可以根据实际测试需要进行选择。

S2，对石墙灰缝单元模型进行建模，如图1所示，分别采用竖向弹簧单元10和水平弹簧单元20模拟石墙灰缝单元模型30在竖直和水平两个方向的力学性能，考虑到石墙灰缝单元模型30在竖向的刚度变化有限，为了便于计算，在本实施例中将竖向弹簧单元10简化为线性单元，假设其刚度为常数K，则可以绘制出如图2所示的竖向弹簧单元10的本构模型，在该本构模型中，F表示石墙灰缝单元模型30所受到的竖向力，△表示石墙灰缝单元模型竖向的滑移值，F_m表示竖向载荷最大值，△_m表示竖向滑移最大值。

水平弹簧单元20为非线性单元，其建模后获得的恢复力模型包括骨架曲线和恢复力曲线，建模时，将骨架曲线简化为正反曲线对称的三折线式曲线，将恢复力曲线简化为正反曲线对称的刚度退化四线型曲线，则可以绘制出如图3a和图3b所示的恢复力模型，在该恢复力模型中，P表示石墙灰缝单元模型30所受到的水平方向的力，△表示石墙灰缝单元模型30水平方向的滑移值，随着P值得增加，水平弹簧单元20在水平方向会依次经过初始阶段、强化阶段、退化阶段和卸载阶段，其刚度在各个阶段是不同的，在本实施例中，用K₀表示初始阶段的刚度，K₁表示强化阶段的刚度，K₂表示退化阶段的刚度，K₃表示卸载阶段的刚度，△_p、△_m及△_u分别表示骨架曲线特征点P_P(即水平荷载比例极限值)、P_m(即水平荷载最大值)及P_u(即水平荷载极限值)对应的水平方向的滑移值，图中数字1～4分别表示恢复力曲线上与骨架曲线相对应的特征点。

S3，将石墙灰缝单元模型30放置在条石砌筑石墙灰缝力学性能试验装置上进行测试，如图4和图5所示，本实施例提供的条石砌筑石墙灰缝力学性能试验装置，包括反力架40、竖直固定在反力架40上的直线轴承50、用于装夹石墙灰缝单元模型30(即试件30)的装夹组件60、提供水平方向试验力的水平加载组件70、提供竖直方向试验力的竖向加载组件80、以及顶部滚轴支座91和底部滚轴支座92。直线轴承50包括竖直放置的直线导轨51和与该直线导轨51配合的滑块52，反力架40为常规的三角反力架，直线导轨50为高负荷直线导轨。当然，条石砌筑石墙灰缝力学性能试验装置还包括控制水平加载组件70和竖向加载组件80工作时序的控制系统，该控制系统为常规的控制系统，水平加载组件70和竖向加载组件80也是常规的加载组件，此处不再详述。

需要说明的是，如图6所示，水平加载组件70最好安装在另一个反力架上，该反力架与上文中的反力架40相向放置，竖向加载组件80最好安装在可以为竖向加载组件80提供支撑的横梁上。

装夹组件60包括两个水平设置且相互平行的第一螺杆组61和一个位于两个第一螺杆组61之间且与第一螺杆组61平行的第二螺杆组62，第一螺杆组61和第二螺杆组62分别固定住石墙灰缝单元模型30上相应的条石，即每个第一螺杆组61或第二螺杆组62固定住石墙灰缝单元模型30上的一个条石。

第一螺杆组61的一端与滑块52安装在一起，这样直线轴承50可限制试件30固定部位的水平运动，同时可提供水平滑动摩擦的竖向边界条件，实现试件30较理想的竖向自由变形。

第一螺杆组61的杆身上设置有两个用于固定试件30位置的紧固钢板64，两个紧固钢板64分别位于试件30的两端，通过相向锁紧实现对试件30位置的紧固。此外，为了确保第一螺杆组61与滑块52之间的连接更加牢固，在本实施例中，滑块52上固定安装有连接钢板66，第一螺杆组61通过固定在连接钢板66上与滑块52间接安装在一起。

