古砖塔子结构压剪复合受力性能分析

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 古砖塔子结构压剪复合受力性能分析 卢俊龙范金鑫王振山作义 Analysis of the composite mechanical properties of the substructure of a masonry pagoda LU Jun-long.FAN Jin-xin,WANG Zhen-shan,YUN Zuo-yi 引用本文： 卢俊龙，范金鑫，王振山，作义.古砖塔子结构压剪复合受力性能分析J.工程科学学报，2022,44(2)：277-288.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.08.12.004 LU Jun-long.FAN Jin-xin,WANG Zhen-shan,YUN Zuo-yi.Analysis of the composite mechanical properties of the substructure of a masonry pagoda[J].Chinese Journal of Engineering.2022,44(2):277-288.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.12.004 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.08.12.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 锈蚀植筋下新老混凝土黏结面压剪试验研究 Experimental research on load-shear performance of interface between new and old concrete with corroded planting bar 工程科学学报.2018.40(1)：23 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.004 外加强环式H型钢梁-方钢管角柱节点抗震性能 Seismic performance of H-shaped steel beam-to-square steel corner column connection with external strengthened ring 工程科学学报.2018,40(8)：1005 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.08.015 金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为 Damage and fracture behavior of a metal sheet under in-plane compressionshear deformation 工程科学学报.2021,43(2：263 https::/1doi.0rg/10.13374j.issn2095-9389.2020.09.23.002 设防烈度对框架-核心简结构受力性能和材料用量的影响 Influence of fortification intensity on structural performance and material dosage of frame-tube structures 工程科学学报.2017,399外：1443htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.019 粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 Experimental study and analysis of the mechanical properties of high-water-content materials modified with fly ash 工程科学学报.2018.40(10：1187 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.10.005 薄铺层复合材料薄壁管轴压屈曲行为研究 Buckling of composite cylindrical shells fabricated using thin-ply under axial compression 工程科学学报.2018.40(7)：857 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.07.012

古砖塔子结构压剪复合受力性能分析 卢俊龙 范金鑫 王振山 作义 Analysis of the composite mechanical properties of the substructure of a masonry pagoda LU Jun-long, FAN Jin-xin, WANG Zhen-shan, YUN Zuo-yi 引用本文: 卢俊龙, 范金鑫, 王振山, 作义. 古砖塔子结构压剪复合受力性能分析[J]. 工程科学学报, 2022, 44(2): 277-288. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.12.004 LU Jun-long, FAN Jin-xin, WANG Zhen-shan, YUN Zuo-yi. Analysis of the composite mechanical properties of the substructure of a masonry pagoda[J]. Chinese Journal of Engineering, 2022, 44(2): 277-288. