混凝土空心砖抗折性能数值研究.pdf

第 1 5卷第 6 期 2 0 1 2年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAI OF B UI I DI NG MATERI AI S V01 1 5。 No 6 De c ， 2 0 1 2 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 7 7 8 0 4 混凝 土空心砖抗折性能数值研 究 蔺海晓 ， 付磊 ( 河 南理 工大 学 土木 工程 学 院 ， 河 南 焦作 4 5 4 0 0 0 ) 摘要 ：以弹性损伤机理的有限元程序模拟混凝土空心砖的抗折性能 在数值模型 中， 为了体现混凝 土材 料 的非均 匀性 ， 假 定单元 的材 料性 能服 从 韦伯 尔分 布 利 用该模 型 ， 可 以得 到混 凝 土 空心 砖 在 荷载作用下的裂纹起 裂、 发展直至最后破坏的全过程 结果表 明：空心砖的抗折强度随着壁厚和均 质度 系数的增加而增大， 随着空洞率的增加而减小， 数值计算结果和试验结果吻合较好 关键 词 ：数 值研 究 ；混凝 土 空心砖 ；抗 折 ；均质 性 中图分 类号 ： T U5 2 2 3 4 文献 标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 2 0 6 0 0 9 Nu me r i c a l S t u d y o n Be n di ng Be ha v i o r o f Co nc r e t e Pe r f o r a t e d Br i c k LJ N H ai - xi a o， FU Le ( Co l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g，He n a n Po l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， J i a o z u o 4 5 4 0 0 0 ，Ch i n a ) Abs t r a c t ：An e l a s t i c f i ni t e e l e me n t pr o gr a m wa s e m p l o ye d a s t he ba s i c a na l y s i s t o o l t o i n ve s t i g a t e t he b e n d i n g b e h a v i or s o f c on c r e t e pe r f or a t e d br i c k The me c ha n i c a l pr o pe r t i e s o f e l e me nt s we r e a s s u me d t o c o n f or m t o a gi ve n W e i bu l l d i s t r i b ut i o n t o r e f l e c t t he h e t e r o ge ne i t y o f c o nc r e t e p e r f o r a t e d br i c kTh e f r a c t u r e p r oc e s s ，i nc l u di ng c r a c k i n i t i a t i o n，p r op a g a t i on e t c wa s o bs e r v e d Pa r a m e t r i c s t ud i e s ，i nc l u di n g t he wa l l t h i c k n e s s ，r i b t h i c k n e s s ，c a v i t y r a t e a n d h o mo g e n e i t y i n d e x，we r e a l s o c a r r i e d o u t Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t he f l e x ur a l s t r e ng t h i nc r e a s e s wi t h t he i nc r e a s e o f wa l l t hi c kn e s s a n d h omo ge ne i t y i nd e x，wh i l e d e c r e a s e s wi t h t he i n c r e a s e of t he c a vi t y r a t i o The nume r i c a l r e s ul t s we r e i n go o d a gr e e m e nt wi t h t he e xp e r i me nt a l i n ve s t i ga t i o ns Ke y wo r ds ：nume r i c a l s t u dy；c on c r e t e pe r f or a t e d b r i c k；be n di n g；ho mog e n e i t y 混凝 土 空心砖 由于其具 有保 温和 隔音 等优 越 性 能而备受关注， 是 目前替代黏土砖 的主要墙体材料 之 一 特 别是 近些 年来 ， 采用 工业 矿渣 制作 混凝 土 空 心砖倍受人们青睐， 该工艺不仅保护了土地资源 ， 而 且 对环 境 的保护 也具 有重要 意 义 目前 ， 大多数 的研 究工作都集 中于混凝 土空心砖的保温及 隔热性能 等l l 。 u 方 面 ， 对 混凝 土 的抗 折 性能研 究 较少 l_ l 混 凝 土具有 较 高的抗 压强 度 ， 但 其抗 折强 度较 低 ， 这是 影 响混凝土空心砖整体力学性能的一个重要 因素 因 此 ， 有 必要对 混 凝 土 空 心砖 的抗 折 性 能进 行 研 究 分 析， 以便于该材料的推广使用 由于混凝土材料的非 均质性和非线性 ， 导致其具有复杂的本构关系 本文 拟采用基于非均质性假设的有 限元程序 R F P A 。 