第二螺杆组62的一端安装在水平加载组件70上，另一端设置有用于将试件30压紧在水平加载组件70上的压紧钢板65，即试件30被夹紧在压紧钢板65和水平加载组件70上。

底部滚轴支座92放置在地板、工作台或其他水平测试台上，试件30放置在底部滚轴支座92上，顶部滚轴支座91位于试件上方且放置在试件30上，竖向加载组件80作用在顶部滚轴支座91上，通过使用，顶部滚轴支座91和底部滚轴支座92，在加载时可以有效降低边界摩擦而产生的附加弯矩对试验结构的影响

测试时，通过控制系统控制水平加载组件70和/或竖向加载组件80逐渐增加加载的载荷，记录载荷数值及试件30上的条石在竖向和/或水平方向的滑移值，特别是要记录恢复力模型中各特征点的数值，根据测试获得的数据分别计算出竖向弹簧单元和水平弹簧单元的刚度，再将所获得的刚度的数值放入对用的本构模型和恢复力模型中，获得条石砌筑石墙灰缝力学性能。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，如根据试件的集合尺寸和承载要求限定顶部滚轴支座91和底部滚轴支座92的大小等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种条石砌筑石墙灰缝力学性能试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在条石砌筑石墙上选取石墙灰缝单元模型或者根据条石砌筑石墙的结构制作石墙灰缝单元模型，所述石墙灰缝单元模型包括三个相邻且竖直排列的条石，每两个相邻的条石之间具有一个灰缝；

S2，对所述石墙灰缝单元模型进行建模，分别采用竖向弹簧单元和水平弹簧单元模拟所述石墙灰缝单元模型在竖直和水平两个方向的力学性能，所述竖向弹簧单元为线性单元，所述水平弹簧单元为非线性单元，建模后获得所述竖向弹簧单元的本构模型和所述水平弹簧单元的恢复力模型；

S3，将所述石墙灰缝单元模型放置试验装置上进行测试，所述试验装置包括反力架、竖直固定在所述反力架上的直线轴承、用于装夹试件的装夹组件、提供水平方向试验力的水平加载组件以及提供竖直方向试验力的竖向加载组件，所述直线轴承包括竖直放置的直线导轨和与所述直线导轨配合的滑块，所述装夹组件包括两个水平设置且相互平行的第一螺杆组和一个位于两个所述第一螺杆组之间且与所述第一螺杆组平行的第二螺杆组，所述第一螺杆组的一端与所述滑块安装在一起，且所述第一螺杆组的杆身上设置有两个用于固定试件位置的紧固钢板，所述第二螺杆组的一端安装在所述水平加载组件上，另一端设置有用于将试件压紧在所述水平加载组件上的压紧钢板，所述竖向加载组件位于试件上方；

根据测试获得的数据分别计算出所述竖向弹簧单元和所述水平弹簧单元的刚度，再将上述刚度的数值放入所述本构模型和所述恢复力模型，获得条石砌筑石墙灰缝力学性能。

2.如权利要求1所述的条石砌筑石墙灰缝力学性能试验方法，其特征在于，所述恢复力模型包括骨架曲线和恢复力曲线，建模时，将所述骨架曲线简化为正反曲线对称的三折线式曲线，将所述恢复力曲线简化为正反曲线对称的刚度退化四线型曲线。

3.如权利要求1所述的条石砌筑石墙灰缝力学性能试验方法，其特征在于，还包括顶部滚轴支座和底部滚轴支座，所述底部滚轴支座放置在地板或工作台上，试件放置在所述底部滚轴支座上，所述顶部滚轴支座放置在试件上，所述竖向加载组件作用在所述顶部滚轴支座上。

4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的条石砌筑石墙灰缝力学性能试方法，其特征在于，所述滑块上固定安装有连接钢板，所述第一螺杆组固定在所述连接钢板上。