料石砌体基本力学性能研究

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在我国东南沿海地区,料石砌体依然应用广泛。但是现有的料石砌体结构存在严重的安全隐患。针对该地区料石砌体结构的特点,本文开展了料石砌体抗压承载力和抗剪承载力试验,并结合力学分析和有限元分析,三者相互对比、相互印证,为料石砌体结构的应用提供了依据。本文通过7组(共21个)试件的抗压试验,研究了料石砌体在竖向荷载作用下的破坏过程及砂浆强度、灰缝厚度对料石砌体抗压承载力的影响。试验结果表明:其破坏过程主要分为三个阶段,弹性阶段、裂缝开展阶段和破坏阶段,为脆性破坏,粗料石砌体的脆性破坏更加明显;其抗压承载力很高,随着砂浆强度的提高而提高,随着灰缝厚度的增加而降低,细料石砌体抗压承载力的离散性小于粗料石砌体。通过力学分析得:因料石和砂浆材料性能的差异,在竖向荷载作用下,料石水平向受拉、砂浆水平向受压,它们的水平向应力主要受砂浆强度、料石和砂浆厚度比的影响。在此基础上提出了粗细料石统一的抗压承载力计算公式,综合考虑了砂浆强度、料石强度、料石和砂浆厚度比的影响,较真实地反映了料石砌体抗压承载力与砂浆水平向应力的关系,可供规范修订参考。通过有限元分析得到了料石砌体在竖向荷载作用下的应力云图,在竖向灰缝与上下两皮料石的连接处,存在应力集中现象,与试验过程中试件该部位首先开裂相吻合:料石和砂浆的水平力大小、方向及其影响因素,与力学分析得到的结果基本一致。本文开展了6组(共18个)试件的抗剪试验,利用液压伺服系统(MTS)加载,直接得到了粘结强度和摩擦强度。试验结果表明:当试件发生剪摩破坏时,其破坏过程主要分为三个阶段,弹性阶段,粘结力消失阶段和摩擦耗能阶段;其粘结强度随着砂浆强度的提高而提高,摩擦强度随着竖向压应力的提高而提高。充分考虑它们离散性的差异,本文提出了抗剪强度标准值和设计值的计算公式。结合试验结果、力学分析和有限元分析得到:随着轴压比的增大,料石砌体的破坏部位依次为料石和砂浆的粘结面、砂浆、料石,其破坏形态依次为剪摩破坏、剪压破坏和斜压破坏。通过力学分析得到了在剪压复合作用下,料石和砂浆的三个主应力大小和方向,并分析其变化。在此基础上提出了一种新的剪压相关曲线理论:变粘结强度法,使得该曲线在剪摩破坏和剪压破坏交点处光滑,用数学方法证明了其正确性。通过有限元分析得到了在不同轴压比下砂浆和料石各自的应力云图,与力学分析相对比,相互验证了其合理性。
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