来 研究 混凝 土空 心砖 的抗折 性能 1 程序简介 众所 周知 ， 混凝 土是 一种 复杂 的复合 材料 ， 由形 状 、 尺寸及 力 学性能 相异 的粗 细骨料 和水 泥组 成 在 R F P A D _ 。 们中 ， 对 材料 的非 均匀性 描 述采 用 统计 方 法 假定 各组 分材料 性质 满 足 We b u l 1 分 布 ， 该 分布 的概率 密度 函数 为 ： 厂 c “ 一 m 1 e x P E 一 ( 0 ) c n “ n j 式 中： U为 we i b u l 1 分 布参数 ； U 。是与所有单元参 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 7 0 1 ；修订 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 3 0 基金项 目： 河南省重点学科资助项 目( 5 0 9 9 1 9 ) ； 河南理工 大学青年基金资助项 目( 5 0 4 9 0 6 ) 第一作 者： 蔺海 晓( 1 9 7 8 ) ， 男 ， 河南登封人 ， 河 南理工大学讲师 ， 博士 E - ma i l ： h p u l h x h p u e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 O 建筑材料学报 第 1 5卷 所 以肋厚的变化对混凝土空心砖的抗折性能影响并 不 明显 ( 见 图 5 ) Ho r i z o n t a l wa l 1 t h i c k n e s s mm 图 4 壁厚对混凝土空心砖抗折强度 的影响 Fi g 4 Ef f e c t of t he wa l l t hi c kn e s s o n f l e xur a l s t r e n gt h Ri d t hi c k n e s s mm 图 5 肋厚 对混凝 土空心砖抗 折强度的影响 F i g 5 Ef f e c t o f t h e r i d t h i c k n e s s o n f l e x u r a l s t r e n g t h 3 2 2空洞 率 的影响 空 洞率 也是 影响混 凝 土空心 砖力 学性 能 的重 要 因素， 本文在保持模型其他参数不变的情况下 ， 仅改 变空洞率的大小来研究其对抗折强度 的影响 共计 算 了 5个模型 ， 其 空洞率分别 为 l O ， 2 0 ， 3 4 ， 4 0 ， 5 0 ， 计算结果如图 6所示 由图 6可见 ， 混凝 土空心砖的抗折强度 随着 空洞率 的增 大而单 调减 小， 这与文献 1 2 的结论一致 Ca v i ty r a t i o 图 6 空洞率对混凝土 空心砖抗折强度 的影 响 F i g 6 Ef f e c t o f t h e c a v i t y r a t i o o n f l e x u r a l s t r e n g t h Homo g e n i z a t i o n c o e ffi c i e n t 图 7 均质度系数对混凝土空心砖抗 折强度的影响 Fi g 7 E f f e c t o f t h e h o mo g e n e i t y i n d e x o n f l e x u r a l s t r e n g t h 4 结论 ( 1 ) 通过本文的数值计算方法 ， 可清楚观测到随 机 裂纹 的分布 及 扩 展过 程 ， 有 利 于 直 观 了解 混 凝 土 空 心砖 的破 坏机理 及破 坏模式 ( 2 ) 在三 点弯 曲作用 下 ， 混 凝 土空心 砖 中产生 的 主裂纹总是在水平壁中靠近中间肋的区域 ， 最终 因 水平壁的断裂而失去承载力 ， 这说 明靠近 中间肋 区 域的水平壁是弱区， 实际设计 中可适当加强 ( 3 ) 混凝 土空 心砖 的抗 折 强 度 随 着 壁厚 的增 加 提 高 ， 随 着 空洞 率 的增 加 降 低 因此 ， 可通 过 减小 空 洞 率 以提高 混凝 土空 心砖 的抗折 强度 参考 文献 ： 1 2 3 4 5 3 2 3均质 度 的影 响 为 了体 现混凝土材料 的特点 ， 本模 型 中单 元 的性 。 。 能按 照 We u l 1 分 布来 赋值 图 7为混 凝 土空 心砖抗 折强度随均质度系数变化情况 由图 7可见， 抗折强 度随着均质度系数的增大而单调增加 当均质度系数 取值为 3时， 抗折强度与文献 7 的试验结果接近 LACARRI E RE B， LARTI GU E B， M ( ) NCH ( 】 U X F Nu me r i c a l s t u d y o f h e a t t r a ns f e r i n a wa l l o f ve r t i c a l l y p e r f o r a t e d b r i c k s ： I n f l u e n c e o f a s s e mb l y me t h o d J E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 2 0 0 3， 3 5 ( 3 )： 2 29 2 3 7 LACARRI E RE B，TROM BE A ，M ONCHOUX F Ex pe r i m e n t a l u ns t e a dy c h a r a c t e r i z a t i o n o f h e a t t r a n s f e r i n a mu l t i l a y e r wa l l i n c l u d i n g a i r l a y e r s 。 