（工程力学专业论文）混凝土空心砌块的非线性力学分析.pdf

硕士学位论文 摘要 混凝土空心砌块取材广泛、施工方便、造价低廉，同时具有节地、 节能等特点，符合环境保护和可持续发展的需要，成为我国多层建筑的 主导性墙体材料。国内外研究大都以现行有关标准为依据，对砌块与砌 体力学性能的试验研究较多，而对混凝土砌块力学性能的理论分析研究 较少由于混凝土材料的非线性性质，只有通过对混凝土空心砌块非线 性分析，才能获得混凝土空心砌块从较小受力状态直到接近破坏的极限 状态的全面认识。本文采用a n s y s 软件，运用数值模拟技术对单个空心 混凝土砌块的非线性力学行为进行研究，分析了影响混凝土空心砌块非 线性力学行为的主要因素，为空心砌块合理设计和结构优化提供理论参 考 通过对现有混凝土本构模型对比分析，选定了本文拟采用的混凝土 非线性本构模型；并借助a n s y s 软件完成了对钢筋混凝土板的非线性力 学分析，得出变形，应变和应力分布，计算结果和实验数据对比表明， a n s y s 可以较好地完成钢筋混凝土结构的弹塑性分析。 利用a n s y s 软件完成圆孔内腔混凝土空心砌块建模、网格划分、本 构关系选择和非线性力学分析。获得了顶面均布压力作用、底面完全固 定的混凝土空心砌块的变形、应变和应力分布，以及顶面的荷载位移曲 线；进行了混凝土空心砌块非线性和线弹性结果的分析比对，得到了混 凝土空心砌块的强度设计和评价的应力、应变等指标。 研究了不同本构关系、不同混凝土强度等级和不同孔型对混凝土空 心砌块非线性力学性能的影响。研究表明：利用s a r g i n 本构关系得出的 混凝土非线性有限元分析结果比较理想；随着强度等级的提高，混凝土 的脆性特性明显增大，即混凝土空心砌块的非线性性能越不明显。采用 强度等级较高的混凝土可提高承载力，减小变形量：对三种不同孔型的 混凝土空心砌块的非线性力学性能研究发现，几何尺寸没有突变的孔型 对空心砌块受力性能比较有利 关键词：混凝土；空心砌块；a n s y s 软件；非线性分析；有限元； 混凝土空心砌块的非线性力学分析 a b s t r a c t c o n c r e t eh o l l o wb l o c k ，w h i c hi sa ne x t e n s i v ec o n v e n i e n tm a t e r i a l ，e a s y t ob ec o n s t r u c t e da n dl o w e rc o s t ，w i t ht h en e e do fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s t r a t e g ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o np o l i c ys u c ha sl a n ds a v i n ga n de n e r g y s a v i n g ，h a sb e c o m eo n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v ec o n s t r u c t i o nm a t e r i a l si n m a s o n r yb u i l d i n g c o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y ba s e do nt h ec u r r e n t s t a n d a r d s m o s to ft h en a t i o n a la n di n t c r n a t i o n a lr e s e a r c hi sa b o u tt e s t r e s e a r c ho fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s l e s sa t t e n t i o nh a sb e e np a i do nt h e t h e o r yr e s e a r c ho ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s d u et ot h en o n l i n e a rp r o p e r t y o fc o n c r e t em a t e r i a l ，n o n l i n e a ra n a l y s i so fc o n c r e t eh o l l o wb l o c kc a nl e a d t oaf u l l yc o m p r e h e n s i o no ft h ee n t i r ep r o c e s sf r o ms