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.12.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.12.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 锈蚀植筋下新老混凝土黏结面压剪试验研究 Experimental research on load-shear performance of interface between new and old concrete with corroded planting bar 工程科学学报. 2018, 40(1): 23 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.004 外加强环式H型钢梁-方钢管角柱节点抗震性能 Seismic performance of H-shaped steel beam-to-square steel corner column connection with external strengthened ring 工程科学学报. 2018, 40(8): 1005 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.015 金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为 Damage and fracture behavior of a metal sheet under in-plane compressionshear deformation 工程科学学报. 2021, 43(2): 263 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.23.002 设防烈度对框架-核心筒结构受力性能和材料用量的影响 Influence of fortification intensity on structural performance and material dosage of frame-tube structures 工程科学学报. 2017, 39(9): 1443 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.019 粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 Experimental study and analysis of the mechanical properties of high-water-content materials modified with fly ash 工程科学学报. 2018, 40(10): 1187 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.005 薄铺层复合材料薄壁管轴压屈曲行为研究 Buckling of composite cylindrical shells fabricated using thin-ply under axial compression 工程科学学报. 2018, 40(7): 857 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.012

工程科学学报.第44卷，第2期：277-288.2022年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.2:277-288,February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.12.004;http://cje.ustb.edu.cn 古砖塔子结构压剪复合受力性能分析 卢俊龙)四，范金鑫)，王振山)，负作义2) 1)西安理工大学土木建筑工程学院，西安7100482)陕西省建筑科学研究院有限公司.西安710082 ☒通信作者，E-mail:lujunlong@sohu.com 摘要为研究古塔子结构的受力性能，设计制作了3件不同楼层的子结构缩尺模型试件，进行低周反复加载试验，观察试 件的开裂、变形及破坏现象：建立数值模型进行计算，得到了试验荷载作用下各试件的等效塑性应变、荷载-位移曲线，将计 算结果与试验结果进行对比，分析竖向压应力对古塔砌体抗震性能的影响.结果表明，特征荷载的计算值相对试验值的误差 均小于21%，等效塑性应变的分布与试件开裂破坏区域一致：当竖向压力保持恒定时，随着水平荷载的增大，塔体沿砌筑缝逐 渐开裂破坏，裂缝宽度亦随之增大，在塔体洞口周围的破坏更为明显，且试件残余变形增大：随着压剪比的增大，古塔砌体开 裂破坏的范围减小，抗剪承载力、刚度以及耗能能力均有所提高，但延性和变形能力略有降低.研究结果为砖石古塔建筑结 构损伤及抗震能力评定提供参考. 关键词砖石古塔：古砌体：压剪比：拟静力试验：抗震性能 分类号TU317,TU362 Analysis of the composite mechanical properties of the substructure of a masonry pagoda LU Jun-long,FAN Jin-xin,WANG Zhen-shan,YUN Zuo-yp) 1)School of Civil Engineering and Architecture,Xi'an University of Technology,Xi'an 710048,China 2)Shaanxi Architecture Science Research Institute Co.,Ltd,Xi'an 710082,China Corresponding author,E-mail:lujunlong@sohu.com ABSTRACT Brick wall tubes,a popular form