不同孔形混凝土空心砌块的非线性力学性能.pdf

全 国中文核心期刊 新 建巍 不同孔形混凝土空l l t l MI 的 非线性力学n 生 雒 何春林， 龚成中 ( 淮阴工学 院 建筑工程 学院， 江苏 淮安2 2 3 0 0 1 ) 摘要： 运用 A N S Y S 软件的建模、 网格划分、 加载等功能， 建立不同孔形混凝土小型空心砌块的有限元分析模型。对不同孔形混 凝土小型空心砌块 的非线性力学性能进行分析，得到给 定荷载和约束条件下不 同孔形混凝土小型 空心砌块 的变形和应力分布 ， 指 出了实心砌块开孔 的必要性。通过对不 同孔形的混凝 土小型砌块对 比分析 ， 发现混凝土 空心砌块孔形设计时 ， 采用上 口小、 底部偏 大 的孔形受力较为合理 ； 数值模拟结果表明， 开孔时应该选择不产生附加弯矩的孔形， 这样可充分发挥混凝土材 料的抗压性能 ， 提 高空心砌块的承载性能 ； 孔形尖角处应设倒圆角， 保证 尺寸过渡平缓， 以避 免出现应力集 中。 关键词： 混凝土小型空心砌块； 砌块孔形； 模拟分析； 力学性能 中图分类号： T U 5 2 2 3 + 4 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 1 0 0 0 3 0 0 4 No n-l i ne ar m e c han i c al pr o pe r t i e s o f c onc r et e ho l l o w bl oc k wi t h d i ffe r e n t s ha pe h ol e HE Chu nl i n， GONG Ch e n g z ho n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e rin g， Hu a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y， Hu a i a n 2 2 3 0 01 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Abs t r ac t ： By u s i n g t h e mo d e l i n g ， d d i v i s i o n a n d l o a d i n g f un c t i o n s o f ANS YS s o f t wa r e ， t h e mo d e l o f fi n i t e e l e me n t o n s ma l l c o n c r e t e h o l l o w b l o c k wi t h d i f f e r e n t s h a p e h o l e h a s b e e n b u i l t u p Th e d i f f e r e n t s h a p e h o l e wh i c h a ffe c t e d t h e n o n l i n e ar me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s ma l l c o n c r e t e h o l l o w b l o c k h a v e b e e n a n a l y z e d ， a n d t h e c o r r e s p o n d i n g d e f o r ma t i o n a n d s t re s s d i s t rib u t i o n h a v e b e e n g a i n e d u n d e r t h e g i v e n l o a d a n d c o n s t r a i n t c o n d i t i o n s I t p o i n t s o u t t h e n e c e s s it y t o o p e n a h o l e i n t h e s o l i d b l o c k T h r o u g h c o mp a r a t i v e a n aly s i s t o t h e s mall c o n c r e t e h o l l o w b l o c k wi t h d i f f e r e n t s h a p e h o l e s ， i t c a n b e s e e n t h a t u s i n g t h e s h a p e wh i c h i s n a rro w u p p e r a n d b r o a d l o we r i s mo r e r e a s o n a b l e f o r l o a d i n g N ume ric al s i mu l i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e h o