（岩土工程专业论文）灌芯砌块砌体力学性能试验研究及模拟分析.pdf

摘要摘要近年来砌块砌体以其自身的优点在中高层建筑工程中得到了广泛的应用。应用和发展灌芯砌块及配筋砌块已经成为砌体结构的主要方向之一。目前，对于灌芯砌块砌体结构的各项研究工作还处于进一步深入的阶段。相比之下，配筋砌体的研究成果颇丰。因此，研究灌芯混凝土砌块砌体在复合受力受力状态下的力学性能、破坏准则等基础性工作具有重要的意义。通过试件的复合受力状态下的试验数据，得到灌芯混凝土砌块砌体在复合受力状态下的破坏形态、破坏机理和强度等力学性能。通过对复合受力状态下的试验结果的数值拟合，得到了灌芯混凝土砌块砌体的试验破坏包络线。采用蔡一吴张量多项式准则推导出双向受压时的理论破坏包络线，与试验结果得到的破坏包络线吻合良好。同时根据本文的单拉和拉一压试验结果得到在压一拉、拉一拉状态的破坏包络线。最后提出了灌芯混凝砌块砌体的完整的破坏包络线：应用大型有限元程序进行模拟分析，并讨论了灌芯砌块砌体受压时主要力学性能的影响因素，并且与既有的实验结果进行了对比分析。讨论了灌芯混凝土砌块砌体强度的影响因素及其规律。结果表明了砌体各组成成分的性质对砌体的性质有重要影响。也证明有限元分析程序a n s y s 能够被运用于砌体非线性有限元分析。本文的成果可供砌体结构设计和理论研究参考。关键词混凝土空心砌块；砌体；双向受力；强度；非线性有限元a b s t r a c tc o n c r e t eh o l l o wb l o c kh a sd i s t i n c te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s e s p e c i a l l yr e c e n t l y , m e d i u m h i g ha n dh i g h r i s em a s o n r ys t r u c t u r eh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gf o rt h i sa d v a n t a g e s d e v e l o p m e n ti nr e i n f o r c e db l o c km a s o n r yb e c o m e so n eo fp r i m a r yd i r e c t i o ni nm a s o n r ys t r u c t u r e s i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oc a r r yo u tt h ef u n d a m e n t a lw o r k ss u c ha ss t u d yo nt h ef a i l u r ec r i t e r i o no fg r o u t e dc o n c r e t em a s o n r yu n d e rb i a x i a ls t r e s ss t a t ew h e nr e i n f o r c e dm a s o n r ys t r u c t u r e sa r es t i l lf u r t h e rs t u d i e d tt h ea u t h o rs t u d i e st h ef a i l u r em o d e s ，f a i l u r em e c h a n i s m s 1 0 a d b e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nc a p a c i t yo fg r o u t e dm a s o n r yb yb i a x i a ls t r e s s e st e s t so fm a s o n r yp a n e l s t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ef a i l u r em o d e so fg r o u t e dc o n c r e t em a s o n r yu n d e rb i a x i a lc o m p r e s s i o n - c o m p r e s s i o nc a l lb ea t t r i b u t e dt ot h r e et y p e s ：s l i p p i n go fm o r t a rj o i n t s ，c r a c k i n go fv e r t i c a lj o i n t sa n db l o c k ，b i a x i a lc o m p r e s s i o ns p a l l i n g f o rm o s ta n g e l s ，f a i l u r eo c c u r f sb ys p l i t t i n gi nap l a n ep a r a l l e lt ot h es u r f a c eo ft h es p e c i m e na tm i d t h i c k n e s sw h e nt h ep r i n c i p a ls