of ancient masonry pagoda,can be seen as a spatial lateral force resistance system.The masonry of the ancient pagoda is a case of compression and shear developed due to earthquakes.This composite compression and shear behavior is one of the key issues in the seismic capacity of masonry tube structure.In order to study the mechanical properties of the substructure of masonry pagodas,three sub-structural models were designed and constructed.Low cyclic loadings tests were conducted on the models and the crack,deformation,and failure phenomena were surveyed during the loading process.Simulation models were then developed for calculation,and results were obtained about the equivalent strain and load-displacement curve.Comparing the calculated results with the experimental results,the effects of vertical compressive stress on the masonry in the ancient tower were analyzed.Results showed that the error was less than 21%for the calculated value of the characteristic load relative to the test value.The distribution of equivalent plastic strain was consistent with the crack failure area of the specimens.When the vertical pressure remained constant with increasing horizontal load,the tower body gradually cracked,damage occurred along the masonry joints,and the width of cracks also increased.The failures around the structure opening were more obvious,and the residual deformation of specimens increased.With the increase in the ratio of compression to shear,the range of cracking and damage to the masonry of the ancient tower 收稿日期：202008-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51778527)

古砖塔子结构压剪复合受力性能分析 卢俊龙1) 苣，范金鑫1)，王振山1)，贠作义2) 1) 西安理工大学土木建筑工程学院，西安 710048    2) 陕西省建筑科学研究院有限公司，西安 710082 苣通信作者， E-mail: lujunlong@sohu.com 摘    要    为研究古塔子结构的受力性能，设计制作了 3 件不同楼层的子结构缩尺模型试件，进行低周反复加载试验，观察试 件的开裂、变形及破坏现象；建立数值模型进行计算，得到了试验荷载作用下各试件的等效塑性应变、荷载−位移曲线，将计 算结果与试验结果进行对比，分析竖向压应力对古塔砌体抗震性能的影响. 结果表明，特征荷载的计算值相对试验值的误差 均小于 21%，等效塑性应变的分布与试件开裂破坏区域一致；当竖向压力保持恒定时，随着水平荷载的增大，塔体沿砌筑缝逐 渐开裂破坏，裂缝宽度亦随之增大，在塔体洞口周围的破坏更为明显，且试件残余变形增大；随着压剪比的增大，古塔砌体开 裂破坏的范围减小，抗剪承载力、刚度以及耗能能力均有所提高，但延性和变形能力略有降低. 研究结果为砖石古塔建筑结 构损伤及抗震能力评定提供参考. 关键词    砖石古塔；古砌体；压剪比；拟静力试验；抗震性能 分类号    TU317;TU362 Analysis  of  the  composite  mechanical  properties  of  the  substructure  of  a  masonry pagoda LU Jun-long1) 苣 ，FAN Jin-xin1) ，WANG Zhen-shan1) ，YUN Zuo-yi2) 1) School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China 2) Shaanxi Architecture Science Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710082, China 苣 Corresponding author, E-mail: lujunlong@sohu.com ABSTRACT    Brick wall tubes, a popular form