剪压复合作用下块体-砂浆界面力学性能试验研究

杨春侠，李春林，吴艳谋，倪玉双

（长沙理工大学 土木工程学院，湖南长沙 410114）

0 引言

砖和砂浆是两种不同的材料，抗拉和抗剪性能较差，强震发生时，水平和竖向振动交替进行，砌体结构房屋的砖与砂浆界面间因抗剪性能差及粘结力不足产生破坏， 造成建筑物受损甚至垮塌[1]。 砖与砂浆界面位置的剪切性能及粘结性能研究[2]，对于分析砌体结构的破坏机制至关重要， 因此砌体的抗剪粘结滑移本构关系研究极其重要。

砖块和砂浆界面粘结滑移本构关系是建立严格匀质化RVE单元匀质化方程的重要理论依据，目前，砌体结构单元主要分为宏观模型和细观模型两种。 宏观模型的材料参数必须通过足够大试件的力学试验获得，计算精度相对细观模型要低，无法揭示块体及砂浆之间的相互作用机理， 主要适用于较大的砌体结构分析[3-4]。 而细观模型可得到较精确结果，建立细观层次上砖与砂浆界面的本构模型，可为砌体结构破坏准则建立基础，并为砌体结构精细化模型分析开辟一条新途径。

1 试验设计

1.1 试件制作及养护

用MU10 烧结粘土实心砖与M5、M7.5、M10 和M15 四种砂浆组砌24 组试件， 用在四种不同轴压比的试验中， 每组设置3个试件，共计72 个试件。 试件编号形式为：轴压比-砂浆强度-试件序号，例如：0.2-M5-1 代表轴压比为0.2、砂浆强度为M5 的编号为1 的试件。

试件严格按照《砌体基本力学性能试验标准》（GB/T 50129—2011）的要求设计[5]。 试验采用灰缝满铺砌筑[6-7]，完成试件砌筑养护一周后，在试件的一侧受力面上用1:2 水泥砂浆进行约10mm抹面，静置养护2 至3 日后，对试件另一侧受力面进行抹面。 为减少偏心及应力集中产生的影响， 试验采用专业仪器对试件进行精细化打磨处理。 待砂浆达到设计强度后，对试件进行抗压和剪压抗剪粘结滑移试验。

1.2 试验装置及加载方式

采用量程200kN 千斤顶固定于门式反力架上，进行砌体剪压试件的竖向加载，水平加载采用水平反力架与千斤顶相连，将水平反力架置于混凝土支墩表面上[8-9]，读取并记录荷载传感器上的荷载值。 试件顶部的中间块砖，以及试件两侧的加载受力面均加上厚度为20mm 的钢垫板。 在试件的中心点垂直安装百分表，用于测量砖与砂浆界面的相对位移。 试验装置如图1 所示。

图1 试件加载装置示意图

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

初始加载至峰值应力初期阶段， 灰缝位置的裂纹发展不明显，达到峰值应力时，砌体界面处裂缝发展迅速并贯通整个界面，砌体试件边角剥落，破坏面呈倾斜状，表现出较为显著的脆性破坏特征[10]。 试验破坏出现Ⅰ类破坏形式：以单剪面破坏形式居多，部分为双剪面破坏，见图2a）、图2b），同时出现Ⅱ类砂浆破坏和Ⅲ类砌体中砖块破坏形式，见图2c）、图2d）。

图2 烧结粘土实心砖砌体剪压破坏情况

由表1 可得， 出现Ⅱ类破坏和Ⅲ类破坏的情况相对较少，当轴压比为0.2 时，试件出现Ⅱ类破坏的情况最多，分析认为是试件中的砖与砂浆界面粘结强度大于砂浆抗压强度所致，而随轴压比增大，剪压和斜压阶段试件呈现较多的Ⅰ类破坏形式，Ⅲ类破坏情况主要在轴压比为0.8 时， 分析认为是由于加载过程中砌体处于双向受力状态，砂浆受压强度高于砖受压强度所致。