t r e s sr a t i o t h ei n f l u e n c eo fj o i n to r i e n t a t i o na n dt h ep r i n c i p a ls t r e s sr a t i ot ot h em a s o n r ys t r e n g t hi sa l s od i s c u s s e d ，t h ef a i l u r ee n v e l o p eo fg r o u t e dc o n c r e t em a s o n r yi so b t a i n e db yf i t t i n gt h et e s tr e s u l t so fm a s o n r yp a n e l su n d e rb i a x i a lc o m p r e s s i o n c o m p r e s s i o n a n di t sc o m p a r e dw i t ht h ef a i l u r ee n v e l o p eo fc o n c r e t ea n db r i c km a s o n r y t h ea u t h o rd e d u c e st h et h e o r e t i c a lf a i l u r ee n v e l o p ef r o mt s a i w ut e n s o rm u l t i n o m i a lc r i t e r i ai ti si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h et e s tr e s u l t s m o r e o v e r , t h ea u t h o rs u m m a r i z e s a n ds y s t e m a t i z e st h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fu n i a x i a lt e n s i o na n db i a x i a lt e n s i o n c o m p r e s s i o nf r o mt h i st e s ta n do t h e rs t u d i e s a n dt h ef a i l u r ee n v e l o p ei nt h eb i a x i a lt e n s i o na n db i a x i a lt e n s i o n - c o m p r e s s i o nr e g i o ni so b t a i n e d s ow ep r o p o s e sac o m p l e t ef a i l u r es u r f a c ef o rg r o u t e dc o n c r e t em a s o n r y a tl a s t ，t h eg e n e r a ln o n - l i n e a rf e ap r o g r a ma n s y si su s e dt os i m u l a t et h et e s tr e s u l t sa n dr e a p p e a rt e s tp r o c e s so fc o n c r e t eb l o c km a s o n r y b yp a r a m e t e r sa l t e r a t i o na n a l y s i s ，t h ee f f e c to fm a i nf a c t o r so nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc o n c r e t eb l o c km a s o n r ya r ea n a l y z e d ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s so fc o n c r e t eb l o c km a s o n r yu n d e rj o a d sj sp r e s e n t e d ，t h er e s u l t so ff e aa r es h o w nt h a tt h ea b s t r a s tb e h a v i o ro fc o n c r e t e ，b l o e ka n dm o r t a rh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h eb e h a v i o ro fc o n c r e t eb l o c km a s o n r y t h ew e l lp r e c i s i o no fr e s u l t sb yn o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rc o n c r e t eb l o c km a s o n r yi sp r o v e dt h a ta n s y sc a l lb