m a l ll o a d i n gs t a t u st o n e a r l yd a m a g el i m i ts t a t e i nt h ep a p e r ，b a s e do na n s y ss o f t w a r e ，n o n l i n e a r a n a l y s i s o f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fo n ep i e c eo f h o l l o wc o n c r e t eb l o c kh a sb e e nd o n e b yf e as i m u l a t i o n r e l a t e df a c t o rw h i c hi n f l u e n c e dt h ep r o p e r t yo ft h e c o n c r e t eh o l l o wb l o c kh a sb e e nc o n s i d e r e d ，a n ds o m eu s e f u ls u g g e s t i o n sf o r f e a s i b l ed e s i g na n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o na r ep r e s e n t e d b a s e d o nt h e c o m p a r i s o na n da n a l y s i so fc u r r e n tc o n c r e t ec o n s t i t u t i v em o d e l s ，af e a s i b l e m o d e lw a sc h o s e nf o rp r e s e n ts t u d y n o n l i n e a ra n a l y s i so far e i n f o r c e d c o n c r e t es l a bh a sb e e nc o m p l e t e db yu s i n ga n s y ss o f t w a r e ，d e f o r m a t i o n ， s t r a i na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nh a sb e e no b t a i n e d c o m p a r i s o nw i t ht h et e s t d a t a ，i ti sp r o v e dt h a ta n s y si sc a p a b l eo fe l a s t i c - p l a s t i ca n a l y s i s o f r e i n f o r e e dc o n c r e t es t r u c t u r e n o n l i n e a rm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc o n c r e t eh o l l o wb l o c kw i t hc i r c u l a r c a v i t y ，i n c l u d i n gm o d e l i n g ，m e s hp a t t e r n a n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s s e l e c t i o n ，h a sb e e nf u l f i l l e d w i t hu n i f o r mp r e s s u r eo nt o p ，b o t t o mf u l l y f i x e d ，t h ed e f o r m a t i o n ，s t r a i na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n ，a n dl o a d - d i s p l a c e m e n t r e l a t i o n s h i po ft h et o ps u r f a c eo fac o n c r e t eh o l l o wb l o c ki s o b t a i n e d c o m p a r i s o nb e t w e e nn o n l i n e a ra n dl i n e a ra n a l y s i sh a sb e e np r e s e n t e d ，a n d c o r r e s p o n d i n gd e s i g ns t r e n g t