青石梁受彎性能試驗(yàn)研究

0石結(jié)構(gòu)的特性在人類從筑巢和洞穴生活到生活所需的過程中，石是第一個(gè)使用的建筑材料之一。秦漢之后,石材較普遍應(yīng)用到各類建筑中去。我國(guó)古代用石材作為建筑材料的,主要可以歸納為三類:單體建筑、附屬建筑及制品以及特殊類型。單體建筑包括地下建筑石墓和地上建筑石塔、石屋、石橋梁、石城墻等;附屬建筑包括石建筑小品和建筑中的石材構(gòu)件,如石牌坊、石幢、石闕等屬于石建筑小品,石須彌座、石柱礎(chǔ)、石欄桿等屬于石構(gòu)件;特殊類型是指開鑿山巖的洞窟工程。由于石材的材料特性,自然的節(jié)理以及開采時(shí)可能產(chǎn)生的微裂縫的存在,使其在作為受彎構(gòu)件時(shí)的抗彎、抗拉和抗剪性能較差,安全性較低,且石材受彎破壞為完全脆性破壞。北京國(guó)子監(jiān)200多年歷史的石橋,因?yàn)槟甏眠h(yuǎn),一塊石板就出現(xiàn)過突然斷裂的情況。因此研究石結(jié)構(gòu)的受力性能對(duì)古建筑保護(hù)有十分重要的意義。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于磚石古塔、古代石拱橋、石牌坊的保護(hù)研究已有一些,對(duì)于閩南地區(qū)的石砌體房屋,花崗巖石樓板的研究也在進(jìn)行中。本文主要針對(duì)北京古建筑中的青白石梁板進(jìn)行試驗(yàn)研究。1試驗(yàn)計(jì)劃1.1測(cè)試設(shè)計(jì)試件設(shè)計(jì)參考明十三陵石牌坊和國(guó)子監(jiān)石橋板的實(shí)際尺寸,共設(shè)計(jì)兩種截面尺寸,試件主要參數(shù)見表1。1.2試驗(yàn)加載裝置及加載方案本次試驗(yàn)均為兩端簡(jiǎn)支,通過分配梁進(jìn)行三分點(diǎn)加載。試驗(yàn)測(cè)量的主要內(nèi)容包括石梁撓度和純彎段截面應(yīng)變。每個(gè)試件均在跨中、兩個(gè)加載點(diǎn)及支座處布置百分表,以量測(cè)試件彎曲撓度和支座沉降;在純彎段內(nèi)的跨中位置沿截面高度均勻布置5個(gè)100mm標(biāo)距的電阻應(yīng)變片,以驗(yàn)證平截面假定;沿純彎段頂部和底部各布置100mm標(biāo)距的電阻應(yīng)變片,以量測(cè)純彎段內(nèi)石材的最大應(yīng)變。試件的加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置見圖1。試驗(yàn)開始前,先預(yù)加1級(jí)荷載,觀測(cè)儀器反應(yīng)是否正常。一切情況正常后,試驗(yàn)正式進(jìn)行。采用分級(jí)單調(diào)加載的形式,每級(jí)荷載10kN,每級(jí)荷載加載結(jié)束后持荷2min,用于記錄數(shù)據(jù)及觀察試驗(yàn)現(xiàn)象,接近破壞時(shí)減小荷載級(jí)別。試驗(yàn)過程中隨時(shí)記錄裂縫發(fā)展情況。分級(jí)加載時(shí),試驗(yàn)荷載的實(shí)測(cè)值應(yīng)按下列原則確定:(1)在持荷時(shí)間完成后出現(xiàn)試驗(yàn)標(biāo)志時(shí),取該級(jí)荷載值作為荷載實(shí)測(cè)值;(2)在加載過程中出現(xiàn)試驗(yàn)標(biāo)志時(shí),取前一級(jí)荷載值作為試驗(yàn)荷載實(shí)測(cè)值;(3)在持荷過程中出現(xiàn)試驗(yàn)標(biāo)志時(shí),取該級(jí)荷載和前一級(jí)荷載的平均值作為試驗(yàn)荷載實(shí)測(cè)值。2試驗(yàn)結(jié)果2.1整體斷口和內(nèi)梁斷口各試件均發(fā)生脆性破壞,試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同。