eu s e dt ot h em a s o n r yn o n - l i n e a rf e a t h er e s u l t so ft h ep a p e rc a l lb eu s e dt or e f e r e n c ef o rd e s i g no fm a s o n r ys t r u c t u r ed e s i g na n dt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h k e y w o r d sc o n c r e t eh o h o wb l o c k ；m a s o n r y ；b i a x i a ll o a d s ：s t r e n g t h ；n o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e r i tm e t h o di l 宁。i 稃手哦o ：学咧学2 沦t1 绪论1 1 选题背景砌体结构是一种有着悠久历史的建筑结构形式，主要是由砖、石材、砌块等块材砌筑成型，是最古老的一种工程结构，具有较强的生命力。新中国成立以来，砌体结构已成为我国建筑工程中量大面广的最常用的结构形式，而墙体结构中砖石砌体约占9 5 以上。近年来，砌体结构在欧。美许多国家中也有很大的发展，已成为世界上受重视的种建筑结构体系。目前，砌体结构材料方面发展趋势：新型的节能、利废、环保、轻质、耐久等的墙体材料将逐步取代粘土砖，以避免土地资源过度开采混凝土小型空心砌块作为一种新型的墙体材料，与普通粘土砖相比，具有节土节能( 与烧粘土砖相比可以节能4 5 左右) 1 l 、保护环境、就地取材、制作简单，利用大量工业废渣、施工方便快捷( 可缩短建设周期4 0 以上) 、成本低廉、结构自重轻( 可以减轻建筑物墙体重量2 2 至4 0 ) 、相对增加建筑物的有效使用面积并降低建筑物的总体工程造价( 可降低建筑每平方米单位造价约l o 以上) 等方面的优点，特别是它的块型设计为在砌块中配置钢筋、设置混凝土芯柱等对提高结构的强度和变形能力均创造了良好的条件。同时，利用配套材料和应用技术不仅可建多层房屋，而且可建中高层和高层配筋砌块建筑；与多层砖混结构相比，砌块建筑可增加使用面积3 5 ：与高层混凝土结构相比，灌芯砌体具有强度高，延性好，施工周期短，造价低，不用模板等突出优点。我国虽已对配筋混凝土砌块砌体进行了一些试验研究，并建造了一定数量的既经济又安全的试点房屋，使我国配筋砌体的理论研究、应用范围有了较大的发展和突破。但总的来讲，我国在混凝土小砌块配筋砌体的应用研究方面尚刚刚起步，对灌芯砌体的基本力学性能试验研究开展得也不多；同时砌体结构应用历史久远，在强度、构件和结构等层次上有了些研究成果，便就其微观机理、本构模型及破坏准则等基础理论i 宁辞技求大学硕士学肇讫z方面的研究相对滞后，直未找到能描述砌体结构的非线性全过程分析和适于各种受力情况下的有限元分析的合理本构模型，从而在一定程度上制约了砌体结构的广泛应用。因此进一步加强砌块砌体结构理论方面的研究，进一步研究砌体结构的本构关系、破坏机理和受力性能通过物理和数学模式，建立精确而完整的砌体结构理论，这也是目前国内外工程界关心的课题。耳前国内外均将研究方向定于配筋砌块砌体的破坏机理、配筋砌块砌体的基本力学性能及其抗震性能；配筋的空心砌块建造“的高层建筑日益增加；同时，砌体结构研究正在向数值模拟方向发展，实现再广范围的揭示砌块砌体结构的变形和破坏规律，形成适合于其结构自身特点的理论体系。对于配筋砌体、灌芯砌体等方向的应用，更需要基础性的理论研究成果的支持。因此，开展砌块砌体的复合受力性能的研究及配筋砌体、灌芯砌体等实践性的研究显得尤为重要。1 2 混凝土砌块砌体的应用和发展1 2 1 国内混凝土砌块砌体的应用和发展，为了提高砌体结构对抗震能力的要求，适应砌块砌体房屋建筑向高层建筑发展的时代潮流，国内学者近年对配筋砌块砌体结构作了大量的研究工作，对配筋砌块砌体结构进行了较系统的研究，主要研究成果己经列入砌体结构设计规范( g b 5 0 0 1 2 0 0 1 ) 。混凝土砌块建筑6 0 7 0 年代在我国南方广大城乡逐步得到推广和应用。贵州、四川，广东、河南等省的一些城镇已经俱各较大量地生产混凝土小型砌块的能力，并已建造了一大批房屋。经过二十多年的发展，混凝土小砌块建筑就己逐渐进入县城的住宅、办公、学校等用房。目前已进入大、中城市的住宅、办公等建筑，并从多层住宅建筑向中高层建筑发展。1 9 9 5 年颁布实施了 o 2 时，均发生劈裂破坏。劈裂面垂直于最大主拉应变方向。试件开裂之后裂缝无明显开辽宁工挣技术大学硕士学争论z展。直到达到破坏荷载的7 0 8 0 时裂缝才开始迅速发展。在整个试验加载过程中，除了盯：i o ，= o4 时试件的表面中间部位的裂缝发展不是很充分，仅在试件的边缘产生一些灰缝压密。劈裂破坏一般是从某一加载面开始扩展到试件中部，最后沿着平行于试件的无荷面的平面从试件的中部劈裂破坏，破坏时带有突然性，并伴随较大的晌声。在这种破坏形态中，芯柱混凝土会根据不同的应力比发生不同程度的破坏情况。典型破坏形态见图2 1 3 。4 单轴受拉破坏对占= 0 和9 0 。两种情况进行了单轴受拉试验，分别得出不同结果。当p = 0 。