张晨诗扬 黄 辉 杨 丹 吉喆

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)

传统藏式建筑种类繁多，分布在西藏及川云贵局部地区，仅拉萨地区就有百余座著名的传统建筑，如布达拉宫、大昭寺、色拉寺等。传统藏式建筑主要为石墙与木构内框架共同承重的混合结构，多数藏式建筑采用石墙体作为主要受力结构，石墙较厚，一般为500～1 200 mm，墙体采用“收分”工艺呈现下厚上薄特征，块石就地取材，为天然形状，块石大小不规则，犬牙交错，工匠依据砌筑经验采用黏土或黏土混有碎石方式垒砌石墙，风格独特[1]。

国内外学者在石墙体及砌体结构力学理论方面开展了大量研究工作。邹洪灿[2]分析了藏族传统建筑平面形状和结构布置。邹紫男等[3]对川西传统石构民居调研，归纳了藏式石构民居房屋的建造过程及各工种的施工内容，进行了石构墙体的静力受力分析。徐明等[4]开展10片粗料石墙体的水平低周反复荷载试验，获得石墙体抗震性能影响参数，形成墙体破坏模式。Vasconcelos[5-6]对3种不同砌筑方式的石墙进行拟静力试验，研究在不同压力作用下的石砌体墙的破坏形态以及不同砌筑方式石墙的抗震性能和耗能能力。Milosevic[7]针对地中海地区传统石砌体墙抗剪强度开展试验研究，获得传统石墙体抗剪强度参数。贾彬等[8-9]针对藏式石墙体完成了部分墙体力学性能试验，初步获得石墙的受力和变形性能。藏式石墙体有其自身的特点，包括所受荷载、组砌工艺、结构特性等都有所不同，因此研究工作需要从藏式石墙体自身特性开展创新研究工作。本文采用西藏地区已有的碎石填缝和控制收分比例的构造方法，砌筑了6组不同工况的石墙体试件，进行石墙体抗压性能试验，分析传统藏式建筑石墙体抗压性能，获得影响石墙体抗压性能的影响参数。

1 藏式民居石墙构造分析

本课题组在西藏、川东地区调研。这些地区的传统民居建筑多数为一层或二层的石木结构房屋，石墙体墙厚多以500～800 mm为主，采取收分砌筑工艺，墙体呈现下厚上薄特征。同时，石料就地取材，天然形状大小不规则，墙体块石不能做到纵横咬砌，工匠为砌筑方便，砌筑时采用黏土或黏土碎石铺平方式垒砌墙体，石墙体现出块石、碎石、泥土等材料形成的混合体，如图1所示。因此，传统藏式建筑石墙体在受力过程中产生的破坏特征不同于普通的砌体结构，墙体石材的不均匀性导致墙体受力后不产生通缝，而是局部坍塌或块石间分离开裂，如图2所示。

图1 传统藏式建筑石墙Fig.1 Stone wall of traditional Tibetan architecture

图2 传统藏式建筑石墙体地震破坏Fig.2 Seismic damage of stone wall of Tibetan traditional building

2 藏式石墙体竖向承载力试验

本试验墙体试件砌筑石材为花岗岩，石材平均轴心抗压强度为54.0 MPa，平均极限抗折强度为35.2 MPa。试验墙体长2.0 m，高1.6 m，试验共设计了6片墙体，均由同一西藏工匠按西藏地区墙体砌筑工艺砌筑，砌筑墙体所用石块编号，尽可能保证Wa,Wb,Wc工况中两片石墙相同位置处石材形状大小一致，避免墙体由于块石形状及位置差异对墙体力学性能的影响。试件石墙体的墙体泥缝、石块尺寸及规整度、碎石填缝均类似于西藏地区墙体特征。石墙体采用单侧收分，具体试件尺寸见表1。

表1 藏式石墙体试件主要设计参数Table 1 Parameters of specimens

试验时，采用力控制，每级加载5 kN，直到块石出现裂缝，随后以2 kN为一级加载到荷载不能持续上升为止，每级荷载加载完持荷1 min。针对墙体中块石是否均匀受力问题，本试验在墙体垂直墙面中按上、中、下、左、中、右对齐原则选取9个块石，布置应变片，如图3所示。在石墙顶部两侧边缘各设置1个位移计，测点布置图如图3所示。

3 石墙体破坏特征分析

6片墙体均在墙体边缘处开裂，如图4(a)所示，石墙边缘处块石无约束，块石间无纵横咬砌，且黏土材料黏结性不强仅作为便于砌筑的辅助材料，故在竖向荷载作用下墙体边缘块石间分离，局部失