在加載初期試件表觀無任何變化,沒有聲音,沒有裂縫出現(xiàn)。隨著荷載的增大,應(yīng)變和撓度值隨荷載不斷增加。當(dāng)荷載值增大到一定值時(shí),石梁突然斷裂,斷口一般在純彎段,斷面基本垂直梁底(見圖2)。由于石材的材質(zhì)離散性較大,因此,石梁承載力和破壞時(shí)的應(yīng)變和撓度都有較大的離散性。2.2加載過程中破壞石材的強(qiáng)度取決于巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征、膠結(jié)物質(zhì)的種類及均勻性等。Q-YX-B1在58kN加載過程中破壞,Q-YX-B2在64kN持荷過程中破壞,Q-YX-B4在166kN加載過程中破壞,Q-YX-L1在60kN持荷過程中破壞,Q-YX-L2在112kN加載過程中破壞,Q-YX-L3在75kN加載過程中破壞,均為脆性破壞。2.3石梁跨中截面應(yīng)變沿高度方向變化為了驗(yàn)證試件的應(yīng)變關(guān)系能否滿足平截面假定,在純彎段跨中沿截面高度粘貼了5個(gè)應(yīng)變片。試件Q-YX-B4不同荷載等級(jí)下跨中截面應(yīng)變沿高度變化見圖3。由圖3可知:石梁跨中截面應(yīng)變沿高度方向基本上呈線性分布;在荷載較小時(shí),中性軸基本上在梁高的中部;隨著荷載增加,中性軸高度稍有上移;破壞時(shí),中性軸高度基本上在梁高的0.4左右。其他試件的規(guī)律基本相同,純彎段滿足平截面假定,破壞時(shí),石梁的中性軸位于截面上部,各試件平均受壓區(qū)高度為梁高度的0.4倍。2.4荷載-撓度曲線各試件荷載-撓度曲線基本相似,只是極限荷載,變形不一致。試件的荷載-撓度曲線見圖4。由石梁的荷載-撓度曲線圖知,試件達(dá)到最大荷載前,荷載和撓度曲線接近直線。極限撓度很小,破壞是脆性破壞,無預(yù)兆。3典型試驗(yàn)結(jié)果由圖3可知,在荷載較小時(shí),中性軸基本上在梁高的中部;試件破壞時(shí),中性軸高度基本上在梁高的0.4左右。顯然,石材試件受彎時(shí),受拉區(qū)有類似素混凝土的塑性發(fā)展。參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)素混凝土受彎構(gòu)件的承載力計(jì)算公式,石梁受彎承載力可按下式計(jì)算:式中:γ為截面抵抗矩塑性影響系數(shù);fct為軸心抗拉強(qiáng)度值;W為截面受拉邊緣的彈性抵抗矩,對(duì)于矩形截面W=bh2/6。在現(xiàn)有石結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)中,《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG-E41-2005)采用抗折強(qiáng)度計(jì)算石材強(qiáng)度指標(biāo),石材抗折強(qiáng)度計(jì)算公式為:顯然,若取Rb=γfct,則式(1)、式(2)完全一致。為與《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG-E41-2005)協(xié)調(diào),采用抗折強(qiáng)度計(jì)算石梁的受彎承載力。受彎承載力計(jì)算公式如下:依據(jù)式(3),可以計(jì)算各試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值,各試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值的計(jì)算結(jié)果見表2?？拐蹚?qiáng)度最小值為2.5MPa。青白石梁的受彎承載力可以采用式(3)計(jì)算,計(jì)算時(shí),抗折強(qiáng)度可取為2.5MPa。4破壞石梁的情況通過青白石梁的受彎試驗(yàn)研究,主要結(jié)論如下:1)青白石梁的破壞屬于脆性破壞,破壞發(fā)生突然,