类砖混生土结构及其砌体抗压强度理论研究

吴永诚,王朝晖,曾佑东,孟祥武,2

(1.兰州理工大学 设计艺术学院,甘肃 兰州　730050;2.西安建筑科技大学 建筑学院,陕西 西安　710055)



类砖混生土结构及其砌体抗压强度理论研究

吴永诚1,王朝晖1,曾佑东1,孟祥武1,2

(1.兰州理工大学 设计艺术学院,甘肃 兰州730050;2.西安建筑科技大学 建筑学院,陕西 西安710055)

对生土结构概念和生土砖砌体受力分析进行研究,提出类砖混生土结构的基本概念和设计内容及其生土砖砌体的组成,建议生土砖砌体中砖浆的抗压强度等级。研究生土砖砌体抗压强度的理论计算,对砖砌体破坏理论包络线的H.K.Hilsdorf斜线公式进行分析,推导出砖砌体破坏理论包络线的二次曲线公式。二次曲线类似于双曲线形状,其计算值较理论包络线的斜线公式计算值更接近砖砌体破坏时的实际值。经理论计算和比较,生土砖砌体的整体受力表现明显高于烧结砖砌体的受力表现。

类砖混生土结构;砌体强度;理论计算;二次曲线

生土建筑就地取材,易于施工,造价低廉,冬暖夏凉,节省能源,而且融于自然,有利于环境保护和生态平衡。在人们普遍关注生态危机、能源危机、环境污染的今天,这种建筑依然有强大的生命力[1]。改变生土结构缺陷的研究一直是建筑结构工作者努力的目标。

在生土结构中,生土墙是核心的受力构件。近些年,许多学者对生土墙体的力学性能进行了研究,用来改善生土结构的自身缺陷。王毅红等[2]采用不同的砌筑方式制作了4个土坯砌体抗压试件,对试件进行了加载实验,研究试件受力过程、破坏形态和荷载位移曲线,并和砖砌体受力做对比,分析影响土坯砌体承载力和变形性能的因素。阿肯江·托呼提等[3]参照砌体基本力学性能试验方法标准进行了土坯及土坯砌体、改性土坯砌体的抗压强度试验,分析了土坯、灰浆强度、砌筑质量和试验方法对土坯砌体抗压强度的影响,提出了抗压强度标准值的简化计算公式。曹耿等[4,5]通过土坯砌体单轴抗压试验研究,得到其荷载位移曲线,采用回归分析,运用应力-应变曲线特征点推得其本构关系中特征参数,确定了单轴受压本构关系,同时将可靠度理论分析运用到生土建筑结构的安全设计中。焦春节等[6]、房彦山等[7]对传统和改性土坯砌体进行了抗剪性能实验,通过实验研究了其破坏过程和破坏特征,并分析影响土坯墙抗剪性能的因素,提出了传统和改进土坯墙抗剪承载力的计算公式。尚建丽[8]在材料研究的基础上,对夯土混合结构提出准刚性方案的设计概念,提出夯土墙体结构可采用的两种设计方法,给出夯土承重墙体抗压承载力计算表达式和关键参数。陆承铎[9]在对汶川地震灾区的砖混结构的不同构件进行震害分析后,指出土坯墙结构的房屋在受到地震力作用时,稳定性较差,并提出了一系列的抗震加固措施和修复意见。

从上述研究可以看出,针对生土结构的研究大多集中在原有生土墙体构件的力学性能方面。目前,深入的研究需要更具针对性地在生土结构概念、设计和建造的具体内容方面,以及在生土材料保持原有性能的基础上使生土结构和生土砖砌体适应现代设计方法和建造方式的诸方面开展工作。类砖混生土结构就是在此背景下,基于诸多学者对生土土坯墙结构的研究,借鉴传统砖混结构理论和实践产生的一种结构概念和建造方式类似于砖混结构的生土结构形式。在此基础上对其砌体抗压强度进行了理论验算。

