傳統(tǒng)藏式建筑石墻體力學(xué)性能試驗(yàn)

張晨詩揚(yáng) 黃 輝 楊 丹 吉喆

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽 621010)

傳統(tǒng)藏式建筑種類繁多，分布在西藏及川云貴局部地區(qū)，僅拉薩地區(qū)就有百余座著名的傳統(tǒng)建筑，如布達(dá)拉宮、大昭寺、色拉寺等。傳統(tǒng)藏式建筑主要為石墻與木構(gòu)內(nèi)框架共同承重的混合結(jié)構(gòu)，多數(shù)藏式建筑采用石墻體作為主要受力結(jié)構(gòu)，石墻較厚，一般為500～1 200 mm，墻體采用“收分”工藝呈現(xiàn)下厚上薄特征，塊石就地取材，為天然形狀，塊石大小不規(guī)則，犬牙交錯(cuò)，工匠依據(jù)砌筑經(jīng)驗(yàn)采用黏土或黏土混有碎石方式壘砌石墻，風(fēng)格獨(dú)特[1]。

國內(nèi)外學(xué)者在石墻體及砌體結(jié)構(gòu)力學(xué)理論方面開展了大量研究工作。鄒洪燦[2]分析了藏族傳統(tǒng)建筑平面形狀和結(jié)構(gòu)布置。鄒紫男等[3]對(duì)川西傳統(tǒng)石構(gòu)民居調(diào)研，歸納了藏式石構(gòu)民居房屋的建造過程及各工種的施工內(nèi)容，進(jìn)行了石構(gòu)墻體的靜力受力分析。徐明等[4]開展10片粗料石墻體的水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，獲得石墻體抗震性能影響參數(shù)，形成墻體破壞模式。Vasconcelos[5-6]對(duì)3種不同砌筑方式的石墻進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，研究在不同壓力作用下的石砌體墻的破壞形態(tài)以及不同砌筑方式石墻的抗震性能和耗能能力。Milosevic[7]針對(duì)地中海地區(qū)傳統(tǒng)石砌體墻抗剪強(qiáng)度開展試驗(yàn)研究，獲得傳統(tǒng)石墻體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。賈彬等[8-9]針對(duì)藏式石墻體完成了部分墻體力學(xué)性能試驗(yàn)，初步獲得石墻的受力和變形性能。藏式石墻體有其自身的特點(diǎn)，包括所受荷載、組砌工藝、結(jié)構(gòu)特性等都有所不同，因此研究工作需要從藏式石墻體自身特性開展創(chuàng)新研究工作。本文采用西藏地區(qū)已有的碎石填縫和控制收分比例的構(gòu)造方法，砌筑了6組不同工況的石墻體試件，進(jìn)行石墻體抗壓性能試驗(yàn)，分析傳統(tǒng)藏式建筑石墻體抗壓性能，獲得影響石墻體抗壓性能的影響參數(shù)。

1 藏式民居石墻構(gòu)造分析

本課題組在西藏、川東地區(qū)調(diào)研。這些地區(qū)的傳統(tǒng)民居建筑多數(shù)為一層或二層的石木結(jié)構(gòu)房屋，石墻體墻厚多以500～800 mm為主，采取收分砌筑工藝，墻體呈現(xiàn)下厚上薄特征。同時(shí)，石料就地取材，天然形狀大小不規(guī)則，墻體塊石不能做到縱橫咬砌，工匠為砌筑方便，砌筑時(shí)采用黏土或黏土碎石鋪平方式壘砌墻體，石墻體現(xiàn)出塊石、碎石、泥土等材料形成的混合體，如圖1所示。因此，傳統(tǒng)藏式建筑石墻體在受力過程中產(chǎn)生的破壞特征不同于普通的砌體結(jié)構(gòu)，墻體石材的不均勻性導(dǎo)致墻體受力后不產(chǎn)生通縫，而是局部坍塌或塊石間分離開裂，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)藏式建筑石墻Fig.1 Stone wall of traditional Tibetan architecture