of ancient masonry pagoda, can be seen as a spatial lateral force resistance system. The masonry of the ancient pagoda is a case of compression and shear developed due to earthquakes. This composite compression and shear behavior is one of the key issues in the seismic capacity of masonry tube structure. In order to study the mechanical properties of the substructure of masonry pagodas, three sub-structural models were designed and constructed. Low cyclic loadings tests were conducted on the models and the crack, deformation, and failure phenomena were surveyed during the loading process. Simulation models were then  developed  for  calculation,  and  results  were  obtained  about  the  equivalent  strain  and  load-displacement  curve.  Comparing  the calculated  results  with  the  experimental  results,  the  effects  of  vertical  compressive  stress  on  the  masonry  in  the  ancient  tower  were analyzed. Results showed that the error was less than 21% for the calculated value of the characteristic load relative to the test value. The distribution of equivalent plastic strain was consistent with the crack failure area of the specimens. When the vertical pressure remained constant with increasing horizontal load, the tower body gradually cracked, damage occurred along the masonry joints, and the width of cracks  also  increased.  The  failures  around  the  structure  opening  were  more  obvious,  and  the  residual  deformation  of  specimens increased. With the increase in the ratio of compression to shear, the range of cracking and damage to the masonry of the ancient tower 收稿日期: 2020−08−12 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51778527） 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期：277−288，2022 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 2: 277−288, February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.12.004; http://cje.ustb.edu.cn

278 工程科学学报，第44卷，第2期 decreased,while shear bearing capacity,stiffness,and energy dissipation capacity were increased.However,ductility and deformation capacity slightly decreased.These results can provide references for the assessment to structural damage and seismic capability of ancient masonry pagodas. KEY WORDS masonry pagoda;ancient masonry;ratio of compression to shear:pseudo-static test;seismic performance 砖石古塔是我国古建筑的主要形式之一，现 重降低 存数量较多且具有极高的科学与文化价值.由于 因古塔结构墙体较厚，水平截面内墙体相互 古塔结构自重较大，且大部分处于地震多发地区， 约束形成筒体而具有一定的空间效应.普通砌体 在长期保存过程中持续受到自然与人为的破坏， 结构以墙体为受力单元，抗震机制与古塔区别较 导致结构存在不同程度的损伤，甚至发生倒塌.因 大.古塔筒体在压剪复合受力状态下多发生剪切 此，对现存砖石古塔抗震能力进行研究，是制定古 破坏，且砌体抗剪强度与法向压力密切相关，故竖 塔保护技术标准的重要基础，对古塔建筑保护具 向压应力对结构的破坏模式与极限承载力具有显 有突出意义 著影响.