图3 加载方案及测点布置示意图Fig.3 Test setup and measuring points

稳变形而破坏。同时，Wa-1，Wb-1，Wc-1墙厚方向出现竖向通缝，如图4(b)所示。该类墙体厚度方向块石间无可靠措施形成整体，墙体较厚，块石之间的缝隙只用泥土填缝，黏土无法将荷载均匀传递，导致墙体在受力后块石受力不均，局部石块失稳后发生分离并向外侧发生偏移，墙体厚度方向逐渐开裂。石墙块石有开裂现象，如图5所示，针对开裂块石进行受力分析，石墙中由于块石表面不平整及块石搭接无规则造成墙体受力过程中产生局部应力集中，则有些块石由于局部应力集中超过材料极限强度而破坏开裂。同时，单块石材因端部或中部有其他块石或碎石支撑而导致块石承受弯矩作用，有些块石受正弯矩作用产生下宽上窄裂缝，有些块石受负弯矩作用产生下窄上宽裂缝。

图4 墙体开裂特征Fig.4 Crack characteristics of walls

图5 墙体单个块石裂缝特征Fig.5 Crack characteristics in the masonry

以工况Wb墙体为例分析藏式石墙体块石受力状态。Wb-1墙在加载过程中，竖向荷载下石墙体整体本应受压，但9个测点中有些块石产生压应力有些则产生拉应力，如图6(a)所示。可见，块石形状的不规则和填缝泥土无法将荷载均匀传递，导致石墙整体受力性能差，且随着荷载的持续增加，泥土压裂及块石开裂后石墙内力重分布，使得部分块石受力状态产生压拉相反的受力状态。Wb-2墙在加载过程中，石墙体大部分测点的应力应变曲线变化较为均匀，没有出现较大范围的上下波动，如图6(b)所示，碎石填缝砌筑工艺使得石墙体受力相对均匀，当局部块石开裂后，石墙体仍产生内力重分布，造成局部受力状态发生变化。可见，未采用碎石填缝的墙体极易产生不均匀受力，块石间离散性大，易产生墙体局部受力而发生块石间分离开裂破坏。

图6 Wb各测点块石的力-应变曲线Fig.6 The force-strain curve of the block of Wb

4 石墙体抗压承载力

图7为试件的荷载-竖向位移曲线。可以看出，碎石填缝墙体试件的曲线斜率均大于未采用碎石砌筑试件曲线斜率,这说明墙体采用碎石填缝可有效提高墙体竖向承载力和竖向刚度，减少竖向位移，采用碎石砌筑工艺可使得墙体受力均匀，避免墙体在较低的荷载作用下产生较大的位移变形而发生失稳破坏。同时，本试验数据表明，收分比例7.5%墙体承载力大于5%的墙体，而收分比例10%墙体又小于7.5%墙体，可见，墙体收分比例对墙体承载力影响较弱，甚至出现了厚墙承载力低的现象，这表明墙体块石搭接状态及砌筑质量较收分比例影响更大，这与文献[10]结论有差异。

图7 墙体试件荷载-竖向位移曲线Fig.7 Vertical load-displacement curves of specimens

藏式石墙体开裂荷载与极限荷载对比分析可知，碎石填缝的石墙的开裂荷载为极限荷载的57%～75%，无碎石填缝的石墙的开裂荷载为极限荷载的45%～60%，而普通砖砌体的比值在30%～46%之间。采用碎石填缝砌筑工艺墙体开裂荷载要高于未采用碎石填缝试件，即未采用碎石填缝砌筑工艺受压试件裂缝出现要比采用碎石填缝砌筑的受压试件早。对于同一收分比例的受压试件，采用碎石填缝的抗压承载力要高于未采用碎石填缝受压试件的抗压承载力。

5 结论

本文通过6片藏式石墙体试件的抗压试验和理论分析，得出以下结论：(1)藏式石墙由于其特殊的砌筑工艺，使得石墙体破坏特征与砖砌体墙体破坏有很大差异，墙体表现为块石间分离开裂，随后局部坍塌破坏，这与该类建筑在地震中的震损特征一致。(2)藏式石墙中块石大小不规则犬牙交错，使得石墙受力不均匀，墙体内存在明显的应力集中，采用碎石铺层填缝砌筑工艺可有效提高墙体整体受力。(3)采用碎石铺层填缝砌筑工艺可有效提高墙体竖向承载力和竖向刚度，减少竖向位移。收分比例仅起到墙体砌筑稳定性作用，对提高墙体承载力效果不明显，墙体块石搭接状态及砌筑质量较收分比例影响更大。