时，即主拉应力方向与水平灰缝方向一致时，在整个加载过程中没有出现裂缝，最后发生突然破坏，并伴随着一声巨响。属脆性破坏。破坏面在两个芯柱之间沿着竖向灰缝方向交替经过灰缝和块材，块材的破坏面发生在块材和芯柱混凝土之间的接触面，属于块材和芯柱的粘结破坏而并不是块材的受拉破坏。当日= 9 0 。时，即主拉应力方向与水平灰缝方向垂直时和目= 0 。时相似在整个加载过程中没有出现裂缝，最后发生突然破坏。并伴随着一声巨晌。芯柱混凝土被拉断，破坏面沿着水平灰缝方向，断面比较平整，断面在水平灰缝的顶部或者在块材的底部，即是芯柱混凝土的最小横截面处。5 双向拉一压试验的破坏本次试验仅做了目= 0 。时，q 吒= 1 一3 0 的两个试件的拉压试验。由于应力比过小，所以压应力起着主导作用，破坏特征明显与单向受压时的破坏特征相似，试件破坏时形成两个肢体。但是由于拉应力的存在，破坏荷载较之单向受压时要小很多。2 5 本章小结本章主要介绍了本文所研究的试验中试件的设计、制作和试验方案步骤等，包括以下几个方面：1 所需试件设计与制作。2 试验方案的确定辽宁工程挂术太学硕士学应论士3 试验的加载装置和试验步骤的设计等。以上工作均为后续章节内容的模拟分析提供了验证实践依据。翌! 三篓垫垄查兰雯主兰垡丝兰丝3 试验数据分析3 1 试验结果本次试验的所得到的分析结果见表3 1 。表3 - 1 实验结果试件编试件n 1n2ar类型( k n )( k n )n 2 ，n 1( m 2 )( m p a )0 ，i ro2 i rp 1 1i2 6 0oo0 1 91 6 7 8o 8 0 4op l - 2i2 9 5oo0 1 91 67 809 38op 1 3l335o001 91 6 7 81 0 5 1op 1 4l3 6 0000 1 91 6 7 81 13 2op 1 5i3 9 50o01 91 6 7 81 1 9 8op 2 1i5 4 02 80 0 5o 1 91 6 7 8l6 4 6o0 9 4p 2 2i5 0 02 5o 0 5o 1 91 6 7 815 7 4o0 7 8p 2 3i4 8 02 4o ，0 50 1 91 6 7 814 3 20 0 6 4p 3 1v18 0oo0 1 91 6 7 80 ，5 8 6op 3 2v2 15oo01 91 67 80 7 8 0op 3 3v2 4 0o00 1 91 67 808 2 4op 3 4v2 7 50oo 19l6 7 8o8 5 6op 4 1v3 0 01 2 0o 4o 1 91 67 81 0 6 404 2 2p 4 2v3 8 015 2o 4o 1 91 6 7 81 38 60 4 6 8p 4 3v4 4 01 7 6040 1 91 67 81 4 2 6o ，5 8 3p 4 4v3 4 06 8020 。1 91 6 7 81 0 6 402 1 2p 4 5v3 2 06 40 20 191 6 7 81 0 0 4019 8p 4 6v3 0 06 002o 1 91 6 7 809 4 00 18 6p 5 1i i4 1 01 6 4o40 1 91 6 7 81 3 2 4o 5 2 6p 5 2h3 6 07 2o 2o 1 91 6 7 81 13 8o 2 2 6p 5 3i i2 2 0000 1 91 67 80 6 4 8op 6 1m2 2 0oo0 1 91 67 8o 6 3 40p 6 2i3 4 06 8o 2o 1 91 67 81 0 2 4o 2 3 4p 6 3i4 2 01 6 80 40 1 91 6 7 81 3 6 20 5 8 7p 8 13 2 06 4o 20 1 91 6 7 81 0 6 4o 2 1 4p 8 23 4 0l3 60 4o 1 91 6 7 81 1 80 4 2 7p 8 33 0 01 2 00 40 1 916 7 809 4 8o3 8 4p 9 1i2 l oo00 1 l41 1381 6 2 0op 9 2f2 2 04 4020 1 1 4i i 381 5 4 4031 2p 9 3i2 6 01 0 4040 1 1 4l l3 81 8 6 80 7 4 1p 9 4i2 0 01 2 00 60 1 1 41 13 81 5 6 4o8 2 4p 9 5l2 0 01 6 0o 8o 1 1 41 1 381 5 6 61 1 8 3p 9 6i16 01 6 01o0 1 1 41 1 381 2 3 61 2 36p l o 1v1 05oo0 1 91 6 7 800 3 6op 1 0 2v16ooo 1 91 6 7 8o 0 4 8op 10 3v1 40o01916 7 80 0 4 4op 1 1 1i 1 0 50oo 1 91 6 7 80 0 0 30! ! 了工稃技术六学丽十学矿连支p 1 1 219 5oo0 1 91 67 8oo0 0 2 7p 1 1 3185ooo 1 91 67 8oo2 2 2 4p 1 2 1i18 05 400 30 1 9l67 8o 5 0 400 1 6p 12 2v2 0 0- 6 o- 0 0 3o 1916 7 80 5 6 800 2 03 2 试验结果分析3 2 1 双向受压状态下的破坏包络线试件在双向受压下的强度试验结果如图3 - 1 中数点所示，图3 一l中，q ，盯：分别为垂直方向和水平方向的强度值。