hi n d e xa n de v a l u a t i o no ft h es t r e s sa n ds t r a i n h a sb e e ng i v e n t h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，s u c ha sc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p ，m a t e r i a l s t r e n g t ha n dh o l es h a p eo fc o n c r e t eh o l l o wb l o c k ，t on o n l i n e a rm e c h a n i c s i i 硕士学位论文 p r o p e r t y h a sb e e nr e s e a r c h e d r e s e a r c hs h o w st h a ts a r g i nc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i pi sm o r ea p p l i c a b l et ob eu s e di n n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s w i t hh i g h e rg r a d eo fs t r e n g t h ，b r i t t l ep r o p e r t yb e c o m e sm o r e s i g n i f i c a n c e ，i e n o n l i n e a rp r o p e r t yb e c o m e sl e s so b v i o u s h i g h e rg r a d e c o n c r e t ec a ni n c r e a s el o a da l l o w a n c e ，a n dd e c r e a s ed e f o r m a t i o n n o n l i n e a r a n a l y s i so ft h r e ek i n d ss h a p eh o l ei nh o l l o wb l o c ks h o w st h a tc i r c u l a rh o l e w i t hn os h a r pc h a n g eo fs h a p ei sm o r ef a v o r a b l e k e yw o r d s ：c o n c r e t e ；h o l l o wb l o c k ；a n s y ss o f t w a r e ；n o n l i n e a r a n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； 混凝_ 十空心砌块的非线性力学分析 插图索引 图2 1 g b j - 8 9 应力一应变关系曲线1 4 图2 2 g b 5 0 0 1 - 2 0 0 2 应力一应变关系曲线1 4 图2 3h o n g n e s t a d 应力一应变关系曲线1 5 图2 4c e b - f i p 建议应力一应变关系曲线1 6 图2 5日本学者提出的应力一应变关系曲线1 6 图2 6s a e n z 应力一应变关系曲线1 7 图2 7不同d 值的s a r g i n 曲线1 8 图2 8清华大学应力一应变关系曲线1 9 图2 9混凝土受拉时的两折线模型1 9 图2 1 0 混凝土受拉时的三折线模型1 9 图2 1 1 反复加载的骨架曲线2 0 图2 1 2 朱伯龙重复加载的应力一应变曲线2 1 图3 1全牛顿一拉普森迭代求解图示3 1 图3 2s o l i d 6 5 单元3 2 图3 3a n s y s 中混凝土的破坏曲面3 3 图3 4混凝土应力一应变关系曲线3 6 图3 5 加载后的模型3 7 图3 6 施加2 k n 后变形图3 7 图3 7施加2 k n 后第一主应力云图3 7 图3 8板跨中间节点荷载一挠度关系3 7 图4 1 箱型圆孔砌块整体模型3 8 图4 2 箱型圆孔砌块计算模型3 8 图4 3 输入的本构关系3 9 图4 4结构有限元模型4 0 图4 51 4 模型上的加载情况4 0 图4 6变形图4 1 图4 7 砌块z 向的位移4 1 图4 8z 向弹性应变4 1 图4 9z 向塑性应变4 1 图4 1 0z 向应力4 1 图4 1 1 第三主应力4 1 图4 1 2m i s e s 应力4 2 图4 1 3 第一主应力4 2 硕士学位论文 图4 1 4 裂纹图4 2 图4 1 5 砌块的荷载一位移曲线4 2 图5 1c 4 0 混凝土的多种本构关系曲线4 