a p pl i c a t i o n t O v e r t i c a l l y pe r f o r a t e d b r i c k s J E n e r g y a n d Bu i l d i n g s ， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 3 ) ： 2 3 2 2 3 7 M AS S 0UR0S P， ATH ANS S OULI G，M AS SOU ROS GA mo d e l o f t h e t h e r ma l t r a n s i e n t s t a t e o f a wa l l o f a r o o m d u r i n g t h e h e a t i n g b y a h e a t i n g s y s t e m J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f En e r g y Re s e a r c h， 2 0 0 0， 2 4 ( 9 )： 7 7 9 7 8 9 S I N HA B P， PEDRES CH 1 R F， d e VEKEY R C I n v e s t i g a t i o n o f t h e u l t i ma t e l o a d b e h a v i o u r o f p r e s t r e s s e d b r i c k wor k b e a m s b u i l t w i t h p e r f o r a t e d b r i c k s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 1 9 9 2， 6( 2) ： l 1 7 - 1 2 3 W AKI LI G K， TANNER CU v a l u e o f a d r i e d wa l l ma d e o f p e r f o r a t e d p o r o us c l a y b “c k s Hot b ox me a s ur e me n t v e r s u s n u me r i c a l a n a l y s i s J E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 2 0 0 3 ， 3 5 ( 7 ) ： 6 7 5 6 8 0 赵成文 ， 代俊杰 ， 高连玉 ， 等 工业废渣混凝土多 L 砖砌体抗折 性能试验研究 J 沈阳建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 4 ) ： 5 5 3 5 5 6 Z HAO C h e n g we n， D AI J u n j i e ， GAO g i a n y u ， e t a 1 E x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e s e i s mi c b e ha v i o r o f c o n c r e t e p e r f o r a t e d b r i c k wit h i n d u s t r i a l wa s t e d ma t e r i a l s ma s o n r y w a l l s - J J o u r n a l o f S h e n y a n g J i a n z h u Un i v e r s i t y， 2 0 0 8，2 4( 4) ：5 53 一 对d l 苣 I I 口a 皿一 日 J n 一 对 dJ _【 I I 苗 一 对 J 【 l 0 一 两 d I ， 【 I I I 2 l s J n 0 一 对 山 琶I I 占 J I 1 0 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 蔺海 晓， 等 ： 混凝 土空心砖抗折性能数值研究 7 8 1 7 8 9 i 0 1 I 5 5 6 ( i n Ch i ne s e ) 姜凯 ， 赵成文 ， 代俊杰 工业废 渣混凝 土多 L 砖 墙片抗折 性能 试验研究 J 新 型建筑材料 ， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 6 9 7 2 J I ANG Ka i 。 ZHAO C h e n g we n ， DAI J u n j i e E x p e r i me n t a l s t u dy o n s e i s mi c b e h a v i o r o f ind u s t r i a l wa s t e r e s i d ue c o n c r e t e p e r f o r a t e d b r i c k wa l l J Ne w B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 6 9 7 2 ( in Chi n e s e ) 谢丽丽 ， 杨薇薇 ， 刘立新 ， 等 工业废 渣再生混凝土多 L 砖 配合 比的试验研究 J 郑州大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 7 2 9 XI E Li l i ， YANG W e i we i ， L I U l i- x i n， e t a 1 S t u d y o n t h e m i x d e s i g n a n d f un d a me n t a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e p e r f o r a t e d b r i c k s u s i n g i n d u s t r i a l r e s i d u e J J o u r n a l o f Z h e n g z h o u Un i v e r s it y， 