拉为负，压为正。r为标准试件的抗压强度。在q r ，j r 坐标系内，其强度包络线基本上符合椭圆方程。可以用应力张量的二次式来拟合破坏包络线，形式如下假) 2 + b + c 曙) 2 + 。+ 晤传) = t( 3 1 )公式( 3 1 ) 是二元非线性方程，以绝对值距离和最小为目标函数来拟合。采用m a r l a b 程序语言进行编程，用求多元函数的极小值点的数值方法对系数a 、b 、c 、d 、e 进行搜索。本文采用单纯形下山法求极小值，其基本思想是：先找一个包含极值点的区域，然后不断缩小区域，使达到一定的精度。通过逐次搜索，最后求得系数为 = 2 2 3 8 ，b = - 2 1 5 0 ，c = 5 0 i 0 ，d = - 4 2 6 7 ，e = 一2 2 1 4 ，将系数代入( 3 1 ) 式，得到z 2 ，倍 2 一幢 + m t 倒乙2 s 僚) 一2 2 ，倍倍) = - ( 3 - - 2 )式( 3 2 ) 与试验值的比较见图3 一l 。从图中可以看出椭圆的最大主轴不与仃：= 吼的直线相重合，这是由于灌芯混凝土砌块砌体在竖直方向和水平方向的抗压强度不相等造成的。在侧向压应力相等的条件下竖向压应力垂直于水平灰缝的强度较竖向压应力平行于水平灰缝时的强度要高，这主要有以下两个原因：( 1 ) 与芯柱混凝土有关系。当竖向压应力垂直于水平灰缝时，也就是压应力作用在芯柱混凝土的两端，这样芯柱混凝土处于三向受压状态，其竖向抗压强度得到很大的提高。而当口1 ，r图3 1 双向受压试验的破坏包络竖向压应力平行于水平灰缝方向作用时，试件在平面内垂直于压应力方向产生拉应力，这时芯柱混凝土受到拉力作用。由于混凝土抗拉强度低，芯柱很快被拉断，芯柱混凝土不能独立承担压力。当竖向压应力平行于水平灰缝方向作用时，在水平灰缝中沿着平面内产生拉应力，而竖向灰缝受到压应力而使块材在平面外方向产生拉应力，这都会使承载力大大降低。当竖向压应力垂直于水平灰缝时，由于芯柱混凝土的存在，限制了水平灰缝向内变形，同时由于块材的肋宽小，水平灰缝的净截面小，这都使得由于灰缝的应力状态导致的块材受到的拉应力比较小。从灌芯混凝土砌块砌体的双向受压破坏包络线中可以得到灌芯砌块砌体的二轴抗压强度吼，随应力比例的变化规律为c r 2 c r l = o 0 4c r i ，随应力比的增大而提高较快；盯：吒= 0 4 1吼，随应力比的增大而降低。最大抗压强度约为1 8 五，-。发生在o ，= o 5 左右；q o 2 = 0 7 1 0 ，d 2 ，随应力比变化平缓。q o 2 = 0 0 7o z ，随应力比的增加逐渐提高。双轴等压时的强度为无= 1 2 4 正( 3 3 ) 3 2 2 拉拉状态的破坏包络线单轴抗拉强度进行了试验的试验数据见表3 一1 p 1 0 为拉应力垂直于水平灰缝的一组试件，其抗拉强度平均值为l3 1 肌。：，为相应方向的抗压强度平均值的4 p 1 1 为拉应力平行于水平灰缝的一组试辽宁j 一程技术大学硕士学位论t件，其抗拉强度平均值为8 5 。，是相应方向的抗压强度平均值的3 6 。可见灌芯混凝土砌块砌体的抗压强度和抗拉强度的相差很悬殊，这主要是由于它的组成成分均是脆性材料，而且各个方向都存在明显的薄弱面。另外从试验数据中可以得到平行于水平灰缝方向的抗拉强度为垂直于水平灰缝的抗拉强度的6 5 ，这充分体现了灌芯混凝土砌块砌体的各向异性性能。在吼r ，盯，i r 坐标系统内，试验强度结果分布见图3 3 由于没有关于双向受拉的试验研究资料，根据灌芯混凝土砌块砌体的受力特性，我们假设在拉拉区域内破坏包络线为分别通过两个方向的抗拉强度平均值的一条直线，这样的假设偏于保守。得到破坏包络线如图3 2 。图3 3 拉一拉破坏包络图3 2 3 压拉状态的破坏包络线试验数据见表3 一l 中的p 1 2 。p 1 2 为口= 0 。的试件类型，拉压应力比以矾为1 1 3 0 。试件的破坏时的抗压承载力平均值为1 7 0 。：，是相应方向的单轴抗压强度的5 4 ，这说明了拉压应力状态下试件的抗压强度由于拉应力的存在大大的降低了。同时得到了试件破坏时的抗拉承载力平均值为5 6 州。t ，为相应方向单轴抗拉强度的4 4 。这说明了拉压应力状态下的抗拉强度由于垂直方向存在压应力而大大降低。)由于在该区段内的试验数量有限，要想从试验中得出破坏包络线难度很大。但是知道由于试件同时受到拉应力和压应力，所以它的二轴拉压强度一定均低与其单轴强度，即 i 宁工程投术大学斫学岔论士t cl 盯：，l z ，吼， z( 3 - ；)又因为灌芯混凝土砌块砌体的抗压强度和抗拉强度相差很大，完全l可以假设在拉一压区段内灌芯混凝土砌块砌体的破坏包络线为直线段。直线通过相应区段的抗压强度和抗拉强度。这样得到的破坏包络线是偏于保守的。拉压区段的破坏包络线见图3 3 。图3 3 拉一压区段的破坏包络线3 3 破坏包络线的理论分析3 3 1 双向受压状态下的理论破坏包络线对于灌芯混凝土砌块砌体的受压强度研究，大体上有两种方法：y一种方法是：根据砌块砌体受压破坏机理，以块材、砂浆和芯柱混凝土作为基本单元，对三者在砌体中的应力状态进行分析的基础上，对灌芯混凝土砌块砌体的复杂受力下强度进彳亍分析，从而预测其受压强度n ”文献【2 9 】基于块材和芯柱混凝土的变形协调，给出了灌芯混凝土砌块砌体在单向受压下的强度的定量估计。