料石墻體縮尺試驗(yàn)方法研究

料石墻體縮尺試驗(yàn)方法研究

收縮模型試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中常見(jiàn)的方法。應(yīng)用相似比原理，根據(jù)特定的相似性比將足量試件縮小至試驗(yàn)裝置的尺寸，可以有效地獲得結(jié)構(gòu)特征。由于塊體的巨大自圓和施工困難，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家主要采用了特定的墻收縮模型和區(qū)塊腳收縮模型，即墻高和寬為實(shí)際尺寸的1.2，塊體塊的尺寸和表面粗糙度的實(shí)際尺寸。但是，該模型不符合相似比理論。為了對(duì)料石墻體試驗(yàn)方法進(jìn)行探究,得出更符合實(shí)際情況的縮尺模型,本文開展了足尺試件及2種縮尺試件的水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn).1測(cè)試1.1試件sw-2試驗(yàn)中的3個(gè)試件均為粗料石墻體,采用東南沿海地區(qū)常用的有墊片鋪漿法砌筑.砂漿設(shè)計(jì)強(qiáng)度為M5,墻體豎向壓應(yīng)力為0.5MPa.試件示意圖見(jiàn)圖1,試件參數(shù)見(jiàn)表1.表中,試件W-1為足尺試件,試件SW-1和SW-2為1∶2縮尺試件.試件SW-1的墻體尺寸為足尺模型的1/2,但石砌塊采用足尺砌塊,石砌塊表面粗糙程度及砂漿層厚度也與足尺模型相同;試件SW-2嚴(yán)格按照相似比理論,墻體尺寸、石砌塊尺寸、石砌塊表面粗糙程度和灰縫厚度均為足尺模型的1/2.根據(jù)相似比理論,縮尺墻體的相似關(guān)系見(jiàn)表2.石砌塊表面粗糙程度采用鋪沙法來(lái)測(cè)量.具體過(guò)程如下:(1)將石砌塊底部墊平,測(cè)量長(zhǎng)、寬、高;(2)在砌塊表面鋪細(xì)砂,直至表面平整;(3)將砌塊表面細(xì)砂全部放入標(biāo)準(zhǔn)混凝土試模中;(4)測(cè)量試模中細(xì)砂高度,即可得出細(xì)砂體積;(5)測(cè)量石砌塊表面最大高差.平均高差可表示為式中,Vs為細(xì)砂體積;a,b分別為石砌塊的長(zhǎng)度和寬度.1.2力和位移混合控制試驗(yàn)本試驗(yàn)為擬靜力試驗(yàn),加載裝置由豎向加載系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)2個(gè)部分組成(見(jiàn)圖2).豎向荷載由墻體頂部的千斤頂通過(guò)分配梁施加到墻體頂面;水平荷載通過(guò)電液伺服加載系統(tǒng)施加在墻體頂梁上.千斤頂與加載梁之間放置滑車,以減小摩擦力.試驗(yàn)中,水平荷載采用力和位移混合控制加載.足尺試件的第1級(jí)荷載取為100kN,其后每級(jí)增量為50kN,每級(jí)水平力推、拉方向上各加、卸載1次.力控制加載至墻體位移角約1/4000(即墻體水平位移接近1mm)時(shí),轉(zhuǎn)為位移控制.位移控制時(shí),每級(jí)位移角分別取為±1/2000,±1/1000,±1/500,±1/250,±1/100,除最后一級(jí)外,每級(jí)位移循環(huán)3次.縮尺試件的第1級(jí)荷載取為20kN,其后每級(jí)增量為20kN,加載至墻體開裂轉(zhuǎn)為位移控制,每級(jí)位移取開裂位移的倍數(shù).試驗(yàn)過(guò)程中,若試件產(chǎn)生嚴(yán)重破壞不適宜繼續(xù)加載,停止試驗(yàn).1.3地梁和頂梁的豎向位移監(jiān)測(cè)墻體位移計(jì)布置圖見(jiàn)圖3.