2 0 07 ， 2 8( 2) ： 2 7 2 9 ( i n Ch i n e s e ) 陆建红 ， 郭立 凯 工业废渣开发生产轻集料混凝土砌块 的研 究 与施 工 J 工业建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( S 1 ) ： 8 3 6 8 3 9 I U J i a n h on g， GUO Li k a i Re s e a r c h o n ma ki n g l igh t a g g r e g a t e c o n c r e t e b l o c ks f r o m i n d us t r i a l r e s i d ue s a n d t h e i r c o n s t r u c t i o n J I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n， 2 0 0 8 ， 3 8 ( S 1 ) ： 8 3 6 8 3 9 ( i n Ch i ne s e) HAM I D A A ， DRYS DALE R G Pr o p o s e d f a i l u r e c r i t e r i a f o r c o n c r e t e b l o c k ma s o n r y u n d e r b i a x i a l s t r e s s J J o u r n a l o f t h e S t r uc t u r a l Di v i s i o n AS CE ， 1 9 81 ， 1 0 7( 8) ： 5 37 5 3 8 毕春丽 ， 肖琦 ， 张丽 工业废 渣在混 凝土 中的应用研 究 J 混 1 2 i 3 1 4 1 5 凝土 ， 2 0 0 5 ( 1 2 ) ： 7 卜7 2 BI Chu n l i ， XI AO Yi ， ZHANG Li I n d u s t r y c i nd e r a p p l y i n g i n c o n c r e t e J C o n c r e t e ， 2 0 0 5 ( 1 2 ) ： 7 1 7 2 ( i n C h i n e s e ) 赵成文 ， 代俊杰 ， 高连玉 工 业废渣混 凝土 多孔砖抗 折性能试 验研究 J 新 型建筑材料 ， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 2 3 2 6 Z HAO C h e n g we n ， D AI J u n j i e ， GAO L i a n y u E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n f l e x u r a l pe r f o r ma n c e o f c o ne r e t e p e r f o r a t e d b r i c k wi t h i n d u s t r i a l w a s t e r e s i d u a J Ne w B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 O 7 ( 1 1 )： 2 3 26 ( i n Chi n e s e ) TANG C A， TH AM L G ， W ANG S H ， e t a I A n u me r i c a l s t u d y o f t h e i n f l u e n c e o f h e t e r o g e n e i t y on t h e s t r e n gt h c h a r a c t e r i z a t i o n o f r o c k u n d e r u n i a x i a l t e n s i o n J Me c h a n i c s o f Ma t e r i a l s ， 2 0 0 7， 3 9( 4) ： 3 2 6 3 3 9 TANG C A ， LI ANG Z Z， ZH ANG Y B， e t a 1 Fr a c t u r e s p a c i n g i n l a y e r e d ma t e r i a l s： A n e w e x p l a n a t i o n b a s e d o n t wo d i me n s i o n a l f a i l u r e p r o c e s s mo d e l i n g J Ame r i c a n J o u r n a l o f S c i e n c e， 2 0 0 8， 3 0 8( 2 )： 4 9 - 7 2 朱万成 ， 张娟霞 ， 唐春安 F R P加固混凝 土构件 中裂纹扩展 规 律 的数值模拟 J 建筑 材料学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 1 ) ： 8 3 8 8 ZHU W a n c he n g， ZHANG J u a n x i a ， TANG Chu n a n Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o n t h e c r a c k pr o pa g a t i o n i n FRP r e t r o f i t t e d c o n c r e t e s t r u c t u r e J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r ia l s ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 1) ： 8 3 8 8 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m