另一种方法是：把灌芯混凝土砌块砌体作为复合材料，而把块材、砂浆和芯柱对强度的影响作为复合材料的平均表现性能来考虑。既不考虑每种单独组成部分在砌体中的受力情况，而是通过试验观察到的破坏现象，提出某种破坏准则，通过砌块砌体的基本强度试验如单轴拉、压、剪以及砌块砌体在复杂受力下的些边界条件来预测砌块砌体在复杂受力下的强度。因而，所建立的计算公式不能预测材料如何破坏，公式也只有在指定条件下才成立，公式的正确与否还要通过试验来验证。辽宁工程拽丧走学硕工学位论文运用第一种方法来预测灌芯混凝土砌块砌体在双向受力下的强度从理论上是可行的。但是，由于对块材、砂浆和芯柱混凝土在砌体中的受力情况及在复杂受力下的强度了解甚少。用第一种方法来建立强度公式在实际上要遇到很多困难一所以采用第二种方法，即用基本强度参数来预测双向受压下灌芯混凝土砌块砌体的强度。假设灌芯混凝土砌块砌体都发生垂直于最大拉应变方向的劈裂破坏。这样就可以用统一的公式来估计灌芯混凝土砌块砌体在双轴受压下的承载力引入蔡一吴张量多项式准则，蔡一吴张量多项式准则是蔡和吴( e m w u ) 在综合了许多准则方程的基础上，于1 9 7 1 年提出了一个张量多项式准则，该准则考虑了材料的正交异性，适用于在材料主方向上的拉压强度并不相等的复合材料”。它的方程一般式为x 1 0 t + x 口口t d j + x 噼o p | 口i + = 1。( 3 5 )对于平面应力状态，式中扎，、露= 1 、2 、6 。在工程设计中，通常取张量多项式的前两项。因而，对于平面应力状态，准则方程的展开式为墨l 口；+ j 岛盯；+ k 酾仃6 2 + 2 k 1 2 盯1 盯2 + 2 k 1 6 盯1 0 6 + 2 如a t 口6+ 置l 仃l + k 2 盯2 + k 6 c r 6 - - - - 1( 3 6 )式中的疋为材料的强度参数。式中具有应力张量的一次项。从解析几何的基本理论中知道，这是一个球心不在坐标原点的椭球方程。此椭球在坐标轴的截距取决于拉压基本强度的差别。由于材料的剪切强度不受剪应力方向的影响，因此有墨。= 置。= 丘= o ，此时正轴坐标系下的平面应力状态的准则方程可简化为墨i 盯? + 墨q + x 司+ 疋c r 2 + 孟+ 2 k 0 3 0 2 = l( 3 7 )其中系数墨、置：、墨，、置。、墨。可由基本强度试验求得，墨5 老一万1 、局= 万1 一万1 、墨t = 去、如= 去、瓦。去。局z 是通过双向等压强度试验确定。将盯：= o t = 厶代入式( 3 6 ) 中得到辽宁t 殍挂尤大学面士学位论支2 k 1 2 =【1 一逛! 三圣墟!一取，+ 置。)( 3 8 )式中，如一砌块砌体的竖向抗压强度；，1 f 一砌块砌体的竖向抗拉强度；，：c 一砌块砌体的横向抗压强度；，z r 一砌块砌体的横向抗拉强度；厶一砌块砌体的平面剪切强度；j * 一双轴等压时纵向抗压强度。根据本次试验结果取基本强度参数丘= 0 0 4 1 r 、厶，= 0 0 2 7 r 、 。= 0 7 4 r 、无= 贝，氕= 1 2 钮，无= o 0 9 3 r 将上述基本强度代入式( 39 ) 中得到。z 4 s 辑) 2 瑙3 + s o 。撩) 2 瑙s 氇 圳5 ( 撩 = ，( 3 - - 9 )在这里压应力为正，拉应力为负。，图3 4 理论包络线和拟台包络线比式( 3 9 ) 给出的曲线如图3 - 4 所示可以看出式( 3 9 ) 与式( 3 2 ) 曲线吻合较好。可以看出除了当c r 2 q = o 6 1 时由蔡一吴多项式破坏准则得到的理论包络线给出的值较试验值偏高之夕 ，理论破坏辽宁工堰技东太学颈七晕也论支包络线均比试验拟合破坏包络线偏于保守。3 3 2 拉拉状态下的理论破坏包络线关于灌芯混凝土砌块砌体的单向受拉试验研究，国外已经做了一些的工作b “3 ”1 9 8 4 年r o b e r tg d r y s d a l e 等人对灌芯混凝土砌块砌体的抗拉强度进行拉试验研究，并建立了抗拉强度公式伟”他们主张从宏观的角度来分析问题，这样可将灌芯混凝土砌块砌体当作一个均匀的共同体，将它的各个组成成分对强度的影响认为是整个组合体的平均性能。所以，灌芯混凝土砌块砌体的抗拉强度就可以由其中各个组成成分的抗拉强度的线性组合来表示。对于拉应力垂直于水平灰缝的情况，灌芯混凝土砌块砌体的抗拉强度公式可表示为、厶= t 7 ，+ ( 1 一，7 ) ，暂( 3 1 0 )式中厶一灌芯混凝土砌块砌体垂直于水平灰缝方向的抗拉强度；t仉一水平灰缝面积与截面毛面积的比值；允一水平灰缝的抗拉强度；厶一芯柱混凝土的抗拉强度，对于拉应力平行于水平灰缝的情况，灌芯混凝土砌块砌体的抗拉强度公式可表示为厶= + ，k 厶( 3 一1 1 )式中厶一灌芯混凝土砌块砌体平行于水平灰缝方向的抗拉强度；一竖向灰缝面积与截面毛面积的比值；一块材的面积与截面毛面积的比值；一竖向灰缝的抗拉强度；厶一块材的抗拉强度采用蔡一吴张量多项式准则得到灌芯混凝土砌块砌体在拉拉区段的失效条件时，可以看到蔡一吴张量多项式破坏准则在拉拉区段基本上是一条通过灌芯混凝土砌块砌体两个主轴方向的抗拉强度的直线。这! ；皇1 槔拽术大学硬上学位讫支与前面假设的拉拉区段的破坏包络线是一致的。