1　类砖混生土结构

砖混结构是建筑结构类型中非常成熟的结构类型。类砖混生土结构就是在结构概念和建造方式上借鉴砖混结构的设计技术和建造技术,从而设计和建造出的一种生土建筑结构。

1.1受力体系及组成

借鉴砖混结构,类砖混生土结构的水平受力构件梁板由钢筋混凝土梁板构件或木制椽梁体系组成,承受构件上部传来的各种荷载及水平构件自重;竖向受力构件由两部分组成,一小部分由钢筋混凝土独立柱组成,其余大部分由生土砖砌体组成,承受由上部水平构件传来的各种荷载和竖向构件自重。

1.2结构布置方案

在类砖混生土结构的布置方案中,水平受力构件的梁板布置按钢筋混凝土结构的梁板布置方法或用木椽梁体系布置梁板;竖向受力构件的布置借鉴砖混结构的布置方式,主要采用横墙承重方案和以横墙为主的纵横墙混合承重方案。考虑到类砖混生土结构主要应用于低层的民居和一些文化旅游建筑,在结构布置方案中较易实现横墙承重方案,所以不建议采用纵墙承重方案和其他类型的结构布置方案。

1.3静力计算方案及方法

在结构的静力计算方案中,同样由于生土建筑的应用特点,采用刚性计算方案。在计算过程中类砖混生土结构的静力计算假定同砖混结构的静力计算假定,类砖混生土结构的静力计算方法可以借用砖混结构的计算方法。

1.4建造方式

类砖混生土结构的建造方式不同于土坯墙生土结构。主要的不同在于类砖混生土结构的墙体是按照砖砌体砌筑的,由此带来生土砖生产的标准化和砌体砌筑的精细化,使生土建筑按照现代施工方式实现生土建筑建造的现代化。在一个相当长的时期,生土建筑的建造囿于施工方式的乡土化,而没有把重点放在发掘和保留生土材料生态优势和适于人居优势的同时实现建造的现代化,使生土建筑脱离了时代的发展。

2　类砖混生土结构中的生土砖砌体

生土材料和烧结粘土材料的制作和性能有较大的不同,两种材料砌筑的砌体在受力过程中内力的复杂程度和状态也有较大不同。

2.1生土砖

在生土材料已有研究成果[10,11]的基础上,采用挤压或振动成型的机械生产方式,生产满足二至三层建筑所需的生土砖在技术上已具备完全的能力。

材料:兰州市周边黄土、石灰、粉沙、麦秸秆。

规格:240 mm×115 mm×53 mm。

成型工艺:挤压振动成型。

生土砖的抗压强度等级建议分别取:2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa、5.0 MPa。

图1为生土砖在单轴受压时的应力-应变曲线,其破坏形态见图2。

图1　生土砖试件受压应力-应变曲线Fig.1　Compressive stress and strain curve of raw soil brick test-piece

图2　破坏后的试件Fig.2　Destroyed test-piece

实验中发现,通过调整麦秸秆、石灰的掺入量,可以改变直线段的斜率和曲线段的饱满程度。

2.2生土浆

生土浆在类砖混生土结构生土砖砌体中的作用如同砂浆在砖混结构砖砌体中所起的作用。所不同的是生土浆所需的抗压强度较低;在生土浆中添加了麦秸秆末纤维,灰浆的抗拉强度较好;在生土浆中适量添加水玻璃,使生土浆的保水性和和易性有所提高。

生土浆的材料:兰州市周边黄土、水玻璃、粉沙、麦秸秆末。

生土浆的抗压强度等级建议分别取:0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa。

2.3生土砖砌体

生土砖砌体可借鉴粘土烧结砖砌体的施工工法。生土砖在受压过程中表现出的塑性材料性能,使生土砖砌体的受力状态相对于烧结粘土砖砌体的受力状态有很大的改善。

在烧结粘土砖砌体中,烧结粘土砖是一种脆性破坏材料,弹性模量比砂浆大很多,而砂浆在受力过程中表现出的塑性材料性能,使砖和砂浆在受力状态中不能很好地协同工作;且砖在烧结过程中外形发生翘曲变形。这些因素使砖在砌体中处于弯曲和横向拉力的复杂应力状态,使砖在最薄弱部位首先受拉破坏,砌体随之产生竖向裂缝而破坏。