l e i n t I le s ma l l c o n c r e t e b l o c k s h o u l d b e s u c h t h a t i t d o e s n t g e n e r a t e a d d i t i o n a l mo me n t T h i s wi l l g i v e f ul l u s e t o t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e ma t e ria l p r o p e r t i e s ， a n d i mp r o v e t h e b e a ri n g c h a r a c t e r i s t i c s o f h o l l o w b l o c k Fi l l e t s ho u l d b e e s t a b l i s h e d t o e n s u r e t h e s mo o t h t r a n s i t i o n s i z e i n t h e s h a r p c o r n e r a n d a v o i d s t r e s s c o n c e n t r a t i o n Ke y wo r d s： s ma l l c o n c r e t e h o l l o w b l o c k； h o l l o w b l ock h o l e s h a p e ； s i mu l a t e d a n aly s i s ： me c h a n i c s p r o p e rty 0 引言 混凝土空心砌块以其轻质、 节能、 节土、 经济、 施工方便等 诸多 优点， 已成为国内外的主导墙体材料之一。混凝土多孔砌 块与多排孔砌块的开发虽然大大提高了传统普通混凝土砌块 墙体的保温性能，但仍不能满足国家建筑节能5 0 的标准， 以 及对新型墙体材料中混凝土空心砌块要向高强、 承重、 具有保 温隔热等多功能方面发展的要求。 目 前国内外不少学者致力于 混凝土空心砌块保温隔热性能的研究 l- 5 1 、 混凝土空心砌块的力 学性能及其影响因素的研究 以及砌体的力学性能研究9 - 3 1 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 5 1 3 作者简历： 何春林， 女， 1 9 7 1年生， 江 苏淮安人 ， 副教授 ， 硕 士， 主要从 事土木工程专业 的教学与研究工作 。电话： 1 5 9 9 6 1 9 5 9 7 1 ， E ma i l ： c I h e 1 6 3 c o m。 3 0 新型建筑材料 2 0 0 1 0 但还没有空心砌块孔形的变化对混凝土空心砌块力学性能的 影响研究， 这在很大程度上限制了混凝土空心砌块的应用和发 展。由 于混凝土材料的非线性性质， 本文基于A N S Y S 软件， 运 用数值模拟技术对2 种比较典型孔形的混凝土砌块的非线性 力学行为进行研究，从力学根源上分析在砌块方案设计时， 如 何选择孔形来保证混凝土空心砌块在解决保温隔热和减轻自 重的前提下， 还具有良 好的力学性能。 从而解决砌块高强、 承重 的要求， 为空心砌块合理设计和优化提供理论参考。 l 不同孔形砌块分析模型的选取 为研究孔形对混凝土空心砌块力学性能的影响，本文选 取3 种具有代表性的孔形砌块 统一选取主规格外观尺寸 ( 3 9 0 m m x l 9 0 m m x l 9 0 m m ) ， 孔形分别选取实心砌块、 方孔空 心砌块和圆孔内腔空心砌块进行比较分析，其中方孔和圆孔 内腔砌块为避免产生应力集中现象，在内 部孔形有尖角的位 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 何春林， 等： 不同孔形混凝土空心砌块的非线性力学性能 大值都是 5 7 9 9 M P a ， 比实心砌块的最大应力还小， 可见方 孔砌块的开孔没有影响整个砌块的受力性能；圆孔内腔砌 块的最大 M i s e s 应力发生在内腔上侧壁的孔形截面尺寸突 变处， 最大值是 1 0 1 9 8 M P a ， 在 4 个角点应力集中处产生大 约9 M P a 左右的M i s e s 应力。孔形截面突变处的应力大于4 个角点应力集中产生的应力。 空心砌块的M i s e s 应力云图见 图5 。 3 3 l 7 3 5 9 3 3 8 6 9 4 1 4 5 4 4 2 0 4 6 9 6 4 9 7 2 5 2 4 8 5 5 2 3 5 7 9 9 ( a ) 方孔砌块 0 6 8 9 1 7 4 6 2 8 0 2 3 8 5 9 4 9 l 5 5 9 7 2 7 0 2 8 8 0 8 5 9 1 4 1 1 0 1 9 8 ( b ) 圆孔内腔砌块 图 5 2 种 空心砌块的 M i s e s 应 力云图 模拟结果表明， 方孔砌块由于孔形尺寸变化比较平缓， 变 形、 受力性能和实心砌块接近。