圖中,位移計(jì)1和位移計(jì)3~位移計(jì)9為普通位移計(jì),利用靜態(tài)應(yīng)變采集儀TST3826進(jìn)行采集.位移計(jì)1,3,5,9用于監(jiān)測(cè)地梁和頂梁的豎向位移;位移計(jì)2為MTS液壓伺服加載系統(tǒng)配套的磁致伸縮位移傳感器,在位移加載過(guò)程中起控制作用;位移計(jì)4和位移計(jì)6分別用于監(jiān)測(cè)頂梁和地梁的水平位移;位移計(jì)7和位移計(jì)8用于監(jiān)測(cè)墻體對(duì)角方向變形.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1墻體有水平裂縫通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)可以發(fā)現(xiàn),3個(gè)試件的主要試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài)基本相同.加載初始階段,墻體受拉側(cè)出現(xiàn)水平裂縫;隨著水平位移的逐漸增大,墻體出現(xiàn)雙向階梯狀剪切裂縫,最后以雙向階梯狀裂縫充分開展、兩端墻角石砌塊壓碎為標(biāo)志破壞.墻體呈現(xiàn)彎曲-剪切復(fù)合破壞模式,且以剪切破壞為主.各試件最終狀態(tài)如圖4所示.從破壞模式上看,2種縮尺模型均與足尺模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.2.2足尺模型的討論試件各階段荷載和水平位移見(jiàn)表3.將各階段荷載除以相應(yīng)的受剪面積,便可得到剪應(yīng)力,結(jié)果見(jiàn)表4.由表可知,2個(gè)縮尺試件各階段的剪應(yīng)力與足尺試件均很接近,在極限狀態(tài)和破壞狀態(tài)下,縮尺試件與足尺試件的荷載相差均在10%以內(nèi).試件SW-1的剪應(yīng)力與足尺試件更為接近,極限狀態(tài)和破壞狀態(tài)下的極限剪應(yīng)力與足尺試件相差在5%以內(nèi).由此可見(jiàn),就剪應(yīng)力而言,2種縮尺模型均能很好地反應(yīng)足尺試件的受力特性,且采用墻體縮尺、砌塊足尺的縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果更接近足尺模型.將各階段位移除以相應(yīng)的試件高度,便可得到位移角,結(jié)果見(jiàn)表5.由表可知,開裂狀態(tài)下,2個(gè)縮尺試件位移角與足尺試件較為接近,相差在20%以內(nèi).進(jìn)入極限狀態(tài)和破壞狀態(tài)后,試件SW-1與足尺試件試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,相差均在5%以內(nèi);而試件SW-2則與足尺試件試驗(yàn)結(jié)果差別較大.綜上可知,采用墻體縮尺、砌塊足尺的縮尺模型,各階段的剪應(yīng)力和位移與足尺模型極為接近;而嚴(yán)格按照相似比理論的縮尺模型僅在剪應(yīng)力方面與足尺模型較接近,在位移方面,由于石砌塊表面粗糙程度的不同,與足尺模型差別較大.2.3抗疲勞性能分析2.3.1滯回曲線與滯回曲線試驗(yàn)中各試件的滯回曲線見(jiàn)圖5.圖中,P為荷載,Δ為水平位移.由圖可知,在加載初期,縮尺試件與足尺試件滯回環(huán)形狀基本相同,均為細(xì)長(zhǎng)梭形.