在生土砖砌体中,上述介绍的生土砖具有较好的塑性性能,弹性模量较低。生土浆材料通过调整组分使其弹性模量和生土砖的弹性模量接近,从而使砖和浆较好地协同工作;且生土砖不需烧结,形状规整。受这些因素的影响,砖和浆在砌体中的受力状态比较简单,能较好地发挥出材料的抗压性能。

3　生土砖砌体抗压强度的理论计算

3.1理论计算模型

采用文献[11]中提出的砌体抗压强度计算模型,该模型以单块砖叠砌的棱柱体试件为研究对象,见图3。

在模型中承受垂直压力σy时,忽略试验机上下压板对砌体上下的约束;仍然认定在砖内产生横向拉应力,在浆内产生压应力;砖与浆之间相互不产生滑移。

3.2砌体中生土砖及生土浆横向拉应力

在文献[11]中,用图3所示的计算模型,分析砌体中生土砖和生土浆产生的横向拉应力,见图4。

图3　单块砖叠砌的砌体试件Fig.3　Masonry test-piece of single brick bond

图4　轴向力作用下的砌体中的砖与砂浆的应力分析Fig.4　Stress analysis of brick and mortar in masonry with axial force

根据广义胡克定律,求出砌体中砖的横向拉应力σxb和σzb为

(1)

砌体中生土砖的基本受力状态和计算假定同砌体中砖的受力状态,式(1)求解的横向拉应力σxb和σzb的结果可以应用到砌体中生土砖的受力分析中。在式(1)中,(1-νb)往往比αβ(1-νm)小很多,可将其略去,且令

则式(1)简化为

σxb=σzb=σyξ。

(2)

生土浆横向压应力σxm和σzm为

σxm=σzm=ασxb,

(3)

其中:α=tb/tm,β=Eb/Em,νb和νm为生土砖和生土浆的泊松比;Eb、Em为生土砖和生土浆的弹性模量;tb、tm为生土砖和生土浆的厚度。

3.3生土砖砌体抗压强度的理论计算

(4)

砖砌体破坏是以砖的破坏为标志,由此得到砖砌体抗压强度的理论求解。

(2)砖砌体理论包络线的一元二次曲线求解增加曲线的二次项,能够提高计算精度,可以更好地描述材料破坏中的塑性性能。假定材料破坏时的理论包络线为一元二次曲线,见图5。

图5　砖砌体破坏时其拉-压应力理论包络Fig.5　Pull-compressive stress theoretical envelope diagram in damage of brick masonry

在图5中,有两个已知点用以确定斜线的理论包络线,确定二次曲线需要确定第三个点。对任意的拉应力σxb,曲线上有对应的破坏压应力σult,该点应符合材料力学第二强度理论,破坏条件为该点上最大伸长线应变ε1达到材料在单向拉伸发生断裂破坏时的极限伸长线应变εu,有

ε1=εu。

假定当材料的ε1达到εu时,在破坏前符合胡克定律

在图4所示条件的下,上式即

有σxb=σzb,σy=σult,且σult为压应力,取负值,整理得

(5)

(6)

设满足图5条件的任意一元二次曲线方程为

(7)

(8)

(9)

得到砖砌体破坏时理论包络线的一元二次曲线求解。

(3)砖砌体抗压强度的理论求解将式(2)代入式(9),且注意σy=σult,令

得到有拉应力时的破坏压应力σult和无拉应力时的破坏压应力σ'ult的比值ρ的一元二次方程为

(10)

对ρ求解,注意在多项式中,ξ是一个较小值,与ξ2有关的项略去,整理得

(11)

其中:0<ρ1,2<1。

(4)生土砖砌体抗压强度的理论计算生土砖砌体在压应力条件下的受力状态与砖砌体在此条件下的受力状态是一致的,不同之处表现在:①生土砖和生土浆的应力-应变曲线形状接近,两者的弹性模量E相差较小,在受力过程中砖和浆可以较好地协同工作,提高砌体的整体抗压强度;②生土砖和生土浆的抗拉性能较好;③改变生土砖和生土浆的组分及制作工艺,可以在较大的范围内改变两种材料的性能,材料性能有比较好的可设计性。