而圆孔内腔砌块在孔形尺寸 上的突变削弱了它的承载力。 ( 2 ) 空心砌块Z 轴向塑性应变几何分布见图6 ， 方孔砌块 塑性应变最大值是一 0 2 9 4 x 1 0 ， 分布在两端内侧壁中问位置 和底部4 个外角点， 而数值比实心砌块的还小。内腔圆孔砌 块塑性应变最大值发生在内侧上壁和底面4 个外角点( 应力 集中处) ， 分别是一 1 1 2 x 1 0 、 一 0 8 4 6 x 1 0 ， 圆孔内腔砌块的塑 性变形比实心砌块和方孔砌块的大 3 倍多， 并且圆孔的内侧 上壁( 尺寸突变处) 的塑性变形大于底部4 个外角点( 应力集 中处) 的塑性变形。 3 2 新型建筑材料 2 0 1 0 1 0 0 2 94 E一 4 0 2 50 E一 4 0 2 05 E 一4 0 1 6 0E 4 0 1 1 6 E 一4 0 2 7 2 E 一 4 0 2 2 7 E 一 4 0 1 8 3 E 一 4 0 1 3 8 E 一 4 0 9 3 3 E 一 5 ( a ) 方孔砌块 一 0 1 1 2 E 一 3 0 8 4 6 E 一 4 0 5 7 6 E 一 4 0 3 0 6 E 一 4 0 3 5 6 E 一 5 0 9 8 1 E 一 4 0 7 1 l E 一 4 0 ， 4 4 1 E 一 4 0 1 7 1 E 一 4 0 9 9 5 E 一 5 ( b ) 圆孔 内腔砌块 图6 空心砌块的 z轴向塑性应变 3 - 3 砌块的裂纹比较分析 实心和方孔砌块在 5 M P a 均布压力作用下没有产生裂 纹， 但是圆孔内腔砌块在同样外力作用下出现了部分裂纹。 在 S o l i d 6 5 单元显示有裂纹和破碎的位置， 箭头所指的圆轮廓标 识裂化，裂化发生在侧肋的右上角和靠近右侧中心对称面的 位置， 也即第一主总应变的最大值位置， 此处的混凝土是被拉 裂的( 见图7 ) 。 这是由于这些部位的第一主应力较大， 以及在 结构的相应部位产生应力集中的原因。 图 7 圆子 L 内腔砌块裂纹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 何春林， 等： 不同孔形混凝土空心砌块的非线性力学性能 3 4 空心砌块荷载位移 曲线分析 在5 M P a 均布压力作用下， 方孔砌块的受力大部分还处 于弹性阶段， 所以它的曲线几乎成一直线； 但是圆孔内腔砌 块在加载初期就已经产生较大的塑性变形， 荷载位移曲线有 明显的非线性( 见图8 ， 虚线为对比的直线段) 。 4 0 3 6 3 2 2 8 I 2 4 2 0 1 6 1 2 0 8 0 4 0 0 5 l 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 荷载 M P a ( a ) 方孔砌块 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 荷载 M P a ( b ) 网孔内腔砌块 图 8 空心砌块的荷载一 位移 曲线 3 5 3种砌块计算的数值结果 比较分析 将上面的3 种砌块在顶面施加 5 M P a 均匀压力， 对其力 学性能进行非线性分析， 结果见表 1 。 表 1 3种砌块的计算结果 ( 最大值) 从表 1 可以看出， 实心砌块和方孔砌块的应力、 变形相 差不大， 但是圆孔内腔的计算数值明显大许多， 尤其砌块的 第一主应力， 实心砌块和方孔砌块的第一主应力最大值比较 接近， 分别为0 1 0 8 7 6 3 、 0 1 7 5 1 7 M P a ； 圆孔内腔砌块的第一主 应力最大值是 1 5 1 7 M P a ，最大值比方孔砌块的大 l 0倍左 右。内腔圆孔砌块由于孔形尺寸的突变， 倒圆台形的上孔， 在 上部外在压力作用下产生一定的附加弯矩，使得圆孔内腔砌 块产生较大的拉应力。 由于混凝土的抗拉强度比较低， 只有抗 压强度的5 一 1 0 t 。内腔圆孔砌块由于孔形尺寸的突变， 和 附加弯矩的存在， 削弱了圆孔内腔砌块的承载能力。 而方孔砌块， 由于孔形没有大的尺寸突变， 计算结果和实 心砌块相差不大， 受力性能较好。 4 结语 ( 1 ) 为节约材料、 减轻结构自重和增加墙体的保温隔热效 果， 可以 在混凝土实心砌块中间位置开孔， 孔洞的形状可以是 上口小、 底部偏大的孔形， 留足相应的壁肋， 开孔后的砌块整 个结构受力均匀合理。 ( 2 ) 在实心砌块上开孔， 只要孔洞形状合理， 对其力学性 能影响不大。 ( 3 ) 由于混凝土的抗拉强度很低， 开孔时应该选择不产生 附加弯矩的孔形，以避免在混凝土砌块中产生较大的拉应力 和变形， 这样可充分发挥混凝土材料的抗压性能， 进一步提高 空心砌块的承载特性。 ( 4 ) 在孔型设计时， 为避免产生应力集中， 改善混凝土空 心砌块的受力性能， 孔形尺寸变化应该过渡平缓， 并且在砌块 孔形内有尖角的位置设倒圆角。 ( 5 ) 非线性有限元分析方法能实现构件从开始加载到破 坏的全过程分析，可以得到砌块不同阶段的位移和应力响应 信息。 ( 6 ) A N S Y S 模拟与实验室的试验相比， 可以避免试验过 程中由于试验方法的选择带来的误差，以及试件的制作和养 护等人为因素的误差，能为混凝土空心砌块的开孔形状和开 孔位置提供直观的应力、 应变云图， 为空心砌块的设计提供经 济、 简捷有效、 直观的方法。 参考文献 ： 1 】 李 建成 混凝土 空心砌块 的孔 形对其隔热性 能的影响 J 混凝土 与水泥 制品， 1 9 9 5( 5 ) ： 4 3 _ 4 6 【 2 S u n i l Ku ma r A p e r s p e c t i v e s t u d y o n fl y a s h l i me g y p s u m b r i c k s a n d h o l l o w b l o c k s f o r l o w c o s t h o u s i n g d e v e l o p m e n t J Ma t e r i a l s ， 2 0 0 2， 1 6( 8 )： 5l 9 5 2 5 3 】 K h e d a fi J ， R u n g s i y o p a s M， S a r a c h i t t i R， e t A n e w t y p e o f v e n t e d c o n c r e t e b l o c k fo r z e r o c o o l i n g e n e r gy J B u i l d i n g a n d E n v i r o n mc n t ， 2 0 0 4， 3 9( 1 0 )： l 1 9 3 1 1 9 7 4 Y a n g D i n g y i ， S u n We i ， L i u Z h i y o n g R e s e a r c h o n i mp r o v i n g t h e h e a t i n s u l a t i o n a n d p r e s e r v a t i o n p r o pe r t i e s o f s ma l l s i z e c o n - ( 下转第 4 J 4 页) N E W BUI L DI NG M ATE RI A L S 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张雪芹： 外墙外保温系统涂饰技术的研究 高墙体的节能保温隔热效果和居室的热舒适性7 】 。 目 前，热反射隔热涂料的这种热反射功能已 经被部分地 区列入地方外墙外保温系统技术规程和标准中。 例如， 上海市 在2 0 0 8 年1 2 月通过审查的新 居住建筑节能设计标准 中规 定， 当外墙面使用了反射隔热涂料时， 视涂料的太阳反射比 的不同( 0 8 0 0 9 0 ) ， 墙体传热系数 的修正系数可以取 0 9 1 0 9 5 。重庆市建委制定了工程建设标准 D B J 厂 I 5 o _ - 0 7 6 -2 0 0 8 健 筑反射隔热涂料外墙保温系统技术规程 规定， 当外墙外保温系统使用建筑反射隔热涂装体系时，外墙的平 均传热系数可按式( 1 ) 进行修正： K = 8 K ( 1 ) 式中： 、 一修正前、 后外墙的平均传热系数， W ( m K ) ； 修正系数， 根据设计计算的传热系数K 按表3 取 值。 表 3 修正系数 口取值 这些标准、 规程的出台， 对进一步推广应用外墙外保温系 统功能性涂装体系具有重要的意义。 4 结语 外墙建筑涂料涂饰体系在外墙外保温系统中兼具装饰、 保护和特种功能等作用，是外墙外保温系统中不可分割的重 要组成部分， 涉及材料、 设计、 施工、 应用等领域。随着外墙外 保温技术的不断发展，也对外墙建筑涂料的涂饰技术提出了 新的要求， 这对建筑涂料行业来说既是机遇又是挑战， 需要业 内不断地研究新技术、 解决新问题， 及时地加以总结、 丰富与 拓展。 相信通过相关行业的不懈努力， 定能取得新的提升与发 展。 参考文献 ： 【 1 】 徐峰 夕 墙外保温系统 与建 筑涂料的选用 【 J 1 上海 涂料 ， 2 0 0 9 ， 4 7 ( 7 ) ： 2 3 2 5 【 2 1 刘东华 ， 赵雅文 ， 李娅 - 夕 墙外保温 系统对饰面涂 层的要求 分析 【 J 1 中国涂料， 2 0 0 7 ， 2 2( 3 ) ： 2 3 2 6 3 张雪芹 外墙外保温技 术及聚氨酯 硬泡在建筑节 能中 的应用研 究 J 1 新型建筑材料， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 6 8 7 2 f 4 张金钟 建筑涂料在外墙外 保温系统 中的应用【 J 】 现代涂料与涂 装， 2 0 0 9 ， 1 2( 9 ) ： 2 2 2 4 ， 3 0 5 王春伟 ， 张雪芹 ， 郑树军 ， 等 水性节 能隔热混凝土彩 瓦涂料 的研 制【 J 新型建筑材料， 