从图3 5 可以看出它与假设的破坏包络线基本重合图3 5 拉一拉区段的破坏包络线3 3 3 双向受力状态下的破坏包络线通过对试验数据的拟合分析得到了灌芯混凝土砌块砌体在双向受压下的试验拟合破坏包络线，并采用蔡一吴多项式准则得到了理论破坏包络线。由于在拉拉区段和拉压区段内的试验数量有限，要想从试验中得出破坏包络线难度很大。根据灌芯混凝土砌块砌体的受力特点，即试件在拉拉应力状态下的单轴抗拉强度低于单轴受力时的抗拉强度；试件的二轴拉压强度一定低于其相应的单轴强度，且灌芯混凝土砌块砌体的抗压强度和抗拉强度相差很大。所以完全可以假设双向受拉下的破坏包络线和拉一压区段的破坏包络线分别为通过相应区段的单轴抗压强度和单轴抗拉强度的直线。这样即可得到灌芯混凝土砌块砌体在双向受力下的破坏包络线如图36 。可以将灌芯混凝土砌块砌体强度按应力状态分段表示如下：c c 曲线段2 4 3 s ( 訇2 一经) + s o 。倒2 一任) 一2 6 ，倍撩 = z ( 3 - - 1 2 )们跎昭咐辽宁工程技术丈学顽学位论文rd三、，”j，“d 4，t ，cj* t l。、80 + 20 an tt c i 。工21 ik 5 jun 2 灯，竹iq gt c 直线段q 为压应力时，q 为拉应力时t t 直线段图3 6 灌芯混凝土砌块砌体破坏包络线”鲁- 0 0 2 7 - 丑r - 一0 0 2 7旦：1 8 3 5 旦+ 07 4rr生：- - 06 7 旦一0 0 2 7，rr3 4 灰缝角度对强度的影响分析3 4 1 灌芯混凝土砌块砌体的各向异性性能由于灌芯混凝土砌块砌体是由砌块、砂浆和芯柱混凝土组成的复合材料m i t 各种组成成分的力学性能相差悬殊，使得灌芯混凝土砌块砌体具有明显的各向异性性能；不同方向的单轴压、拉及剪切强度均不相同；由于砂浆强度较低砌体沿着灰缝截面形成了许多薄弱截面。文献 9 】中，r o b e r tg d r y s d a l e 等人做了灌芯混凝土砌块砌体在双向拉压应力状态下的力学性能的试验研究。试验研究表明当水平灰缝与水平方向的j 工宁工援技术大学砺：士学伊论夹角臼从4 5 。变化到9 0 时，抗拉强度提高15 左右。而目角小于4 5 时，抗拉强度有更大幅度的降低a 另外从试验数据中可以得到平行于水平灰缝方向的抗拉强度为垂直于水平灰缝的抗拉强度的6 5 左右。r o b e r tg d r y s d a l e 等人在1 9 7 9 年就做了关于灌芯混凝土砌块砌体抗拉强度的试验研究，试验表明当日= 4 5 。和9 0 。时芯柱混凝土强度的提高对砌体抗拉强度有明显的提高作用这充分体现了灌芯混凝土砌块砌体的各向异性性能“。因此，研究灌芯混凝土砌块砌体在复合受力下的强度不但一要考虑其应力状态，还必须考虑水平灰缝与应力之间的角度和芯柱混凝土的强度。这是因为灌芯混凝土砌块砌体在复杂受力下的破坏往往不是沿着最大应力作用面破坏，而是从其最薄弱处首先发生破坏。我们所做的双轴受压试验中，当0 = 0 。和9 0 。时，且应力比大于0 2 ，发生双轴受压劈裂破坏。当0 0 或9 0 。，且应力比小于0 2 时，可能发生剪切滑移破坏，承载力很低，这也正是灌芯混凝土砌块砌体的各向异性性能的表现。在建立强度公式时，必须根据不同的破坏形态合理考虑灌芯混凝土砌块砌体的各向异性性能。对于同一种破坏形态，当随着受力方向的变化幅度很大时，灌芯混凝土砌块砌体的各向异性性能是不容忽视的。对于灌芯混凝土砌块砌体，一方面要考虑基本强度的取值是否考虑了受力方向的变化。一方面还应考虑到由于砂浆强度较低，砌体的水平灰缝和竖向灰缝往往是最薄弱处。因此，在建立复合受力下的强度时，还应考虑灰缝中应力状态的变化。3 4 2 灰缝角度对承载力影响的特点图3 1 0 描述了灌芯砌块砌体竖向抗压强度随着曰( 占水平通缝与水平面的夹角) 的变化特征图3 1 0 ( a ) 描述了单轴抗压强度随口的变化特点。当口= 2 2 5 。、4 5 、6 7 5 时的抗压强度要低于曰= 0 。、9 0 。时的抗压强度。这是由于沿着有倾角的水平通缝的抗剪强度较低而发生了剪切破坏，导致抗压强度的降低。图3 1 0 ( b ) 描述了矾胁，= i 0 2 时竖向抗压强度随着目的变化特征。当日= 2 2 5 、4 5 。、6 7 5 。、9 0 时的抗压强度比较接近，疆宁j 器趋术夫擘硕i 学岱如支但是都远远低于曰= 0 。时的抗压强度。这说明了侧向应力仃，的作用减小了口对抗压强度的影响，而此时芯柱混凝土对抗压强度提高的作用越来越明显。图3 一l o ( c ) 描述了c r l 仃：= i 04 时竖向抗压强度随着目的变化特征。可见当臼= 2 2 5 。、4 5 。时的抗压强度比应力比q 巳= i 0 2 相应夹角的抗压强度有较大的提高而口= 6 7 5 强度提高较小。这说明了随着应力比仉肛，越来越小沿着水平通缝的抗剪强度得到了提高。吕对强度的影响不明显。这与前面的破坏形态分析是一致的，从图3 7 中可以看出侧向应力的存在大大提高了砌块砌体的纵向抗压能力，也充分说明了由于口引起砌块砌体的各向异性性能。图3 7 应力比一定的情况下e 对抗压强度的影响3 4 3 试件试验结果分析为了考察灰缝角度对灌芯混凝土砌块砌体强度的影响，我们做了曰= 0 。、2 2 5 、4 5 、6 75 。、9 0 + 应力比分别为0 、0 2 、o 4 、o o 下的强度试验。