表1 剪压试件破坏形态汇总表

2.2 剪压粘结强度

（1） 剪压粘结强度试验数据

试件剪压粘结强度试验数据如表2 所示。

表2 砖砌体界面复合抗剪破坏荷载（kN）（M5、M7.5、M10、M15）

（2） 数据分析：剪压相关方程

将表3 中的各试件复合抗剪强度实测平均值除以对应于轴压比N/Nu=0 时的值， 可得到以纯剪强度为对比参数的多孔砖砌体复合抗剪强度相对值,如表4 所示。

由表3、表4、图3 可知，相同轴压比下，抗剪强度与砂浆强度等级呈正比。 相同砂浆强度等级下，剪压粘结强度在较小轴压比下呈线性关系，随轴压比增大而呈非线性趋势。轴压比为0.6 时出现最大剪切粘结强度值， 轴压比N/Nu较小时， 多沿砂浆界面破坏，抗剪承载力Vu较低，此时为剪摩破坏；随轴压比N/Nu的增大，会产生斜裂缝的破坏形式，该阶段为剪压破坏；当轴压比较大时，试件所受压应力增大，在小剪切力下受压破坏，呈斜压破坏形态。

图3 实心砖砌体/-N /Nu 数据分布示意图

表3 砖砌体复合抗剪强度相对（单位MPa）

表3 砖砌体复合抗剪强度相对（单位MPa）

N/Nu M5 M7.5 M10 M15 0 0.254 0.334 0.452 0.534 0.2 0.607 0.700 0.868 0.938 0.4 0.939 1.129 1.217 1.309 0.6 1.093 1.284 1.490 1.591 0.8 0.910 1.026 1.168 1.291

表4 砖砌体复合抗剪强度相对/(Vu/V0)

表4 砖砌体复合抗剪强度相对/(Vu/V0)

N/Nu M5 M7.5 M10 0 1.000 1.000 1.000 0.2 2.389 2.095 1.920 0.4 3.697 3.382 2.692 0.6 4.305 3.844 3.296 0.8 3.583 3.073 2.583 M15 平均值1.000 1.000 1.757 1.977 2.451 2.918 2.979 3.466 2.418 2.791

2.3 剪压粘结滑移关系曲线与分析

将各组试件的实测应力-应变全曲线无量纲化， 得到M5、M7.5、M10、M15 的砖-砂浆界面剪压粘结滑移曲线，如图4 所示。由图4 可知，在相同砂浆强度等级下，剪切应变随轴压比增大，出现先增后减的变化。 剪压阶段的轴压比高于剪摩阶段，小于斜压阶段，抗剪强度较大，破坏变形最大；剪摩阶段初期的剪应变增长幅度偏大，变形相对偏小；斜压阶段的抵抗剪切应力显著小于相应的剪压阶段，轴压比相对较大，破坏特征呈现斜角相对偏小的斜压破坏现象，因此竖向方位的剪切应变相对偏小。 随砂浆等级的提高，界面剪应力及剪应变曲线斜率增大，最大剪应变越小，脆性越大。