为此，本文结合古塔墙体材料力学性能试 砖石古塔高宽比大，竖向压力对砌体抗剪强 验，确定其力学计算参数进行数值分析，并进行古 度具有显著影响，在地震作用下，塔体内同时产生 塔子结构在不同竖向压力下的低周反复加载试 竖向压力与水平剪力，沿着主拉应力方向开裂，而 验，将计算与试验结果对比，研究古塔子结构的受 后发生破坏，因而古塔砌体在压剪复合受力状态 下的力学性能是进行古塔抗震能力分析的重要基 力性能及压剪比（截面竖向压力与水平剪力的比 础；同时，古塔结构平面多为筒体结构，地震时各 值)对其抗震能力的影响，为砖石古塔抗震能力评 墙肢上的应力分布不均匀，墙体破坏模式受到多 定提供依据 种因素的影响，破坏规律复杂.因此，进行古塔结 1工程材料与方法 构压剪复合受力性能研究，对砖石古塔抗震能力 评定具有重要意义， 1.1试件设计与制作 历史震害表明，砖石古塔的典型震害有沿中 以西安兴教寺玄奘塔为原型，该塔为唐代高 轴线劈裂、顶部掉落等形式，结构破坏状态与抗震 僧玄奘法师的遗骨灵塔，为楼阁式砖塔，共5层， 能力评估需要考虑多因素的影响-)，其中砌体的 通高21m,平面为正方形，底层边长5.6m,沿高度 力学性能是主要因素之一]针对砌体抗剪强度 方向塔体收分明显，楼层平面尺寸及层高逐层递 与抗震能力问题完成了一系列的研究6-刀，文献[8~11] 减，见图1，模型试件缩尺比例为1/8，采用模型砖 对石砌体及其灰缝的力学性能进行试验研究，试 及糯米灰浆砌筑，选用龄期约40a的青砖作为块 验结果分析竖向压应力对灰缝的抗剪强度有显著 体母材，按缩尺比例切割后制作模型砖.分别以塔 提高.王冬冬和彭斌2)、王毅红等通过对砌体 体底部、中部及顶部的3个楼层子结构为原型结 试件进行压剪破坏试验研究，表明压应力水平对 构，制作3个模型试件，具体尺寸见图2所示 砌体材料的压剪破坏影响显著.蔡勇等、杨娜和 滕东宇、信任和姚继涛对砌体结构在压剪复 (a) 合受力下的抗剪强度研究，表明竖向压应力的大 小直接决定砌体的抗剪破坏形态.Haach等)、 Banting和El-Dakhakhni s对砌体结构进行抗震试 验，表明竖向压力是影响砌体结构抗震性能重要 因素之一.陈伯望等例、王秋维等20、李忠献等P 对砌体墙进行大量拟静力试验研究，结果表明竖 向压力提升对结构承载能力与刚度等抗震性能有 明显提升.张望喜等2②、付亚男等21采用ABAQUS 有限元软件对不同竖向压应力下的砌体墙进行模 图1古塔原型及其子结构模型.(a)兴教寺玄奘塔：(b)子结构模型 拟，结果表明，增大竖向压力能够提高墙体峰值荷 Fig.I Prototype of ancient pagoda and its substructure model:(a) 载，但过高的竖向压应力会使结构的抗震能力严 Xuanzang Pagoda in Xingjiao Temple;(b)substructure model

decreased, while shear bearing capacity, stiffness, and energy dissipation capacity were increased. However, ductility and deformation capacity  slightly  decreased.  These  results  can  provide  references  for  the  assessment  to  structural  damage  and  seismic  capability  of ancient masonry pagodas. KEY WORDS    masonry pagoda；ancient masonry；ratio of compression to shear；pseudo-static test；seismic performance 砖石古塔是我国古建筑的主要形式之一，现 存数量较多且具有极高的科学与文化价值. 由于 古塔结构自重较大，且大部分处于地震多发地区， 在长期保存过程中持续受到自然与人为的破坏， 导致结构存在不同程度的损伤，甚至发生倒塌. 因 此，对现存砖石古塔抗震能力进行研究，是制定古 塔保护技术标准的重要基础，对古塔建筑保护具 有突出意义. 砖石古塔高宽比大，竖向压力对砌体抗剪强 度具有显著影响，在地震作用下，塔体内同时产生 竖向压力与水平剪力，沿着主拉应力方向开裂，而 后发生破坏，因而古塔砌体在压剪复合受力状态 下的力学性能是进行古塔抗震能力分析的重要基 础；同时，古塔结构平面多为筒体结构，地震时各 墙肢上的应力分布不均匀，墙体破坏模式受到多 种因素的影响，破坏规律复杂. 因此，进行古塔结 构压剪复合受力性能研究，对砖石古塔抗震能力 评定具有重要意义. 历史震害表明，砖石古塔的典型震害有沿中 轴线劈裂、顶部掉落等形式，结构破坏状态与抗震 能力评估需要考虑多因素的影响[1−3] ，其中砌体的 力学性能是主要因素之一[4−5] . 针对砌体抗剪强度 与抗震能力问题完成了一系列的研究[6−7] ，文献 [8~11] 对石砌体及其灰缝的力学性能进行试验研究，试 验结果分析竖向压应力对灰缝的抗剪强度有显著 提高. 王冬冬和彭斌[12]、王毅红等[13] 通过对砌体 试件进行压剪破坏试验研究，表明压应力水平对 砌体材料的压剪破坏影响显著. 蔡勇等[14]、杨娜和 滕东宇[15]、信任和姚继涛[16] 对砌体结构在压剪复 合受力下的抗剪强度研究，表明竖向压应力的大 小直接决定砌体的抗剪破坏形态. Haach 等[17]、 Banting 和 El-Dakhakhni [18] 对砌体结构进行抗震试 验，表明竖向压力是影响砌体结构抗震性能重要 因素之一. 陈伯望等[19]、王秋维等[20]、李忠献等[21] 对砌体墙进行大量拟静力试验研究，结果表明竖 向压力提升对结构承载能力与刚度等抗震性能有 明显提升. 