表3 2 给出了具有不同灰缝角度的试件在双向受压情况下的承至! 三矍! 墨查：! ；兰里主兰! ：笙苎：!载力试验结果。对于双向受压劈裂破坏，我们采用蔡一吴多项式强度准则来进行失效判断，前面介绍的是在材料正轴坐标系下得到的蔡一吴多项式准则方程。现通过转换方程给出偏轴的强度判据“。取坐标系如图3 8 所示，由材料力学，得到其中o - l = 寸s i n2 曰+ 巳c o s 2 0口2 = o x c o s 2 口+ 吼s i n 2 口( 3 1 6 )q 2 = 杌一) s i n2 0 c o s 2 占o y图3 8 偏轴与正轴应力关系图表3 2 具有灰缝角度试件的试验结罨0 2试件试件n 1n 2ar编类型( t )( t )n 2 n 1( m 2 )翰)d l r仃2 r号p 4 1h4 2 01 6 80 40 1 91 6 7 51 3 2 0o 5 2 8ap 4 ih3 6 07 20 2o 1 91 6 7 5l ，1 3 2o 2 2 6blp 4 ln2 1 000o 1 91 67 506 6 00cp 4 _3 1 01 2 40 4o 1 91 6 7 50 9 7 40 3 8 9ap 4h3 6 01 4 40 4o 1 916 7 5l1 3 20 4 5 3bp 4n3 4 06 80 20 1 91 6 7 51 0 6 802 1 4cp 5 a4 4 01 7 60 40 1 91 6 7 51 3 8 40 5 5 3p 5 b3 2 06 4o 20 ，1 91 6 7 51 0 0 60 2 0 lp 5 cl2 0 00o0 1 91 67 5o ，6 2 80将式( 3 1 6 ) 代入式( 3 1 0 ) 得i l l 仃；2 + i 1 0 x + i n 盯y 2 + 乏2 q + 乏g 勺2 + 2 _ 1 2 巳c r y = 1k 1 = 墨c o s 2 口+ 置2s i n2 目k 2 = k 1s i n 2 口+ x 2 s 2 0i l l = 置1 lc o s 4 p + ( 2 蜀2 + 足m ) 咖2 0 c o s 2 0 + k s i n 4 0j 工宁工程技术文学硬上学忙论z趸2 2 = k c o s 4 8 + ( 2 k 1 2 + 足“) s i n2 0 c o s 2 8 + k 1 1s i n 4 0i 1 ：= 墨2 + 仪1 1 + 置2 2 2 k 1 2 一k 6 6 ) 咖20 c o s 2 口乱爪( a ) 口= 2 2 5 。o f i r( b ) 护= 4 5 图3 9 不周灰缝角度下破坏包络线与试验数据的比较通过改变p 值可以得到不同灰缝角度的破坏包络线，将口= 0 ，2 2 5 ，4 5 。代入式( 3 1 7 ) 就可以得到相应角度的破坏准则。图3 9 为按式( 31 7 ) 给出的墙片在不同灰缝角度下的破坏包络线曲线。表3 3 给出了各种应力比下的不同灰缝角度下强度试验值与按式( 3 一1 7 ) 的计算值的比较。可以看到大部分试验值与理论计算值的差别不大，个别试验数据与理论计算值相差较大是由于对该种情况的试验仅做，了一次，考虑到试验数据的离散性很大和试验误差，仅此一个试件辽宁丁程移了l 乏土学碗士学位论文可能很难反映强度的真实情况。但是从整体上看对于不同角度下试件的强度用式( 3 1 7 ) 计算是可行的。3 5 本章小结。本章主要对双向受力情况下的强度试验数据进行了分析：( 1 ) 采用数学方法对双向受力情况下的试验数据进行拟合得到拟合破坏包络线，总结了灌芯混凝土砌块砌体在双向受力情况下的强度随应力比的变化规律；( 2 ) 采用蔡一吴多项式准则从理论上得到了灌芯混凝土砌块砌体的破坏包络线，并与由试验数据拟合得到的破坏包络线进行比较，得到了良好的效果；根据灌芯混凝土砌块砌体的强度特点可以通过假设得到其在拉区及拉压区段的破坏包络线，进而得到了灌芯混凝土砌块砌体在双向受力下的完整的破坏包络线；，。( 3 ) 通过对具有灰缝角度的试件的试验强度结果进行分析，得到了灰缝角度的变化对试件强度的影响规律，通过蔡一吴多项式准则得到不同灰缝角度情况下的破坏包络线。并与有灰缝角度的试件的试验强度结果进行比较得到了较好的吻合效果。辽宁张拄+ j ：t 学顾擘口1 皂二4 灌芯混凝土砌块砌体的非线性有限元分析通过前述试验分析表明，砌块、砂浆、灌芯混凝土的强度对砌体强度和破坏形态影响较大。对于砌块砌体来讲，砌块和砂浆的存在使得其力学性能偏于材料非线性特点，同时，灌芯混凝土因砌块的存在使得其应力状态趋于三向复合受力。因此，对灌芯砌块砌体需利用非线性有限元分析才可真正获得砌块砌体破坏全过程有限的力学特点。运用元分析方法的优势力在于可针对不同的结构参数进行分析，不仅可以降低实验成本，而且还可获得大量的试验数据以弥补现场试验的数据短缺；用试验结果验证有限元算法的准确性后，可改变参数，通过计算模拟分析得到各利工况下结构位移、应力、应变、破坏形态等更多的结构反应信息以及各个结构参数对结构反应的影响。由于灌芯混凝土砌块砌体的材质的不均匀性及受力的复杂性，砌体有限元分析技术目前尚不太成熟，利用有限元分析砌体的应用还不多，成果也较鲜见。本章节即想通过对砌块砌体试件进行荷载作用下的非线性有限元分析，研究对灌芯砌体在荷载作用下的主应力和变形变化规律，讨论芯柱的存在对其受力性能的影响，并对得到的结