圖2 傳統(tǒng)藏式建筑石墻體地震破壞Fig.2 Seismic damage of stone wall of Tibetan traditional building

2 藏式石墻體豎向承載力試驗(yàn)

本試驗(yàn)墻體試件砌筑石材為花崗巖，石材平均軸心抗壓強(qiáng)度為54.0 MPa，平均極限抗折強(qiáng)度為35.2 MPa。試驗(yàn)墻體長2.0 m，高1.6 m，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6片墻體，均由同一西藏工匠按西藏地區(qū)墻體砌筑工藝砌筑，砌筑墻體所用石塊編號(hào)，盡可能保證Wa,Wb,Wc工況中兩片石墻相同位置處石材形狀大小一致，避免墻體由于塊石形狀及位置差異對(duì)墻體力學(xué)性能的影響。試件石墻體的墻體泥縫、石塊尺寸及規(guī)整度、碎石填縫均類似于西藏地區(qū)墻體特征。石墻體采用單側(cè)收分，具體試件尺寸見表1。

表1 藏式石墻體試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

試驗(yàn)時(shí)，采用力控制，每級(jí)加載5 kN，直到塊石出現(xiàn)裂縫，隨后以2 kN為一級(jí)加載到荷載不能持續(xù)上升為止，每級(jí)荷載加載完持荷1 min。針對(duì)墻體中塊石是否均勻受力問題，本試驗(yàn)在墻體垂直墻面中按上、中、下、左、中、右對(duì)齊原則選取9個(gè)塊石，布置應(yīng)變片，如圖3所示。在石墻頂部兩側(cè)邊緣各設(shè)置1個(gè)位移計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示。

3 石墻體破壞特征分析

6片墻體均在墻體邊緣處開裂，如圖4(a)所示，石墻邊緣處塊石無約束，塊石間無縱橫咬砌，且黏土材料黏結(jié)性不強(qiáng)僅作為便于砌筑的輔助材料，故在豎向荷載作用下墻體邊緣塊石間分離，局部失

圖3 加載方案及測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Test setup and measuring points

穩(wěn)變形而破壞。同時(shí)，Wa-1，Wb-1，Wc-1墻厚方向出現(xiàn)豎向通縫，如圖4(b)所示。該類墻體厚度方向塊石間無可靠措施形成整體，墻體較厚，塊石之間的縫隙只用泥土填縫，黏土無法將荷載均勻傳遞，導(dǎo)致墻體在受力后塊石受力不均，局部石塊失穩(wěn)后發(fā)生分離并向外側(cè)發(fā)生偏移，墻體厚度方向逐漸開裂。石墻塊石有開裂現(xiàn)象，如圖5所示，針對(duì)開裂塊石進(jìn)行受力分析，石墻中由于塊石表面不平整及塊石搭接無規(guī)則造成墻體受力過程中產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，則有些塊石由于局部應(yīng)力集中超過材料極限強(qiáng)度而破壞開裂。同時(shí)，單塊石材因端部或中部有其他塊石或碎石支撐而導(dǎo)致塊石承受彎矩作用，有些塊石受正彎矩作用產(chǎn)生下寬上窄裂縫，有些塊石受負(fù)彎矩作用產(chǎn)生下窄上寬裂縫。