以上数据带入上述各参数公式后可得

α=tb/tm=6.625,ξ=0.027 6,η=5.0,φ=8.0。

在式(11)中,得

σult=2.96 MPa。

上述生土砖砌体的理论设计抗压强度计算值为2.96 MPa。烧结砖在砌体中受到复杂应力的作用,使砌体的抗压强度大大低于砖的抗压强度,在文献[1,2]中图3的试验砌体其强度仅为砖抗压强度的0.24。从上述理论计算结果看出,生土砖砌体的整体受力表现明显高于烧结砖砌体的受力表现。

上述数据在理论包络线斜线公式(4)中得

理论包络线二次曲线在理论包络线斜线的内侧,应类似于双曲线形状。理论包络线二次曲线在求解时考虑了材料破坏时的极限线应变,其计算值较理论包络线斜线计算值更接近砖砌体破坏时的实际值。

通过式(11)可以进一步分析影响砖砌体强度的各种因素,为生土砖材料的性能设计提供依据。

4　结语

(1)目前,在生土结构研究中需有针对性地在结构整体研究和生土材料改性的同时保持原有性能方面开展工作,诸如结构概念确定和结构设计方法以及材料在满足结构安全的同时突出生土材料原有性能的诸方面是生土结构进一步深入研究的方向。生土建筑理论的系统化和精细化是生土建筑走向当代建筑的重要环节。

(2)类砖混生土结构是一种结构概念和建造方式类似于砖混结构的生土结构形式。借鉴砖混结构成熟的概念和技术是类砖混生土结构实践的有效途径,不同的是,需要利用生土砖材料的可设计理念,研究生土砖砌体砖浆协同工作的机能和材料的延性,使生土结构更具优良的结构性能。

(3)研究材料的可设计性、生产形状平整和尺寸一致的生土砖、研究和易性和保水性高的生土浆,是生土砖砌体研究能够发挥的优势,也是生土砖砌体研究比较好地符合砖砌体理论抗压强度计算假定的主要因素。

(4)砖砌体破坏的理论包络线二次曲线类似于双曲线形状,该曲线在分析时考虑了材料破坏时的极限线应变,其计算值较理论包络线斜线计算值更接近砖砌体破坏时的实际值。

(5)经理论计算和比较,生土砖砌体的整体受力表现明显高于烧结砖砌体的受力表现。

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[7]房彦山,哈斯亚提·哈里丁,阿肯江·托呼提,等.土坯砌体抗剪性能试验研究[C]// 第22届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册.乌鲁木齐,2013.

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[11]施楚贤.砌体结构理论与设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

Theoretical Study of Brick Mixed Raw Soil Structure and Its Masonry Compression Strength

Wu Yongcheng1,Wang Zhaohui1,Zeng Youdong1,Meng Xiangwu1,2

(1.College of Design Art,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.College of Architecture,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

This paper makes study on the raw-soil structure conception and raw-soil brick masonry force analysis.It proposes the basic concept and design content of brick mixed raw soil structure and the composition of its raw soil brick masonry,suggesting the compressive strength level of brick thick liquid in the raw soil brick masonry.And then it studies the theoretical calculations of compressive strength level of raw soil,making analysis of envelope curve's H.K.Hilsdorf bias formula of brick masonry failure theory,and then it deduces the quadric curve formula of brick masonry failure theory.Quadric curve is similar to the shape of hyperbolic curve,and its calculation value is closer to the actual value of brick masonry failure when compared to that of envelope curve's bias formula.Through theoretical calculation and comparison,the global stress of raw soil brick masonry is significantly higher than sintering brick masonry.

Brick mixed raw soil structure;Masonry strength;Theoretical calculation;Quadratic curve

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.014.

2015-12-28;

2016-03-10.

国家自然科学基金项目(51568038).

吴永诚(1956-),男,甘肃武威人,教授级高级工程师,研究方向为绿色建筑设计与生土材料及结构性能研究.E-mail:114083820@qq.com.

TU375.4

A

1004-0366(2016)04-0066-06

引用格式:Wu Yongcheng,Wang Zhaohui,Zeng Youdong,etal.Theoretical Study of Brick Mixed Raw Soil Structure and Its Masonry Compression Strength[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):66-71.[吴永诚,王朝晖,曾佑东,等.类砖混生土结构及其砌体抗压强度理论研究[J].甘肃科学学报,2016,28(4):66-71.]