條石砌筑石墻灰縫力學(xué)計算模型、試驗裝置及試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種建筑力學(xué)模型、試驗裝置及試驗方法，特別是一種條石砌筑石墻灰縫力學(xué)模型、試驗裝置及試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]福建沿海地處環(huán)太平洋地震帶，由條石砌筑的石墻作為主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件的石結(jié)構(gòu)建筑民居在該地區(qū)大量存在，從而導(dǎo)致該地區(qū)抗震防災(zāi)工作形勢嚴(yán)峻。在地震作用下，條石砌筑石墻灰縫滑移破壞是石結(jié)構(gòu)地震破壞的主要特征。石墻灰縫單元在豎向壓應(yīng)力和低周往復(fù)水平荷載作用下的力學(xué)行為和破壞機(jī)理，是建立條石砌筑石墻非線性數(shù)值模擬分析模型，以及研宄石結(jié)構(gòu)整體抗震性能的關(guān)鍵問題。
[0003]目前國內(nèi)外對該問題開展過一些理論分析和試驗研宄，但由于條石砌筑石墻的砌筑工藝和砌塊物理特性與常規(guī)的建筑構(gòu)件不同，使得這類研宄所建立的墻體灰縫單元計算模型存在以下問題:(I)簡單用摩爾庫倫摩擦理論建立摩擦系數(shù)不變的理想計算模型，忽略石砌塊沿灰縫滑移后從靜摩擦到動摩擦的系數(shù)變化，也忽略了在地震往復(fù)作用下摩擦系數(shù)的變化；(2)已有計算模型的灰縫剪切滑移曲線剛度不變，不符合石墻灰縫單元實際力學(xué)行為過程；(3)已有模型僅針對干砌石墻界面的力學(xué)計算，不適用于其它有漿砌筑石墻。
[0004]同時，由于條石砌筑石墻灰縫試驗所用的試件的復(fù)雜性及其受力特點，現(xiàn)有的試驗裝置存在以下問題:(1)大多數(shù)試驗裝置僅能實現(xiàn)單向水平加載，無法實現(xiàn)水平方向低周往復(fù)加載；(2)已有可實現(xiàn)水平方向往復(fù)加載裝置尺寸過小，僅能適用縮尺試件，且未考慮石墻灰縫單元豎向變形自由的邊界條件，存在適用范圍小、邊界條件不理想等問題。
[0005]鑒于此，本案發(fā)明人進(jìn)行了深入的研宄，遂有本案產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種邊界條件理想、功能完善、適用范圍廣的條石砌筑石墻灰縫力學(xué)計算模型、試驗裝置及試驗方法。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的條石砌筑石墻灰縫力學(xué)計算模型采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種條石砌筑石墻灰縫力學(xué)計算模型，包括石墻灰縫單元模型，所述石墻灰縫單元模型包括三個相鄰且豎直排列的條石，每兩個相鄰的條石之間具有一個灰縫，分別采用豎向彈簧單元和水平彈簧單元模擬所述石墻灰縫單元模型在豎向和水平兩方向的力學(xué)行為，所述豎向彈簧單元為線性單元，所述水平彈簧單元為非線性單元。
[0009]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述非線性單元的骨架曲線為正反曲線對稱的三折線式曲線，所述非線性單元的恢復(fù)力曲線為正反曲線對稱的剛度退化四線型曲線。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的條石砌筑石墻灰縫力學(xué)性能試驗裝置采用如下技術(shù)方案:
[0011]一種條石砌筑石墻灰縫力學(xué)性能試驗裝置，包括反力架、豎直固定在所述反力架上的直線軸承、用于裝夾試件的裝夾組件、提供水平方向試驗力的水平加載組件以及提供豎直方向試驗力的豎向加載組件，所述直線軸承包括豎直放置的直線導(dǎo)軌和與所述直線導(dǎo)軌配合的滑塊，所述裝夾組件包括兩個水平設(shè)置且相互平行的第一螺桿組和一個位于兩個所述第一螺桿組之間且與所述第一螺桿組平行的第二螺桿組，所述第一螺桿組的一端與所述滑塊安裝在一起，且所述第一螺桿組的桿身上設(shè)置有兩個用于固定試件位置的緊固鋼板，所述第二螺桿組的一端安裝在所述水平加載組件上，另一端設(shè)置有用于將試件壓緊在所述水平加載組件上的壓緊鋼板，所述豎向加載組件位于試件上方。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，還包括頂部滾軸支座和底部滾軸支座，所述底部滾軸支座放置在地板或工作臺上，試件放置在所述底部滾軸支座上，所述頂部滾軸支座放置在試件上，所述豎向加載組件作用在所述頂部滾軸支架上。
[0013]作為本發(fā)明的更進(jìn)一步優(yōu)選，所述滑塊上固定安裝有連接鋼板，所述第一螺桿組固定在所述連接鋼板上。
[0014]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的條石砌筑石墻灰縫力學(xué)性能試驗方法采用如下技術(shù)方案:
[0015]一種條石砌筑石墻灰縫力學(xué)性能試驗方法，包括以下步驟:
[0016]SI，在條石砌筑石墻上選取石墻灰縫單元模型或者根據(jù)條石砌筑石墻的結(jié)構(gòu)制作石墻灰縫單元模型，所述石墻灰縫單元模型包括三個相鄰且豎直排列的條石，每兩個相鄰的條石之間具有一個灰縫；