张望喜等[22]、付亚男等[23] 采用 ABAQUS 有限元软件对不同竖向压应力下的砌体墙进行模 拟，结果表明，增大竖向压力能够提高墙体峰值荷 载，但过高的竖向压应力会使结构的抗震能力严 重降低. 因古塔结构墙体较厚，水平截面内墙体相互 约束形成筒体而具有一定的空间效应. 普通砌体 结构以墙体为受力单元，抗震机制与古塔区别较 大. 古塔筒体在压剪复合受力状态下多发生剪切 破坏，且砌体抗剪强度与法向压力密切相关，故竖 向压应力对结构的破坏模式与极限承载力具有显 著影响. 为此，本文结合古塔墙体材料力学性能试 验，确定其力学计算参数进行数值分析，并进行古 塔子结构在不同竖向压力下的低周反复加载试 验，将计算与试验结果对比，研究古塔子结构的受 力性能及压剪比（截面竖向压力与水平剪力的比 值）对其抗震能力的影响，为砖石古塔抗震能力评 定提供依据. 1    工程材料与方法 1.1    试件设计与制作 以西安兴教寺玄奘塔为原型，该塔为唐代高 僧玄奘法师的遗骨灵塔，为楼阁式砖塔，共 5 层 ， 通高 21 m，平面为正方形，底层边长 5.6 m，沿高度 方向塔体收分明显，楼层平面尺寸及层高逐层递 减，见图 1. 模型试件缩尺比例为 1/8，采用模型砖 及糯米灰浆砌筑，选用龄期约 40 a 的青砖作为块 体母材，按缩尺比例切割后制作模型砖. 分别以塔 体底部、中部及顶部的 3 个楼层子结构为原型结 构，制作 3 个模型试件，具体尺寸见图 2 所示. (a) (b) 图 1    古塔原型及其子结构模型. （a）兴教寺玄奘塔；（b）子结构模型 Fig.1     Prototype  of  ancient  pagoda  and  its  substructure  model:  (a) Xuanzang Pagoda in Xingjiao Temple; (b) substructure model · 278 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期

卢俊龙等：古砖塔子结构压剪复合受力性能分析 279. (a) 0.40 (b) 0.50 c 0.54 千分表（图中测点9），量测横向位移：在南立面与 北立面每层分别沿对角布置一个千分表（图中测 0.43 034 0.58 点1~6)，测量子结构的剪切变形.测点布置如图4 0 0.63 所示.加载后采集水平、竖向荷载及位移，并记录千 0.46 0.58 分表的读数、试件的破坏情况以及裂缝发展状况 0.58 0.63 (a) (b) 0.64 0 图2子结构试件尺寸（单位：m).(a)顶部结构：(b)中部结构：(c)底 ⑦ 部结构 Fig.2 Dimensions of substructure specimens (Unit:m):(a)top ⑧ structure;(b)central structure;(c)bottom structure ③ 古塔属于高耸结构，不同楼层墙体承受的竖 向压力沿高度方向变化较大.因竖向压力是影响 古塔砌体抗剪强度的主要因素之一，故不同压剪 图4测点布置示意图.(a)南立面(b)东立面：(c)北立面 Fig.4 Loading test scheme:(a)south facade;(b)east facade;(c)west 比条件下塔体破坏的模式亦不同.考虑古塔平面 facade 筒体的构造特征及各楼层竖向压力的变化，并满 足试验加载要求，以塔体楼层子结构为对象，制作 1.2.3加载制度 塔体顶部（第3层至第5层）、中部（第2层至第 塔体不同楼层所受竖向荷载值不同，因竖向 4层)、底部（第1层至第3层）的模型试件各1个， 压力对砌体抗剪强度影响显著，故竖向加载采用 分别记为T1、T2和T3,其中T1和T3采用糯米灰 10、20与30kN三个荷载值进行加载.将试件底 浆砌筑，T2试件采用糯米灰土浆砌筑：T1、T2试 板、千斤顶、作动器与连接头可靠固定后，一次施 件为第1、3层开洞，T3试件为2层开洞 加到预先设定的竖向荷载值，并确保千斤顶与试 1.2试验方案 件居中对齐，保持加载全过程竖向荷载值恒定：而 1.2.1试验加载装置 后施加水平荷载，因古塔砌体脆性较强，故全程采 采用MTS伺服作动器进行加载，如图3所示 用位移加载方式，每级加载增量为1mm,加载至 试件底部通过反力钢梁和地锚螺栓固定，试件顶 结构开裂破坏后，增大竖向荷载，按位移重新进行 部安装加载连接件，与水平作动器之间通过螺栓 加载，直至结构最终破坏 连接，并在顶部通过千斤顶施加竖向荷载，完成后 2试验结果与分析 施加水平往复荷载. 2.1破坏现象 2.1.1顶部结构(T1试件) Reaction beam Reaction 当竖向荷载为10kN时，施加水平荷载初期无 Steel frame frame column W 明显裂缝，随着水平加载位移的增大，首先在塔檐 Hydraulic jack 附近沿灰缝开裂，沿着塔体边角区逐渐扩展形成 Top connector 少量斜裂缝，见图5(a).位移加载至11mm时，北 Horizontal actuator Substructure 立面出现较长的斜裂缝，第一阶段加载结束.当竖 model 向荷载增加至20kN时，压剪比随之增大，塔体开 裂较作用10kN竖向压力时略有滞后，新增裂缝主 要分布于券洞附近，而后逐渐形成细小的贯通裂 图3加载方案 缝，见图5(b).持续加载后砌筑灰浆亦持续掉落， Fig.3 Loading test scheme 于北立面形成“X”型裂缝，均沿砌筑缝开展，同时 1.2.2测点布置 主裂缝周边出现数条细微裂缝.裂缝的产生与扩 在东立面一层与二层布置竖向千分表（图中 展伴随加载全过程，呈明显的剪压破坏形态.当水 测点7、8)，量测竖向位移：在东立面底层布置横向 平位移加载至16mm时，裂缝沿全截面贯通