2 0 0 4( 1 1 ) ： 2 7 2 9 6 任秀 全， 陈鹏 ， 张 国英 太 阳热反射弹性涂料 的研 究【 J 新型建筑 材料 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 2 6 2 8 7 张雪芹 ， 韩国 民， 周根全 建筑 保温隔热涂 料及其复合 技术研究 l J I 新型建筑材料 ， 2 0 0 8 ( 1 O ) ： 4 6 4 9 A ( 上接第 3 3页) c r e t e h o l l o w b l o c k s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 9 )： l 3 5 7 1 3 61 【 5 】 A I J a b r i K S ， H a g o A W， A 1 一 N u a i mi A S C o n c r e t e b l o c k s f o r t h e r ma l i n s u l a t io n i n h o t c l i ma t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 05 ， 3 5( 8 )： 1 4 7 2 1 4 7 9 6 6 黄榜彪 ， 梁立新， 朱基珍， 等 混凝土多排孔 小型砌块 的力学性 能 分析【 J 广西工学院学报 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 7 3 7 6 【 7 何春林 ， 龚成中 混凝土 小型空心砌块 的非线性力学性能 J 建筑 材料学报， 2 0 0 8 ， 1 l ( 2 ) ： 1 5 7 1 6 1 f 8 l 范飞飞 ， 尚建丽 ， 杜军 混凝土小型 空心砌块抗压强度 的试验研 细 J l1 建筑， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 6 4 6 5 9 】 D e l C o z D i a z J J ， G a r c i a N i e t o P J N o n - l i n e a r t h e r m a l a n aly s i s o f l i g h t c o n c r e t e h o l l o w b ric k wa l l s b y t h e fin i t e e l e me n t me t h o d a n d e x p e ri me n t a l v a l i d a t i o n J A p p l i e d T h e r m al E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 2 6( 8 )： 7 7 7 - 7 8 6 4 4 新型建筑材料 2 0 1 0 1 0 S a y e d E， S h ri v e N G No n l i n e ar f i ni t e - e l e me n t mo d e l of h o l l o w m a s o n r y J S t r u c t u r al E n g i n e e ri n g A S C E ， 1 9 9 6 ， 1 2 2 ( 6 ) ： 6 8 3 - 6 9 0 Dh a n a s e k ar MS t r e s s S t r a i n r e l a t i o n s f o r h o l l o w c o n c r e t e n l a s o n r y u n d e r c y c l i c c o m p r e s s i o n C P r o c e e d i n g o f t h e 1 l t h I B 2 MAC， S h a n g ha i ， 1 9 9 7 ：1 - 5 徐磊 ， 施卫星， 袁勇 混凝土小型空心砌块结构抗震性能研究m 同济大学学报 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 1 5 3 1 5 7 孟凡 晓， 祝英杰 ， 臧晓光 ， 等 高强混凝 土空心砌块 砌体基本力 学性能研究 青 岛理工大学学报， 2 0 0 7( 1 ) ： 1 0 1 3 何春林 ， 龚成中 不 同本构关 系的小型混凝土砌块模拟试验 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 1 O ) ： 4 2 4 5 江见鲸 ， 陆新征， 叶列平 混凝 土结构有限元分析 M 北京 ： 清华 大学 出版社， 2 0 0 5 沈蒲生 混凝土结构设计原理 M B 京： 高等教育 出版社 ， 2 0 0 7 A 叫 q n 口 一_ 一_ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m