砌體結構古建筑彈性模量實測研究

朱 航 張艷強

(1.華森建筑與工程設計顧問有限公司，廣東深圳 518054;2.深圳機械院建筑設計有限公司，廣東深圳 518027)

如何評價現存砌體結構古建筑的安全狀況，然后根據評價結果確定合理的保護措施;如何了解施工中結構的力學性能，從而改進和優化施工方法;如何評估實施保護后結構的安全狀況;這些都需要全面了解結構在相應工況下的結構響應。隨著計算機運算速度的提高和大型通用有限元軟件的發展，數值分析逐漸成為主要手段之一。目前，多數文獻采用宏觀模型，即把砌體視為各項同性的均勻連續材料進行數值分析。彈性模量作為分析中最基本的力學參數，各種文獻中一般僅直接給出其數值，而其取值的依據及方法均未提及。因此，很有必要提供一種對砌體結構古建筑彈性模量的測定方法。為此，本文以一砌體結構古建筑為例給出了一種測定結構彈性模量的方法，該方法首先通過回彈法分別測定結構的塊體和砂漿強度，進而根據有關公式即可計算其彈性模量。

1 基本方法

施楚賢根據試驗結果的分析，提出了常用磚砌體彈性模量表達式為［2］:

式(1)中以砌體抗壓強度的平均值fm作為基本變量來表示彈性模量E。其中fm可根據式(2)確定［3］:

其中，fm為砌體的抗壓強度平均值，MPa;f1為塊體的抗壓強度平均值，MPa;f2為砂漿的抗壓強度平均值，MPa;k1為隨砌體中塊體類別和砌筑方法而變化的參數;α為與塊體高度有關的參數;k2為低強度等級砂漿砌筑的砌體強度修正系數。

式(2)中的各系數值詳見表1，顯然，如果通過回彈法測定得到塊體的抗壓強度平均值f1和砂漿的抗壓強度平均值f2，即可根據式(1)和式(2)計算砌體彈性模量。

表1 砌體抗壓強度平均值公式中的各系數值

2 塊體強度和砂漿強度的測定

2.1 基本步驟

被測磚砌體結構古建筑位于河南省開封市(見圖1)。測試采用山東省樂陵市回彈儀廠生產的ZC4型測磚回彈儀和ZC5型砂漿回彈儀。在建筑物內墻自地坪向上1.5 m范圍內選定10個測區(見圖2)，每個測區內選定一塊磚作為磚強度等級測定試樣;每個測區內設置一個砂漿測位，每個測位均勻布置12個砂漿強度檢測彈擊點;各彈擊點處的磚和灰縫表面應打磨平整并除去浮灰。回彈法測定磚強度等級的具體步驟詳見JC/T 796—2013回彈儀評定燒結普通磚強度等級的方法，回彈法測定砂漿強度等級的具體步驟可詳見GB/T 50315—2011砌體工程現場檢測技術標準。

圖1 建筑物全貌

圖2 測區分布圖

2.2 塊體強度的測定

表2為回彈儀測定磚強度等級的記錄數據及計算表，表中各符號的含義及具體計算方法、強度等級的評定方法可詳見JC/T 796—2013回彈儀評定燒結普通磚強度等級的方法。經測定和計算，被測結構磚強度等級評定為MU20，故磚的抗壓強度平均值f1=20 MPa。

表2 回彈儀測定磚強度等級的記錄數據及計算表

2.3 砂漿強度的測定

表3為回彈儀測定砂漿強度等級的記錄數據及計算表，表中每個測位的12個回彈值中已剔除最大值和最小值。由于建筑物各測區內灰縫酥堿較為嚴重，偏保守認為各測位的砂漿平均碳化深度d均大于3.0 mm。把測位的平均回彈值R和平均碳化深度d代入式(3)即可計算測位的砂漿強度值f2ij［5］，進而確定各測區的砂漿抗壓強度平均值f2i和建筑物砂漿的抗壓強度平均值f2。具體計算方法可參見GB/T 50315—2011砌體工程現場檢測技術標準。

表3 回彈儀測定砂漿強度等級的記錄數據及計算表

2.4 彈性模量的計算

經測定可知磚的抗壓強度平均值f1=20 MPa，砂漿的抗壓強度平均值f2=1.8 MPa，把相關參數代入式(1)和式(2)即可計算砌體的彈性模量，各計算參數取值見表4。

3 結語

表4 計算彈性模量的各參數取值

彈性模量是砌體結構古建筑有限元數值分析中最基本的力學參數。本文提供了一種對其實測的方法，首先通過回彈法分別測定結構塊體和砂漿的強度，進而根據式(1)和式(2)計算其彈性模量。然而，式(1)和式(2)均建立在大量的砌體試件的試驗。

資料之上，砌體結構古建筑采用的塊體、砂漿、砌筑方式與砌體試件難免存在差別，上述計算方法肯定存在不合理之處。由于砌體是一種非常復雜的工程材料，對砌體結構古建筑進行有限元數值分析其目的更多不是為了得到準確的結構響應，而是為了獲取有用的設計信息。因此，即使本文測定出的彈性模量存在誤差，對具體工程而言也是有價值的。

［1］GB 50003—2011，砌體結構設計規范［S］.

［2］施楚賢.砌體結構理論與設計［M］.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［3］唐岱新.砌體結構設計規范理解與應用［M］.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［4］JC/T 796—2013，回彈儀評定燒結普通磚強度等級的方法［S］.

［5］GB/T 50315—2011，砌體工程現場檢測技術標準［S］.