(a) 0.40 (b) (c) 0.43 1.30 1.42 1.51 0.24 0.20 0.26 0.16 0.28 0.36 0.59 0.32 0.36 0.24 0.26 0.32 0.46 0.58 0.50 0.54 0.58 0.63 0.54 0.58 0.63 0.64 图 2    子结构试件尺寸（单位：m）. （a）顶部结构；（b）中部结构；（c）底 部结构 Fig.2     Dimensions  of  substructure  specimens  (Unit:  m):  (a)  top structure; (b) central structure; (c) bottom structure 古塔属于高耸结构，不同楼层墙体承受的竖 向压力沿高度方向变化较大. 因竖向压力是影响 古塔砌体抗剪强度的主要因素之一，故不同压剪 比条件下塔体破坏的模式亦不同. 考虑古塔平面 筒体的构造特征及各楼层竖向压力的变化，并满 足试验加载要求，以塔体楼层子结构为对象，制作 塔体顶部（第 3 层至第 5 层）、中部（第 2 层至第 4 层）、底部（第 1 层至第 3 层）的模型试件各 1 个， 分别记为 T1、T2 和 T3，其中 T1 和 T3 采用糯米灰 浆砌筑，T2 试件采用糯米灰土浆砌筑；T1、T2 试 件为第 1、3 层开洞，T3 试件为 2 层开洞. 1.2    试验方案 1.2.1    试验加载装置 采用 MTS 伺服作动器进行加载，如图 3 所示. 试件底部通过反力钢梁和地锚螺栓固定，试件顶 部安装加载连接件，与水平作动器之间通过螺栓 连接，并在顶部通过千斤顶施加竖向荷载，完成后 施加水平往复荷载. Reaction beam Steel frame column Hydraulic jack Horizontal actuator Reaction frame W Top connector Substructure model E 图 3    加载方案 Fig.3    Loading test scheme 1.2.2    测点布置 在东立面一层与二层布置竖向千分表 (图中 测点 7、8)，量测竖向位移；在东立面底层布置横向 千分表 (图中测点 9)，量测横向位移；在南立面与 北立面每层分别沿对角布置一个千分表 (图中测 点 1～6)，测量子结构的剪切变形. 测点布置如图 4 所示. 加载后采集水平、竖向荷载及位移，并记录千 分表的读数、试件的破坏情况以及裂缝发展状况. (a) (b) (c) ③ ④ ⑤ ⑥ ⑨ ⑨ ⑨ ⑦ ⑧ ① ② 图 4    测点布置示意图. （a）南立面；（b）东立面；（c）北立面 Fig.4    Loading test scheme: (a) south facade; (b) east facade; (c) west facade 1.2.3    加载制度 塔体不同楼层所受竖向荷载值不同，因竖向 压力对砌体抗剪强度影响显著，故竖向加载采用 10、20 与 30 kN 三个荷载值进行加载. 将试件底 板、千斤顶、作动器与连接头可靠固定后，一次施 加到预先设定的竖向荷载值，并确保千斤顶与试 件居中对齐，保持加载全过程竖向荷载值恒定；而 后施加水平荷载，因古塔砌体脆性较强，故全程采 用位移加载方式，每级加载增量为 1 mm，加载至 结构开裂破坏后，增大竖向荷载，按位移重新进行 加载，直至结构最终破坏. 2    试验结果与分析 2.1    破坏现象 2.1.1    顶部结构 (T1 试件) 当竖向荷载为 10 kN 时，施加水平荷载初期无 明显裂缝，随着水平加载位移的增大，首先在塔檐 附近沿灰缝开裂，沿着塔体边角区逐渐扩展形成 少量斜裂缝，见图 5（a）. 位移加载至 11 mm 时，北 立面出现较长的斜裂缝，第一阶段加载结束. 当竖 向荷载增加至 20 kN 时，压剪比随之增大，塔体开 裂较作用 10 kN 竖向压力时略有滞后，新增裂缝主 要分布于券洞附近，而后逐渐形成细小的贯通裂 缝，见图 5（b）. 持续加载后砌筑灰浆亦持续掉落， 于北立面形成“X”型裂缝，均沿砌筑缝开展，同时 主裂缝周边出现数条细微裂缝. 裂缝的产生与扩 展伴随加载全过程，呈明显的剪压破坏形态. 当水 平位移加载至 16 mm 时，裂缝沿全截面贯通. 卢俊龙等： 古砖塔子结构压剪复合受力性能分析 · 279 ·

280 工程科学学报，第44卷，第2期 V-type crack Few oblique cracks Bricks fall off Cross oblique crack X-type through cra Crack extension Displacement and deformation of bricks 3 cm 图5试件局部破坏.(a)加载初期开裂：(b)北立面X型裂缝：(c)砖块脱落：()交叉贯通裂缝：(e)X型贯通裂缝：(f)南立面开裂错层 Fig.5 Local failure of substructure specimens:(a)cracking at initial loading stage;(b)X-type crack in north facade;(c)brick fell off,(d)cross through fracture;(e)X-type through fracture;(f)cracking and staggered floor of south facade 2.1.2中部结构T2试件) 开始扩展延伸并伴随有新裂缝不断出现.而后随 当竖向荷载为10kN时，试件在加载初期无裂 着继续加载，南立面中部塔檐处破坏严重，砖块外 缝产生.当水平荷载增加至5kN后，塔体灰缝处开 突并出现错层现象，见图5()，北立面券洞砖块出 始出现裂缝，逐渐形成阶梯型裂缝：见图5(c).随着 现裂缝，并扩展至断裂，先后有三块砖块脱落；加 水平位移的增加，裂缝开展过程与T1试件相同.当 载后期，试件既有裂缝不断延伸至全截面贯通.水 位移加载至12mm时，北立面二层券洞砖块脱落， 平位移加载至18mm后，结构达到破坏 随后南、北立面塔体裂缝逐渐完全贯通，加载结束 对比3个试件的破坏过程可发现相同的现象： 当竖向荷载增加至20kN而使试件的初始压剪比增 加载初期，在塔檐与券洞附近灰缝出现裂缝，并逐 大，新裂缝的产生较竖向荷载为10kN时略有延缓， 渐向塔体边角处呈阶梯状扩展延伸.