圖4 墻體開裂特征Fig.4 Crack characteristics of walls

圖5 墻體單個(gè)塊石裂縫特征Fig.5 Crack characteristics in the masonry

以工況Wb墻體為例分析藏式石墻體塊石受力狀態(tài)。Wb-1墻在加載過程中，豎向荷載下石墻體整體本應(yīng)受壓，但9個(gè)測(cè)點(diǎn)中有些塊石產(chǎn)生壓應(yīng)力有些則產(chǎn)生拉應(yīng)力，如圖6(a)所示。可見，塊石形狀的不規(guī)則和填縫泥土無法將荷載均勻傳遞，導(dǎo)致石墻整體受力性能差，且隨著荷載的持續(xù)增加，泥土壓裂及塊石開裂后石墻內(nèi)力重分布，使得部分塊石受力狀態(tài)產(chǎn)生壓拉相反的受力狀態(tài)。Wb-2墻在加載過程中，石墻體大部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化較為均勻，沒有出現(xiàn)較大范圍的上下波動(dòng)，如圖6(b)所示，碎石填縫砌筑工藝使得石墻體受力相對(duì)均勻，當(dāng)局部塊石開裂后，石墻體仍產(chǎn)生內(nèi)力重分布，造成局部受力狀態(tài)發(fā)生變化。可見，未采用碎石填縫的墻體極易產(chǎn)生不均勻受力，塊石間離散性大，易產(chǎn)生墻體局部受力而發(fā)生塊石間分離開裂破壞。

圖6 Wb各測(cè)點(diǎn)塊石的力-應(yīng)變曲線Fig.6 The force-strain curve of the block of Wb

4 石墻體抗壓承載力

圖7為試件的荷載-豎向位移曲線。可以看出，碎石填縫墻體試件的曲線斜率均大于未采用碎石砌筑試件曲線斜率,這說明墻體采用碎石填縫可有效提高墻體豎向承載力和豎向剛度，減少豎向位移，采用碎石砌筑工藝可使得墻體受力均勻，避免墻體在較低的荷載作用下產(chǎn)生較大的位移變形而發(fā)生失穩(wěn)破壞。同時(shí)，本試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，收分比例7.5%墻體承載力大于5%的墻體，而收分比例10%墻體又小于7.5%墻體，可見，墻體收分比例對(duì)墻體承載力影響較弱，甚至出現(xiàn)了厚墻承載力低的現(xiàn)象，這表明墻體塊石搭接狀態(tài)及砌筑質(zhì)量較收分比例影響更大，這與文獻(xiàn)[10]結(jié)論有差異。

圖7 墻體試件荷載-豎向位移曲線Fig.7 Vertical load-displacement curves of specimens

藏式石墻體開裂荷載與極限荷載對(duì)比分析可知，碎石填縫的石墻的開裂荷載為極限荷載的57%～75%，無碎石填縫的石墻的開裂荷載為極限荷載的45%～60%，而普通磚砌體的比值在30%～46%之間。采用碎石填縫砌筑工藝墻體開裂荷載要高于未采用碎石填縫試件，即未采用碎石填縫砌筑工藝受壓試件裂縫出現(xiàn)要比采用碎石填縫砌筑的受壓試件早。對(duì)于同一收分比例的受壓試件，采用碎石填縫的抗壓承載力要高于未采用碎石填縫受壓試件的抗壓承載力。

5 結(jié)論

本文通過6片藏式石墻體試件的抗壓試驗(yàn)和理論分析，得出以下結(jié)論：(1)藏式石墻由于其特殊的砌筑工藝，使得石墻體破壞特征與磚砌體墻體破壞有很大差異，墻體表現(xiàn)為塊石間分離開裂，隨后局部坍塌破壞，這與該類建筑在地震中的震損特征一致。(2)藏式石墻中塊石大小不規(guī)則犬牙交錯(cuò)，使得石墻受力不均勻，墻體內(nèi)存在明顯的應(yīng)力集中，采用碎石鋪層填縫砌筑工藝可有效提高墻體整體受力。(3)采用碎石鋪層填縫砌筑工藝可有效提高墻體豎向承載力和豎向剛度，減少豎向位移。收分比例僅起到墻體砌筑穩(wěn)定性作用，對(duì)提高墻體承載力效果不明顯，墻體塊石搭接狀態(tài)及砌筑質(zhì)量較收分比例影響更大。