4 图5 2 计算模型4 5 图5 3 第三主应力4 5 图5 4总位移图4 6 图5 5 第三主总应变4 6 图5 6裂纹图4 6 图5 7 荷载一位移曲线4 7 图5 8混凝土应力一应变全曲线随强度等级的变化4 8 图5 9不同强度等级的s a r g i n 曲线4 9 图5 1 0 选取的计算模型5 0 图5 1 1 加载后的模型5 0 图5 1 2 变形图5 0 图5 1 3 总位移图5 0 图5 1 4z 向应力5 1 图5 1 5 第三主应力5 1 图5 1 6z 向弹性应变5 1 图5 1 7 第三主总应变5 1 图5 1 8z 向塑性应变5 1 图5 1 9m is e s 应力5 1 图5 2 0c 3 0 混凝土方孔砌块裂纹图5 2 图5 2 1 荷载位移曲线5 2 图5 2 2 不同强度等级混凝土空心砌块的荷载一位移曲线5 3 图5 2 3 实心砌块位移、应力和应变5 4 图5 2 4 方孔和圆孔砌块总位移5 5 图5 2 5 方孔和圆孔砌块z 向应力一5 6 图5 2 6 方孔和圆孔砌块第三主应力5 7 图5 2 7 方孔和圆孔砌块第一主应力5 7 图5 2 8 方孔和圆孔砌块m i s e s 应力5 7 图5 2 9z 向弹性应变5 8 图5 3 0 第一主总应变5 8 图5 3 1 三种孔型砌块的z 向塑性应变5 9 图5 3 2 内腔圆孔砌块裂纹图5 9 图5 3 3 三种砌块的荷载位移曲线6 0 v 混凝七空心砌块的非线性力学分析 表4 1 表4 2 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 附表索引 c 4 0 混凝土的数据表3 9 弹性和弹塑性计算结果比较4 2 不同本构关系的计算结果4 8 输入的混凝土材料参数4 9 不同强度等级混凝土空心砌块的计算结果5 2 不同孔型的计算结果6 0 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：何杰分# 日期：口7 年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：d 7 年；月6 日 日期：。7 年f 月6 日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题来源和研究意义 本文选题来自于甘肃省建设厅科技项目“箱形砌块构造与力学性能 研究”( 项目编号：j k 2 0 0 2 8 ) 。 随着技术的进步和对生存环境及节约能源意识的提高，人们开始对 使用了几千年的粘土实心砖在破坏土地、浪费能源、污染环境等涉及人 类生存和发展的问题上有了新的认识，限制和禁止使用粘土实心砖、大 力推广应用新型墙体材料已成为一种历史的必然。北京市从2 0 0 2 年5 月 1 日起禁止使用粘土实心砖，全国有1 7 0 个城市在2 0 0 3 年6 月3 0 日后禁 止使用粘土实心砖，其他省会城市也都在2 0 0 5 年年底前实现禁止使用粘 土实心砖。进行墙体改革已势在必行，在众多的新型墙体材料中混凝土 小型空心砌块是目前我国应用最多的一种材料1 1 , 3 1 。 我国的墙体改革工作始于上世纪8 0 年代，至今已有2 0 多年历史。 1 9 8 8 年1 1 月，国家建材局、建设部、国家土地局联合成立了墙体材料革 新与建筑节能领导小组。1 9 9 2 年1 1 月9 日国务院发布文件 关于加强墙 体材料革新和推广节能建筑的意见，首次就墙体改革工作提出了重要的 指导意见，随后各地的墙改工作逐步受到重视，并取得了显著的成果【4 j 】。 “九五”期间我国新型材料迅速发展，到2 0 0 0 年新型墙体材料产量 达2 1 0 0 亿块，占墙体材料总量2 8 ，大大超过了“九五”计划1 5 0 0 亿 块和2 0 的目标。在国家禁止使用实心粘土砖，对新型墙体材料实行优 惠政策的指引下，过去一直沿用的“秦砖汉瓦”、即实心粘土砖制品逐步 限制和禁止。全国五年累计节约土地近4 0 万亩。“十一五”期闻，我国 墙体改革的发展方向和目标：继续深入墙体改革，积极推广新型墙体材 料，限制粘土砖的使用；要因地制宜地合理利用地方资源如工业废渣， 推广非粘土砖、混凝土空心小型砌块等，增加墙体品种。 在众多墙体材料中，利用混凝土空心砌块替代粘土砖无疑是最好的 发展方向 6 , 7 1 ，与传统粘土砖相比，混凝土小型空心砌块具有一系列明显 的技术、经济优势，其主要优点如下： l 、发展混凝土砌块生产，可以避免烧砖毁田； 2 、采用混凝土砌块替代烧结砖可以节约资源，减少大气污染； 3 、采用混凝土砌块建造房屋有利于减轻建筑物自重； 。 混凝十空心砌块的非线性力学分析 4 、混凝土砌块不但生产流程短，成本低廉，而且混凝土砌块的旌工 效率也高于普通实心砖，有利于缩短建设工期，提高施工效率，加快资 金周转，节约建设成本。 