[0017]S2，對所述石墻灰縫單元模型進(jìn)行建模，分別采用豎向彈簧單元和水平彈簧單元模擬所述石墻灰縫單元模型在豎直和水平兩個方向的力學(xué)性能，所述豎向彈簧單元為線性單元，所述水平彈簧單元為非線性單元，建模后獲得所述豎向彈簧單元的本構(gòu)模型和所述水平彈簧單元的恢復(fù)力模型；
[0018]S3，將所述石墻灰縫單元模型放置在上述條石砌筑石墻灰縫力學(xué)性能試驗裝置上進(jìn)行測試，根據(jù)測試獲得的數(shù)據(jù)分別計算出所述豎向彈簧單元和所述水平彈簧單元的剛度，再將上述剛度的數(shù)值放入所述本構(gòu)模型和所述恢復(fù)力模型，獲得條石砌筑石墻灰縫力學(xué)性能。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述恢復(fù)力模型包括骨架曲線和恢復(fù)力曲線，建模時，將所述骨架曲線簡化為正反曲線對稱的三折線式曲線，將所述恢復(fù)力曲線簡化為正反曲線對稱的剛度退化四線型曲線。
[0020]采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]1、本發(fā)明所采用的力學(xué)計算模型，充分考慮了條石沿灰縫在地震往復(fù)作用下剪切滑移的非線性特征，以及地震作用與豎向壓力共同作用下豎向壓縮變形剛度，更符合石墻灰縫單元模型實際力學(xué)行為過程，為開展石結(jié)構(gòu)有限元地震反應(yīng)分析提供準(zhǔn)確的本構(gòu)模型，相比于現(xiàn)有技術(shù)，該模型考慮非線性力學(xué)特征、精煉準(zhǔn)確、適用范圍廣。
[0022]2、通過滑塊和直線導(dǎo)軌的配合形成可豎向滑動的直線軸承，實現(xiàn)對條石砌筑石墻灰縫豎向邊界條件的模擬，大幅提高邊界條件要求，相比于現(xiàn)有技術(shù)，邊界條件更加理想、功能更加完善、適用范圍更廣。
[0023]3、本發(fā)明的試驗裝置采用螺桿組來固定試件，對試件尺寸限制低，安裝方便，適應(yīng)性更強(qiáng)。
[0024]4、本發(fā)明的試驗裝置可實現(xiàn)試件頂部豎向加載和側(cè)面水平和中心兩者可單獨加載或同時加載往復(fù)加載，加載方案選擇性更多，加載過程方便。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明實施例中石墻灰縫單元模型計算模型示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實施例中本構(gòu)模型示意圖；
[0027]圖3a為本發(fā)明實施例中恢復(fù)力模型骨架曲線圖；
[0028]圖3b為本發(fā)明實施例中恢復(fù)力模型恢復(fù)力曲線圖；
[0029]圖4為本發(fā)明條石砌筑石墻灰縫力學(xué)性能試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖5為圖4中A-A位置的剖視圖；
[0031]圖6為本發(fā)明條石砌筑石墻灰縫力學(xué)性能試驗裝置安裝示意圖。
[0032]圖中對應(yīng)標(biāo)示如下:
[0033]10-豎向彈簧單元；20-水平彈簧單元；
[0034]30-石墻灰縫單元模型(試件);40-反力架；
[0035]50-直線軸承；51-直線導(dǎo)軌；
[0036]52-滑塊；60-裝夾組件；
[0037]61-第一螺桿組；62-第二螺桿組；
[0038]64-緊固鋼板；65-壓緊鋼板；
[0039]66-連接鋼板；70-水平加載組件；
[0040]80-豎向加載組件；91-頂部滾軸支座；
[0041]92-底部滾軸支座。
【具體實施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0043]如圖1所示，本實施例提供的條石砌筑石墻灰縫力學(xué)計算模型，包括石墻灰縫單元模型30，石墻灰縫單元模型30包括三個相鄰且豎直排列的條石，每兩個相鄰的條石之間具有一個灰縫。
[0044]分別采用豎向彈簧單元10和水平彈簧單元20模擬石墻灰縫單元模型30在豎向和水平兩方向的力學(xué)行為，豎向彈簧單元為線性單元，假設(shè)其剛度為常數(shù)K，則其本構(gòu)模型如圖2所示。
[0045]水平彈簧單元為非線性單元，該非線性單元的骨架曲線為正反曲線對稱的三折線式曲線，所述非線性單元的恢復(fù)力曲線為正反曲線對稱的剛度退化四線型曲線，假設(shè)Ktl表示初始階段的剛度，&表示強(qiáng)化階段的剛度，K 2表示退化階段的剛度，K 3表示卸載階段的剛度，Δ ρ、Δα&Δ u分別表示骨架曲線特征點P Ρ(即水平荷載比例極限值)、Pm(即水平荷載最大值)及Pu(即水平荷載極限值)對應(yīng)的水平方向的滑移值，圖中數(shù)字I?4分別表示恢復(fù)力曲線上與骨架曲線相對應(yīng)的特征點，則其力學(xué)曲線如圖3a和圖3b所示。
[0046]本實施例還根據(jù)上述力學(xué)計算模型參數(shù)確定的需要提供了條石砌筑石墻灰縫力學(xué)性能試驗裝置及試驗方法，該試驗方法包括以下步驟:
[0047]SI，在條石砌筑石墻上選取石墻灰縫單元模型，或者根據(jù)條石砌筑石墻的結(jié)構(gòu)制作石墻灰縫單元模型，條石砌筑石墻可以是干砌石墻，也可以是有漿砌筑石墻或其他類型的石墻。選取獲得的石墻灰縫單元模型包括三個相鄰且豎直排列的條石，每兩個相鄰的條石之間具有一個灰縫。石墻灰縫單元模型在條石砌筑石墻上