随着水平加 水平位移加载至8mm时，南、北立面首先在灰缝处 载位移的增大，裂缝进一步扩展，斜裂缝逐渐贯穿 出现新裂缝：随着位移的持续加载，塔体原有裂缝 全截面：加载后期，裂缝宽度增大，砖块间有错位 逐渐扩展并延伸，见图5(d).当加载位移达到 现象，最终导致试件破坏当竖向压力增大后，试 13mm后，北立面三层与一层券洞顶部砖块先后脱 件的开裂略有滞后，承载能力有一定提高.其中底 落，但砖块均未出现断裂现象，塔体裂缝沿砌筑灰 部结构(T3试件)与T1、T2试件相比所受竖向压 缝逐渐贯通，位移加载至20mm时，塔体完全破坏 力更大，T3试件抵抗变形能力提高，极限承载力显 2.1.3底部结构T3试件) 著增大，在加载后期，沿裂缝错动现象更为明显， 当竖向荷载为20kN时，在加载初期，T3试件 呈典型的斜压破坏形态 与T1、T2试件的破坏现象相似.水平位移加载至 2.2试验加载压剪比曲线 8mm时，南立面中部塔檐附近开裂较为明显.随 古塔砌体的抗剪切承载力受竖向压力的影响 着加载位移增大，塔体券洞及塔檐附近裂缝产生 较为显著，以下结合压剪比（竖向压力与剪力的比 较频繁，灰浆持续脱落，裂缝延伸并逐渐形成贯通 值)，并绘制压剪比曲线，由此作为砖石古塔结构 裂缝；位移加载至13mm时，北立面底部塔檐处砖 在压剪复合受力状态下发生破坏的依据，压剪比 缝开裂较大，南立面最终形成“X”型全截面贯通 曲线如图6所示，图中，4为加载位移，4为试件破 裂缝，见图5().加载完成.而当竖向荷载提高至 坏的极限位移值 30kN时，加载初期灰浆开始缓慢脱落，未见明显 根据试验结果，绘制出三个试件的压剪比曲 新裂缝产生.当加载位移达到8mm后，原有裂缝 线于图6.可以看出：

Few oblique cracks Cross oblique crack Bricks fall off V-type crack (b) Crack extension X-type through crack (d) (e) (f) (a) (c) Displacement and deformation of bricks 3 cm 图 5    试件局部破坏. （a）加载初期开裂；（b）北立面 X 型裂缝；（c）砖块脱落；（d）交叉贯通裂缝；（e）X 型贯通裂缝；（f）南立面开裂错层 Fig.5    Local failure of substructure specimens: (a) cracking at initial loading stage; (b) X-type crack in north facade; (c) brick fell off; (d) cross through fracture; (e) X-type through fracture; (f) cracking and staggered floor of south facade 2.1.2    中部结构 (T2 试件) 当竖向荷载为 10 kN 时，试件在加载初期无裂 缝产生. 当水平荷载增加至 5 kN 后，塔体灰缝处开 始出现裂缝，逐渐形成阶梯型裂缝；见图 5（c）. 随着 水平位移的增加，裂缝开展过程与 T1 试件相同. 当 位移加载至 12 mm 时，北立面二层券洞砖块脱落， 随后南、北立面塔体裂缝逐渐完全贯通，加载结束. 当竖向荷载增加至 20 kN 而使试件的初始压剪比增 大，新裂缝的产生较竖向荷载为 10 kN 时略有延缓， 水平位移加载至 8 mm 时，南、北立面首先在灰缝处 出现新裂缝；随着位移的持续加载，塔体原有裂缝 逐渐扩展并延伸 ，见图 5（ d） . 当加载位移达到 13 mm 后，北立面三层与一层券洞顶部砖块先后脱 落，但砖块均未出现断裂现象，塔体裂缝沿砌筑灰 缝逐渐贯通，位移加载至 20 mm 时，塔体完全破坏. 2.1.3    底部结构 (T3 试件) 当竖向荷载为 20 kN 时，在加载初期，T3 试件 与 T1、T2 试件的破坏现象相似. 水平位移加载至 8 mm 时，南立面中部塔檐附近开裂较为明显. 随 着加载位移增大，塔体券洞及塔檐附近裂缝产生 较频繁，灰浆持续脱落，裂缝延伸并逐渐形成贯通 裂缝；位移加载至 13 mm 时，北立面底部塔檐处砖 缝开裂较大，南立面最终形成“X”型全截面贯通 裂缝，见图 5（e），加载完成. 而当竖向荷载提高至 30 kN 时，加载初期灰浆开始缓慢脱落，未见明显 新裂缝产生. 当加载位移达到 8 mm 后，原有裂缝 开始扩展延伸并伴随有新裂缝不断出现. 而后随 着继续加载，南立面中部塔檐处破坏严重，砖块外 突并出现错层现象，见图 5（f），北立面券洞砖块出 现裂缝，并扩展至断裂，先后有三块砖块脱落；加 载后期，试件既有裂缝不断延伸至全截面贯通. 水 平位移加载至 18 mm 后，结构达到破坏. 对比 3 个试件的破坏过程可发现相同的现象： 加载初期，在塔檐与券洞附近灰缝出现裂缝，并逐 渐向塔体边角处呈阶梯状扩展延伸. 随着水平加 载位移的增大，裂缝进一步扩展，斜裂缝逐渐贯穿 全截面；加载后期，裂缝宽度增大，砖块间有错位 现象，最终导致试件破坏. 当竖向压力增大后，试 件的开裂略有滞后，承载能力有一定提高. 其中底 部结构 (T3 试件) 与 T1、T2 试件相比所受竖向压 力更大，T3 试件抵抗变形能力提高，极限承载力显 著增大，在加载后期，沿裂缝错动现象更为明显， 呈典型的斜压破坏形态. 2.2    试验加载压剪比曲线 ∆ ∆u 古塔砌体的抗剪切承载力受竖向压力的影响 较为显著，以下结合压剪比（竖向压力与剪力的比 值），并绘制压剪比曲线，由此作为砖石古塔结构 在压剪复合受力状态下发生破坏的依据，压剪比 曲线如图 6 所示，图中， 为加载位移， 为试件破 坏的极限位移值. 根据试验结果，绘制出三个试件的压剪比曲 线于图 6. 可以看出： · 280 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期