因此混凝土小型空心砌块是最有发展前途的新型墙体材料之一。从 先进地区的实践经验看，砌块建筑应以发展多层承重砌块即以芯柱构造 柱和圈梁为主要措旌的约束砌体为主，可以最大限度地替代秸土实心砖。 逐步淘汰传统的实心粘土砖，加速混凝土砌块等新型墙体材料的发展， 这是我国墙材改革的一项基本策略，这不仅关系到国民经济快速发展和 人民生产水平的进一步提高，而且关系到可持续发展的生存环境、资源 保证。混凝土砌块的发展不仅可产生良好的经济效益，而且对社会的环 境与发展具有重要作用。 本文利用有限元分析的方法，分析混凝土空心砌块的非线性力学性 能，为混凝土空心砌块的设计与施工提供有益帮助。 1 2 混凝土小型空心砌块介绍 混凝土小型砌块是以砂、石为集料，水泥为胶凝材料。和水按一定 比例进行混合搅拌后，经砌块成型机生产的混凝土块体。普通混凝土小 型空心砌块按其强度等级分为m u 3 5 、m u 5 0 、m u 7 5 、m u l 0 0 、m u l5 0 、 m u 2 0 0 六个等级。混凝土小型空心砌块分普通混凝土小型空心砌块( o b 8 2 3 9 1 9 9 7 ) 和轻集料混凝土小型空心砌块fg b t15 2 2 9 2 0 0 2 ) ，混凝土小 型空心砌块以3 9 0 m m 1 9 0 m m 1 9 0 m m 尺寸规格为基础，按照其孔洞率 大小，每立方米重量为1 2 5 0 1 4 0 0 k g t “9 1 。 1 2 1混凝土小型空心砌块的起源和发展 混凝土空心砌块建筑技术已在世界上一百多个国家广泛应用。早在 1 9 世纪初期就有了用胶凝材料和砂石制作实心砌块以代替粘土砖的尝 试。l8 5 0 年约瑟大基勃斯( j o s e p hg i b b s ) 英国专利中提到混凝土现浇墙中 可以留孔，随后再逐皮灌实。这可以说是空心砌块最早的创思 i 0 1 。 混凝土砌块起源于美国，1 8 6 0 年哈契逊( c s h u l c h i n s o n ) 获得了美国 第一份生产空心砌块的专利证书。1 8 9 0 年帕尔墨( h s p a l m a r ) 最先以 商业方式生产混凝土砌块，并于18 9 7 年用3 0i n x8i n 1 0i n 型号的砌块 建造房屋。上世纪末，1 9 0 0 年，出现了芯模能够动，侧模可调整的原始 的砌块成型机，并出现了一些生产混凝土砌块的作坊。 上世纪4 0 年代或更早一些时间，欧洲也开始生产和应用混凝土砌块， 第二次世界大战后，混凝土砌块的生产及应用技术传至美洲及欧洲一些 2 硕士学位论文 国家，继而又传至亚洲、非洲及大洋州，混凝土砌块逐渐发展成为世界 范围内流行的一种建筑材料。不论是发达国家还是发展中国家，不论是 热带还是寒冷地区，都生产混凝土砌块，并在各类建筑工程中广泛应用。 混凝土砌块经历1 0 0 多年的发展过程，其生产与应用技术已较成熟。 许多发达国家都制订了有关产品标准、设计规程、施工规程、建筑法规 等。混凝土砌块业已成为世界流行的建筑材料，并在世界范围继续发展。 除美国外，后起的许多国家和地区通过自己的实践也充实和提高了混凝 土砌块生产和应用的技术水平，有的国家还形成一些适合当地条件的特 色的砌块1 3 1 。 1 2 2 我国的混凝土小型砌块建筑 据调查，迄今我国发现最早的混凝士砌块建筑是上海市延安中路铜 仁路口的2 5 幢砌块房屋。这批房屋建于1 9 2 3 年，用普通混凝土加工而 成。此外，南京市也发现一些早期的混凝土砌块房屋。鉴于当时我国水 泥工业尚不发达，用水泥加工墙体材料的可能性很小，这些砌块房屋可 能为外国人建造h 4 - 1 7 。 六十年代起，我国水泥工业逐步发展，为混凝土砌块的发展提供了 一定的物质条件，在一些山多田少的地区，砂石资源丰富，人们开始探 索生产和应用混凝土砌块。 进入八十年代后，混凝土砌块及其建筑在更多的地区出现，围绕着 混凝土砌块生产工艺技术、施工应用技术的科研成果也日益增多。为了 适应混凝土小型空心砌块这种新型建材的发展形势，全国性的砌块行业 组织中国建筑砌块协会于1 9 8 2 年正式成立。这宣告着我国混凝土小型空 心砌块的发展进入了一个新的历史时期 15 - 2 3 l 。 在“十五”期间，我国国民经济仍保持着较快的年均增长速度，建 筑业仍是国家经济发展的支柱产业，建材市场的需求稳步增长，墙体材 料革新工作继续开展，发展新型墙体材料取代粘土砖的工作任重而道远。 所有这些因素，都为进一步发展建筑砌块的生产工艺技术，推广建筑砌 块的应用提供了极好的大环境。 1 2 3我国目前混凝土小型砌块的应用现状 1 、混凝土砌块普及面增大，产量增多。1 9 8 0 年，我国砌块产量约 1 0 0 万m 3 ，但局限于广西、贵州、湖南、广东等省区，“九五”期间，我 国砌块产量的年均增长速度约为1 9 ，2 0 0 2 年，全国砌块总产量约为6 0 0 0 万立方米，相当于4 1 1 亿块标砖，约占当年全国墙体材料总量的6 ，占 当年全国新型墙体材料总量的2 8 。