加載至接近破壞階段時(shí),2個(gè)縮尺試件的滯回曲線均為飽滿梭形,試件滑移較小,卸載時(shí)殘余變形很大;而足尺試件的滯回曲線則出現(xiàn)了明顯的捏縮現(xiàn)象,殘余變形相對(duì)較小.由此可見(jiàn),2種縮尺模型的滯回曲線與足尺試件存在一定差距,但相比之下,試件SW-1與足尺試件更為接近.2.3.2縮尺試驗(yàn)和足尺試驗(yàn)的骨架曲線各試件的骨架曲線見(jiàn)圖6.其中,橫坐標(biāo)β表示位移角,縱坐標(biāo)τ表示相應(yīng)的剪應(yīng)力.由圖可知,縮尺試件SW-1的骨架曲線與足尺試件的骨架曲線極為接近,兩者幾乎重合;而試件SW-2的骨架曲線與其余2個(gè)差別較大.2.3.3屈曲試驗(yàn)結(jié)果采用圖解法計(jì)算各試件的屈服位移與屈服荷載.方法如圖7所示:過(guò)點(diǎn)O做切線,交過(guò)點(diǎn)U的水平直線于點(diǎn)A;過(guò)點(diǎn)A做豎直直線,交曲線于點(diǎn)B;連接OB并延長(zhǎng),交過(guò)點(diǎn)U的水平直線于點(diǎn)C過(guò)點(diǎn)C做豎直直線,交曲線于點(diǎn)Y.點(diǎn)Y即為屈服點(diǎn),其所對(duì)應(yīng)的荷載和位移分別為屈服荷載和屈服位移.由此便可得到各試件的屈服剪應(yīng)力、屈服位移角及延性系數(shù),結(jié)果見(jiàn)表6.由表可知,縮尺試件SW-1的試驗(yàn)結(jié)果與足尺試件較為接近,屈服荷載相差2%,屈服位移相差4%,延性系數(shù)相差13.7%.而對(duì)于試件SW-2,除了屈服位移與足尺試件較為接近外,其余指標(biāo)均相差較遠(yuǎn).2.3.4足尺試件的剛度退化規(guī)律各試件的剛度退化曲線見(jiàn)圖8.其中縱坐標(biāo)K為剪應(yīng)力與位移角的比值.由圖可知,3個(gè)試件均表現(xiàn)出較為相似的剛度退化規(guī)律,足尺試件的初始剛度較縮尺試件大.總體而言,縮尺試件SW-1與足尺試件的曲線較為接近,在初始階段,足尺試件剛度略大,但當(dāng)位移角大于1/500后,兩者相差很小,曲線幾乎重合;而對(duì)于試件SW-2,由于其破壞位移與其余2個(gè)試件相差較大,整個(gè)曲線的位移角范圍較小,故與足尺試件有較大差距.2.3.5足尺試件與足尺試件的比較試件各階段的等效黏滯阻尼系數(shù)見(jiàn)表7.由表可知,縮尺試件SW-1的等效黏滯阻尼系數(shù)在極限狀態(tài)和破壞狀態(tài)下與足尺試件較為接近,相差在7%以內(nèi);在開裂狀態(tài)和屈服狀態(tài)下,則與足尺試件存在一定差距.而對(duì)于試件SW-2,各個(gè)狀態(tài)下的等效黏滯阻尼系數(shù)均與足尺試件存在較大差距.綜合上述,采用墻體縮尺、砌塊足尺的縮尺試件在骨架曲線、延性和剛度退化上與足尺試件試驗(yàn)所得結(jié)果極為接近,在滯回性能和耗能能力上由于位移加載循環(huán)次數(shù)的不同而有所不同,但該縮尺模型基本可以反應(yīng)足尺模型的抗震特性.而對(duì)于嚴(yán)格按照相似比理論的縮尺試件,由于砌塊表面粗糙程度的不同,墻體各階段位移與足尺試件存在較大差距,從而導(dǎo)致各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)均與足尺試件差別較大.3足尺模型與剪應(yīng)力模型的比較1)料石墻體在剪力作用下的破壞模式為彎曲-剪切復(fù)合破壞,且以剪切破壞為主.2種縮尺模型均能很好地反應(yīng)足尺模型的破壞特征.2)采用墻體縮尺、砌塊足尺的縮尺模型在各階