青石梁受弯性能试验研究

青石梁受弯性能试验研究

0石结构的特性在人类从筑巢和洞穴生活到生活所需的过程中，石是第一个使用的建筑材料之一。秦汉之后,石材较普遍应用到各类建筑中去。我国古代用石材作为建筑材料的,主要可以归纳为三类:单体建筑、附属建筑及制品以及特殊类型。单体建筑包括地下建筑石墓和地上建筑石塔、石屋、石桥梁、石城墙等;附属建筑包括石建筑小品和建筑中的石材构件,如石牌坊、石幢、石阙等属于石建筑小品,石须弥座、石柱础、石栏杆等属于石构件;特殊类型是指开凿山岩的洞窟工程。由于石材的材料特性,自然的节理以及开采时可能产生的微裂缝的存在,使其在作为受弯构件时的抗弯、抗拉和抗剪性能较差,安全性较低,且石材受弯破坏为完全脆性破坏。北京国子监200多年历史的石桥,因为年代久远,一块石板就出现过突然断裂的情况。因此研究石结构的受力性能对古建筑保护有十分重要的意义。目前国内对于砖石古塔、古代石拱桥、石牌坊的保护研究已有一些,对于闽南地区的石砌体房屋,花岗岩石楼板的研究也在进行中。本文主要针对北京古建筑中的青白石梁板进行试验研究。1试验计划1.1测试设计试件设计参考明十三陵石牌坊和国子监石桥板的实际尺寸,共设计两种截面尺寸,试件主要参数见表1。1.2试验加载装置及加载方案本次试验均为两端简支,通过分配梁进行三分点加载。试验测量的主要内容包括石梁挠度和纯弯段截面应变。每个试件均在跨中、两个加载点及支座处布置百分表,以量测试件弯曲挠度和支座沉降;在纯弯段内的跨中位置沿截面高度均匀布置5个100mm标距的电阻应变片,以验证平截面假定;沿纯弯段顶部和底部各布置100mm标距的电阻应变片,以量测纯弯段内石材的最大应变。试件的加载装置及测点布置见图1。试验开始前,先预加1级荷载,观测仪器反应是否正常。一切情况正常后,试验正式进行。采用分级单调加载的形式,每级荷载10kN,每级荷载加载结束后持荷2min,用于记录数据及观察试验现象,接近破坏时减小荷载级别。试验过程中随时记录裂缝发展情况。分级加载时,试验荷载的实测值应按下列原则确定:(1)在持荷时间完成后出现试验标志时,取该级荷载值作为荷载实测值;(2)在加载过程中出现试验标志时,取前一级荷载值作为试验荷载实测值;(3)在持荷过程中出现试验标志时,取该级荷载和前一级荷载的平均值作为试验荷载实测值。2试验结果2.1整体断口和内梁断口各试件均发生脆性破坏,试验现象基本相同。在加载初期试件表观无任何变化,没有声音,没有裂缝出现。随着荷载的增大,应变和挠度值随荷载不断增加。当荷载值增大到一定值时,石梁突然断裂,断口一般在纯弯段,断面基本垂直梁底(见图2)。由于石材的材质离散性较大,因此,石梁承载力和破坏时的应变和挠度都有较大的离散性。2.2加载过程中破坏石材的强度取决于岩石的矿物组成、结构与构造特征、胶结物质的种类及均匀性等。Q-YX-B1在58kN加载过程中破坏,Q-YX-B2在64kN持荷过程中破坏,Q-YX-B4在166kN加载过程中破坏,Q-YX-L1在60kN持荷过程中破坏,Q-YX-L2在112kN加载过程中破坏,Q-YX-L3在75kN加载过程中破坏,均为脆性破坏。2.3石梁跨中截面应变沿高度方向变化为了验证试件的应变关系能否满足平截面假定,在纯弯段跨中沿截面高度粘贴了5个应变片。试件Q-YX-B4不同荷载等级下跨中截面应变沿高度变化见图3。由图3可知:石梁跨中截面应变沿高度方向基本上呈线性分布;在荷载较小时,中性轴基本上在梁高的中部;随着荷载增加,中性轴高度稍有上移;破坏时,中性轴高度基本上在梁高的0.4左右。其他试件的规律基本相同,纯弯段满足平截面假定,破坏时,石梁的中性轴位于截面上部,各试件平均受压区高度为梁高度的0.4倍。2.4荷载-挠度曲线各试件荷载-挠度曲线基本相似,只是极限荷载,变形不一致。试件的荷载-挠度曲线见图4。由石梁的荷载-挠度曲线图知,试件达到最大荷载前,荷载和挠度曲线接近直线。极限挠度很小,破坏是脆性破坏,无预兆。3典型试验结果由图3可知,在荷载较小时,中性轴基本上在梁高的中部;试件破坏时,中性轴高度基本上在梁高的0.4左右。显然,石材试件受弯时,受拉区有类似素混凝土的塑性发展。参考《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)素混凝土受弯构件的承载力计算公式,石梁受弯承载力可按下式计算:式中:γ为截面抵抗矩塑性影响系数;fct为轴心抗拉强度值;W为截面受拉边缘的弹性抵抗矩,对于矩形截面W=bh2/6。在现有石结构的标准中,《公路工程岩石试验规程》(JTG-E41-2005)采用抗折强度计算石材强度指标,石材抗折强度计算公式为:显然,若取Rb=γfct,则式(1)、式(2)完全一致。为与《公路工程岩石试验规程》(JTG-E41-2005)协调,采用抗折强度计算石梁的受弯承载力。受弯承载力计算公式如下:依据式(3),可以计算各试件抗折强度试验值,各试件抗折强度试验值的计算结果见表2。抗折强度最小值为2.5MPa。青白石梁的受弯承载力可以采用式(3)计算,计算时,抗折强度可取为2.5MPa。4破坏石梁的情况通过青白石梁的受弯试验研究,主要结论如下:1)青白石梁的破坏属于脆性破坏,破坏发生突然,