混凝土砌块已遍及全国，砌块产量 3 混凝十空心砌块的非线性力学分析 逐年增多。 2 、混凝土砌块生产和应用技术明显提高。在发展砌块生产和推广砌 块建筑的形势下，各地进行了大量的科研工作。同时，国家主管部门进 行了有关的技术立法工作，先后编制了混凝土小型空心砌块( u b 8 2 3 9 8 7 ) 、混凝土小型空心砌块建筑技术规程( j g j t 1 4 9 5 ) 、混 凝土小型空心砌块建筑技术规程( jg j t1 4 2 0 0 4 ) 等，各地还制订了一 大批地方性的标准、规程、定额和标准图案，对发展混凝土砌块生产和 推广砌块建筑发挥了重要作用。 1 2 4 我国墙体改革发展趋势 逐步淘汰传统的实心粘上砖，加速混凝土砌块等新型墙体材料的发 展，这是我国墙材改革的一项基本策略。混凝土砌块的发展不仅可产生 良好的经济效益而且对社会的环境与发展具有重要作用。要加快我国混 凝土砌块的发展，应做好以下几项工作： 1 、切实贯彻墙改精神，推动混凝土砌块的发展 随着国家可持续发展战略的实施，为了更好地保护国土资源改善生 态环境，2 0 0 6 年6 月6 日国务院办公厅发出关于进一步推进墙体材料 革新和推广节能建筑的通知，要求各地区和有关部门要积极推广使用新 型墙体材料。新建建筑要向强制执行国家已颁布的建筑节能设计标准推 进，逐步提高新型墙体材料的生产和应用比例，增加节能建筑面积，力 争到2 0 1 0 年，新型墙体材料产量占墙体材料总量的比重达到5 5 以上， 建筑应用比例达到6 5 以上；严寒、寒冷地区应执行节能率6 5 的标准。 这将极大地推动了新型墙体材料的发展。 2 、强化利废政策，加强绿色环保砌块的研究、开发与应用 我国科技工作者研制开发出许多利用工业废料和固体垃圾制造混凝 土砌块的先进技术。如利用炉渣生产承重混凝土小型空心砌块，利用城 市生活垃圾焚烧的残渣制造混凝土空心砌块等。这些技术充分利用了城 市固体废弃物和工业废渣，降低了混凝土生产成本，节约资源，保护耕 地。 3 、加强新技术、新装备、新产品研究开发，促进生产、应用技术和 质量的提高 混凝土砌块的发展关键还在于自身的技术水平、装备水平和产品性 能与质量的提高，因此要着力于新工艺、新技术、新装备、新产品的开 发研究。具体讲，混凝土砌块应向设备人性化、生产过程自动化、产品 多品种化方向发展，提高产品品质和配套生产能力，以其优异的产品质 4 硕士学位论文 量性能、合理的价格，提高自身竞争能力，占领市场，取代落后墙体材 料，提高劳动生产率和经济效益。 我国生产和应用混凝土砌块的时间不长，混凝土砌块在我国仍属一 种新型的建筑材料，但是，由于各地对混凝土砌块的试验研究和生产实 践做了大量的工作，积累了不少的经验，为这种新型建筑材料的发展奠 定了较好的基础。 1 3混凝土空心砌块力学性能研究进展 在混凝土空心砌块设计和使用过程中，对砌块的力学性能的研究就 显得尤为必要。目前国内外对混凝土空心砌块作了大量的研究工作，主 要集中在以下几个方面： 1 3 1对不同材料类型的空心砌块力学性能进行试验分析 根据混凝土制作骨料的不同，混凝土砌块也有多种类型。承重炉渣 混凝土小型空心砌块的研究是安徽省科委8 0 年代的重点科研项目，当时 投入大量人力物力历时3 年完成本课题1 2 4 1 。研究内容涉及炉渣混凝土的 基本材性，生产工艺，砌块的材性，砌体的力学性能试验，建筑设计、 施工等一系列成套技术。所生产的炉渣小型空心砌块主要力学性能为； 平均抗压强度：8 8m p a ；平均抗折强度：1 3 3 m p a ：折压比0 1 2 6 。砌块 母体抗压强度的概率分布遵从正态分布，达到m u 7 5 级砌块标准。炉渣 小型空心砌块自然密度1 3 k g 块，吸水率8 4 ，干缩率0 0 4 2 4 ，冻融 后强度损失率k m = 1 3 ，软化系数k f = 0 9 ，碳化系数k c = 0 9 2 ，符合轻 集料混凝土小型空心砌块g b l5 2 2 9 9 4 标准的要求。 为了减轻混凝土空心砌块的自重，国内外广泛开展了轻质高强混凝 土砌块的研制和开发。夏新辉等1 2 5 1 对粘土陶粒混凝土空心砌块砌体力学 性能进行了试验研究，经完成粘土陶粒混凝土空心砌块砌体的抗压承载 力试验，得到了下述认识：1 ) 陶粒混凝土空心砌块及对应的砌体的破坏均 是脆性的，砌块发生破坏的初始裂缝不多，往往是几条主要的裂缝在发 展，破坏时形成贯通性裂缝；2 ) 规范提供的公式计算粘土陶粒混凝 土空心砌块砌体的抗压强度偏于不安全，应该采用与块体类别有关的参 数k i 予以修正；3 ) 由于采用m 2 5 砂浆的砌体抗压强度平均值比m 1 0 砂浆的砌体抗压强度平均值有大幅度提高( 5 0 ) ，因此，对应此类粘土陶 粒混凝土空心砌块，建议实际工程中采用砂浆强度等级不低于m 2 5 。 普通混凝土空心砌块容重较大，成本高。