图4 不同轴压比下砖与砂浆界面剪切应力-应变关系曲线（M5、M7.5、M10、M15）

轴压比为0、0.2、0.4、0.6、0.8 时， 不同砂浆等级的砖-砂浆界面剪切应力-应变关系曲线如图5 所示。

图5 不同砂浆强度等级下砖与砂浆界面剪切应力-应变关系曲线（轴压比0、0.2、0.4、0.6、0.8）

图5 表明，在轴压比相同情况下，试件变形程度随砂浆等级提高而减小， 砖与砂浆界面的剪变模量随砂浆等级提高而增大。砖-砂浆界面剪切变形随砂浆等级提高先增大后减小。

通过曲线数据输入数值分析软件进行非线性曲线拟合，最终烧结粘土实心砖砌体在不同轴压比下的砌体界面剪切滑移平均值拟合公式为式（1）—式（5）。

3 数值分析

3.1 材料参数的选取

砂浆应力-应变曲线采用杨伟军[11]提出的砂浆本构曲线，烧结粘土实心砖应力-应变曲线采用朱伯龙[1]应力应变线，模型参数[3]如表5 所示。

表5 材料的参数取值

砖和砂浆均采用空间三维实体单元，单元类型为8 节点缩减单元。 砖与砂浆界面粘结滑移则采用cohesive 粘性单元， 引入Surface-based cohesive behavior 粘性模型建立砖-砂浆界面接触关系，根据实际接触界面的刚度、强度、断裂能和摩擦系数等参数与实际材料属性进行设定，对超过界面刚度公式的刚度范围进行刚度调整，确定合理的界面接触模型。

3.2 有限元模型的建立

（1） 部件的建立。 对模型多个部件独立创建[12-13]，砖与砂浆都采用实体单元。

（2） 材料属性的定义。 膨胀角ψ=30、流动势偏移ε=0.1、双轴和单轴之间的极限抗压比值αf=1.16、拉伸与压缩子午面第二应力不变参数的比值wkc=0.6667、粘性参数μ=0.005[14-15]。

（3） 本文根据荷载的施加特征构建两大分析步。 设定边界条件，采取符合需求的定向固定处理方式，确保约束可以传递至第二分析步。 初始步中，施加水平侧向压力，压力值由破坏荷载的10%逐级增加。针对试件上端以及两侧，设置参考点RP-1 与RP-2，确保竖向集中力可聚集到特定的参照点RP-1 上。 为避免应力集中现象，竖向采用位移控制加载，加载制度参照试验。 分析步参数设置如表6 所示。

表6 分析步参数设置

（4） 界面相互作用的确定。 采用cohesive 粘性单元模拟砖与砂浆界面[12]，模型采用二次应力准则作为损伤产生准则。损伤演化阶段，采用基于能量的演化准则，通过断裂能来表示损伤因子D，断裂能取0.25。 能量混合模态参数均取0.625，稳定性粘性系数取0.0001，最大弹性滑移表面特征尺寸百分比设为0.005，摩擦力公式采用“罚”，摩擦系数μ 取0.75。

（5） 网格单元。 采用均匀布种，近视全局参数设为10，六面体划分处理。 三砖模型及其网格划分如图6 所示。

图6 有限元模型

3.3 有限元计算结果与试验结果对比分析

经过求解和后处理，得到不同轴压比粘结滑移双面剪切试件应力云图。 将试验曲线与模拟曲线进行对比，如图7 所示，拟合结果吻合度高。

图7 粘结滑移曲线对比图

4 结论

鉴于目前砖和砂浆粘结滑移及细观模型研究应用上的不足，依靠试验与有限元分析，得到结论如下：

（1） 在轴压比为0、0.2、0.4、0.6、0.8 时，烧结粘土实心砖砌体的界面剪切滑移平均值建议按式（1）—式（5）计算；

（2） 在相同轴压比下，双剪试件的粘结强度随着砂浆强度的提高而增加；

（3） 相同砂浆强度等级下，双剪试件的粘结强度、剪应力和剪应变均伴随轴压比的增大，有着先增后减的趋势，其最大值通常发生剪压破坏，即轴压比为0.6 时；

（4） 通过不同轴压比和砂浆等级对砖与砂浆界面剪压粘结-滑移试验性能展开有限元分析，可知有限元粘结滑移模拟曲线与试验曲线吻合良好，模型准确性高。 烧结粘土实心砖与砂浆界面应力分布规律，在轴压比相同的情况下，砖与砂浆界面最大剪切应力位置随界面高度而改变。 在纯剪试件下，砂浆界面顶部切应力最大，由上往下逐渐减小；在有侧向轴压比的情况下，随着轴压比的增大，其剪切应力基本变化不大；在相同轴压比下，靠近顶部处会出现应力集中现象，其中应力集中现象随轴压比的增大越来越明显，顶部最大应力随着块高比的降低，界面正应力出现减小，逐渐趋于平均。