砌筑时劳动强度大。因而 近年来有些学者致力于研究用粉煤灰为主要原料研制小型空心砌块。 5 混凝十空心砌块的非线性力学分析 s u n i lk u m a r 认为粉煤灰砌块由于其质量轻，绝热性能好，是粘土砖的最 好替代品。在大量试验的基础上，s u n i lk u m a r 讨论了该砌块的抗压强度， 研究表明粉煤灰砌块在建筑使用中具有足够的强度 2 6 , 2 7 1 。李百秋以包钢 湿排粉煤灰及炉渣为主要原料，以水泥为主要胶结料，进行粉煤灰免蒸 小型空心砌块的研制【2 引。结合工程需要对此进行了研究。试制出粉煤灰 掺量4 5 以上，炉渣掺量3 0 以上。综合利废率7 5 以上，强度达m u 3 。5 的粉煤灰空心砌块。试验结果表明粉煤灰小砌块的砌体抗压强度弹性模 量、砌体抗剪强度均满足砌体结构设计规范的要求。指出粉煤灰掺量、 胶结料配比、胶骨比等是影响质量的主要因素。该产品具有吃灰量大， ，工艺简单，性能优异等特点，既降低了容重又为包钢低等级粉煤灰的大 宗利用开辟了一条新途径。 泰州市墙体材料改革办公室对普通标准混凝土小型空心砌块进行改 型，采用带有“建筑砌块联接件”的新型砌块与砂浆砌筑的墙体【29 1 。通 过联接件的销键作用来提高砌体的抗剪强度，李利群等对此进行了试验 研究。砌体抗压试验在2 0 0 0k n 的压力试验机上进行，试件放好、对中 后，分级加载。每级荷载取预估破坏荷载值的1 0 ，当荷载加至预估破 坏荷载值的8 0 后，连续加载至试件破坏，试验机测力计指针明显回退 时指针所示的最大荷载即为试件的极限荷载，依此计算砌体的轴心抗压 强度。砌体抗剪试验参照g t 3 j1 2 9 9 0 中所述的方法进行由加荷架、千 斤顶和测力系统组成水平加荷系统，沿水平方向对试件施加荷载采用匀 速连续的加荷方法，当任意一个受剪面被剪坏时即认为试件破坏，此时 测得的最大荷载值作为破坏荷载值。试验结果表明，这种新型砌块砌体 与普通混凝土小型空心砌块砌体相比，抗压强度没有显著降低，但其通 缝抗剪强度有较大幅度的提高，当有竖向荷载作用时，抗剪强度也有较 大提高，在工程中将有较好的应用前景。 1 3 2对不同孔形的空心砌块进行了试验研究 “混凝土多排孔小型砌块”是己获专利权的新型墙材产品 3 0 1 。为了 研究其性能，2 0 0 3 年始，由广西工学院等多家单位的有关人员组成课题 组，共同对“混凝土多排孑l 小型砌块在承重墙砌体工程中的性能及应用 研究”课题进行科技攻关。该结构的砌块采用四排孔抽空结构，其横向 净断面尺寸是砌块的0 3 6 8 、纵向净断面尺寸是砌块的0 2 6 7 ，空心率为 3 4 。为了分析和研究混凝土多排孔小型砌块在承重墙砌体工程中的力学 性能，课题组以国家现行有关标准为依据，对砌体进行了大量的力学性 能研究性试验，包括抗压性能、抗剪强度和弯曲抗拉强度的试验。从试 6 硕士学位论文 验结果和理论分析可知，“混凝土多排孔小型砌块”具有以以下特点和优 点：( 1 ) 砌块采用半盲孔封底结构，砂浆在墙体中形成横向隔板，这既充 分地利用了材料，又充分发挥了材料的力学性能，使墙体具有良好抗压 性能、抗剪强度和弯曲抗拉强度，增加了墙体刚度和稳定性。( 2 ) 组成砌 块的材料着重分布在墙体的内外侧方向，能提高墙体在该方向的惯性矩， 较大地提高了墙体的刚度。( 3 ) 能有效地防止墙体开裂。 中国有色二十三冶三公司砌块厂于1 9 8 8 年研制开发了承重型三排盲 孔混凝土空心小砌块，并于1 9 8 9 年获得“实用新型”和。外观设计”两 项专利权。为了便于这种砌块的推广应用，曾宗辉等对其砌体的抗压、 变形及砌体沿通缝抗剪强度进行了试验研究1 3 。试验结果表明：( 1 ) 盲 孔混凝土空心小砌块砌体的抗压强度高于普通粘土砖砌体强度，且高于 按国家规范计算的平均强度( 非盲孔砌块) 。盲孔砌块块大可大量减少灰 缝，节约砂浆，加快施工进度。( 2 ) 由于砌体沿通缝抗剪强度主要取决 于灰缝砂浆与砌块之间的切向粘结力，因而其抗剪强度随砂浆强度的增 大而提高，砌块与砂浆之间的切向粘结力与空心砌块面和砂浆之间的有 效接触面成正比。砂浆强度一定，砌块与砂浆接触面越大，则切向粘结 力也越大，反之亦然。 南充市曾在建设8 层、9 层砌体结构住宅工程中，分别采用混凝土小 型实心砌块( 以下简称实心小块) 砌筑底层和2 层的墙体，采用烧结普通砖 砌筑上部6 层或7 层墙体，以提高下部墙体的抗压承载能力。在无试验 资料的情况下，唐军等对混凝土小型实心砌块砌体抗压计算指标进行探 讨【3 2 】。提出对既有建筑进行安全性鉴定时，必然涉及砌体强度这一指标。 在对实心小块墙体承载力进行复核验算时，除按原有方法复核验算外， 由于实心小砌块与空心小块相比，高度相当，长度和宽度略有区别。因 无孔洞率这一影响因素，其砌体强度应相当于或高于空心小块砌体，因 此套用空心小块砌体抗压强度计算指标是偏于安全的。 1 3 3对混凝土砌块墙体裂缝的力学机理分析 采用混凝土砌块替代实心粘土砖是墙体材料改革的措施之一但是 由于砌块砌体的抗拉及抗剪强度比粘土砖砌体低、砌块砌体的收缩率比 粘土砖砌体大、砌块体积较大，搭接长度相对较小，机械咬合力较小等 原因，造成实际工程中砌块建筑的墙体开裂现象比较普遍，裂缝的类型 也较为复杂。 解决混凝土砌块墙体裂缝问题是一个多学科的综合问题，刘文峰经 过广泛的调查和分析。根据混凝土砌块墙体裂缝产生的部位和特征，对 7 混凝_ 十空心砌块的非线性力学分析 混凝土砌块墙体裂缝的力学机理进行了探讨【3 3 】。认为产生裂缝的成因主 要有以下几种情况：温度应力引起的裂缝；砌体干缩裂缝；设计、 施工原因，导致的墙体承载力不足产生的裂缝；地基不均匀沉降； 砌块材料不合格和施工不符合要求导致的砌体裂缝。产生裂缝的力学原 因是多种因素的综合反映，其中。温度、于缩、温度和干缩的共同作用 是导致混凝土砌块墙体裂缝的主要力学原因。根据实测的墙体温差，计 算了温度裂缝应力；根据k e l v i n 方程，阐述了干缩裂缝的机理，并估算 了干缩裂缝应力，解释了产生混凝土砌块墙体的裂缝原因。 1 3 4对干缩、抗震性能等方面进行的力学探讨 目前砌块设计中一般侧重对砌块建筑的承载能力进行验算，而较少 考虑或忽略由收缩作用产生的附加应力的抗裂构造措施，这对一些干缩 变形很大的建筑物而言是远远不行的。由于砌块砌体的干缩率较大，约 是砌块温度线膨胀系数的3 0 倍，因此对砌块墙体干缩性能的试验研究是 十分必要。 周瑾等设计了一个保湿空间，确保环境相对湿度的大致恒定，通过 对尺寸相同、构造措施不同墙体的试验，分析了环境相对湿度( r h ) 、时 间、面层材料等影响因素对砌块墙体变形的影响。对比面层材料的抗变 形效果，并测得6 5 、4 5 两种湿度条件下墙体的干缩率。为设计提供 了一定的参考数据 3 4 】。 j ，j d e lc o zd i a z 等运用有限元软件( a n s y s ) 对混凝土空心砌块墙体 的传热性能进行了分析 3 5 1 。由于内部孔洞的存在使得热量的传递产生非 线性，该文考虑了三种不同的传导率，讨论了热量的传导和对流现象， 并提供了大量有用的试验数据。 徐磊等按相似理论设计制作了t ：6 比例的7 层混凝土小型空心砌块结 构整体模型，进行了模拟三向地震振动台试验。研究了模型结构的动力 特性、位移反应及层间位移角反应；研究了模型结构在不同烈度地震作 用下的震害情况以及结构的薄弱部位、开裂机理等d 6 。根据试验现象提 出了四线退化型的恢复力模型，编制了非线性时程分析程序；对原型结 构进行了地震反应分析，在试验研究和理论分析的基础上评估了该类结 构的抗震性能，为工程抗震设计提供理论依据。 由于空心砌块砌体中灰缝面积严重削弱。导致抗侧能力不足。房良 等提出一种适用于小砌块开孔砌体的新型构造措施【37 】；在墙体中和孔洞 周边设置钢筋混凝土芯柱和水平条带，形成“约束开孔砌体”由于约束 开孔砌体的芯柱和水平条带作为约束构件与砌块墙共同工作，砌体整体 8 硕士学位论文 受力性能得到显著改善。房良等对三类不同开孔形式的约束小砌块砌体 进行低周反复荷载试验，研究各种开孔形式下砌体的破坏过程、破坏形 态及承载能力、变形能力等各项抗震性能。结果表明，在混凝土小型空 心砌块开孔砌体中，合理设置水平条带和芯柱，能大大提高小砌块墙体 的整体性，抑制开孔墙裂缝的发展，减小开孔造成的强度损失，并有效 地提高开孔砌体的抗震性能。从施工角度而言，水平条带由于采用槽形 砌块，无需支模，所增加的施工难度与时间非常有限。由此，小砌块约 束砌体较好地解决开孔小砌块墙抗剪能力不足的问题，为地震区建造中 高层混凝土小型空心砌块建筑创造良好的技术条件。 1 3 5对混凝土空心砌块砌体的有限元模拟研究 随着计算机的发展，有限元法在结构分析中得到越来越广泛的应用。 国外的一些学者利用有限元对砌块砌体的性能研究已比较广泛。p a g e 和 k l e e m a m 提出了混凝土空心砌块砌体在集中荷载作用下的非线性有线元 模型f 3 8 1 ；s a y e d a h m e d 和s h r i v e ( 1 9 9 6 ) 通过使用等参单元提出了一个 非线性弹塑性有限元模型【 】；h a m i d 和d r y s d a l e 提出了混凝土空心砌块 砌体在双向应力下用于有限元分析的破坏准则【4 ；d h a n a s e k e r 提出了单 项均质材料分析模型，使问题得到简化 4 1 j 。 李利群等引入适当的计算假定，对在竖向和水平荷载共同作用下的 混凝土小型空心砌块约束砌体进行有限元分析，并与试验结果进行了比 较4 2 1 。研究表明：在合理的假定下可以获得较为准确的计算结果。 为了控制混凝土小型空心砌块建筑中的墙体裂缝，徐铨彪等对混凝 土小型空心砌块墙体提出了一种非线性有限元分析方法” 。该法用通用 有限