混凝土小型空心砌块墙体抗剪性能数值模拟研究.pdf

5 8 四川建筑科 学研究 S i e h u a n Bu i l d i ng S c i e n c e 第 3 7卷第 1 期 2 0 1 1 年 2月 混凝土小型空心砌块墙体抗剪性能数值模拟研究 赵 衍 ( 深圳市光明新 区城市建设局 ， 广东 深圳5 1 8 1 0 7 ) 摘要： 对混凝土小型空心砌块砌体墙的抗剪性能进行了研究， 建立了不同高宽比的混凝土小型空心砌块砌体墙有限元分析 模型。对不同的高宽比的砌块砌体墙在不同的竖向荷载作用下的水平抗剪性能进行了数值分析， 计算了墙体的水平开裂荷 载和破坏荷载 ， 模 拟了墙体从开裂到破坏 的全过程 ， 分析了不同的竖 向荷载和不 同的高宽 比对墙体水平抗剪性 能的影 响。墙 体受竖向荷载 和水平荷载共 同作用是工程中常遇到的一种受力 状态 ， 研究 砌块砌体 墙在这种受 力状态下 的开裂过 程和破坏 以及高宽比对墙体的开裂与破坏的影响， 对于丰富砌体结构的基本理论和工程设计具有较大意义。 关键词： 混凝土小型空心砌块； 非线性有限元法； 数值分析； 裂缝出现与发展 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 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) O l 一 0 5 8 0 4 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f s h e a r p e r f o r ma n c e 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 m a s o nr y wa l l ZHA0 Ya n ( T h e U r b a n C o n s t r u c t i o n B u r e a u o f G u a n g mi n g D i s t ri c t ， S ben z h e n 5 1 8 1 0 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o c o n c r e t e s ma ll h o H o w b l o c k wa l l s ， fi v e mo d e s o f b l o c k wa l l s o f d i ff e r e n t r a t i o o f h e i g h t t o w i d t h h a v e b e e n ma d e T h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e b l o c k w a l l s o f d i ff e r e n t r a t i o o f h e i g h t t o wi d t h wi t h h o riz o n t l o a d a n d v e r t i c a l l o a d h a v e b e e n a n a l y z e d S t r e n g t h an d d e f o r ma t i o n be ha v i o r s f o r a l l k i n d s o f b l oc k wa lls ha v e b e e n an a l y z e d The de v e l o pme n t o f c r a c k o f t h e b l o c k wall s h a v e be e n d e s c ri b e d i n d e t a i l I t i s n o rm a l a p p e a r anc e for w a ll s u n d e r h o riz o n t al l o a d a n d v e r t i c al l o a d Th e r e s e a r c h i s me a n i n g f u l t o e n r i c h t h e t h e o r i e s o f ma s o n r y s t r uc t u r e a n d g ui d e t he e n g i n e e rin g d es i g n Ke y wo r d s ： c o n c r e t e s ma l l h o H o w b l o c k； n o n l i n e ar fi n i t e e l e me n t me t h o d； n u me ri c al an aly s i s ； c r a c k f o r ma t i o n a n d d e v e l o p me n t 0前言 砌体结构单纯的受剪情况是很难遇到的， 一般 是在受弯构件中， 如砖砌过梁、 挡土墙等存在受剪的 情况。墙体承受竖向压力和水平力共 同作用是工程 中常遇到的一种受力状态 ， 如在混合结构的房屋中， 墙体除了承担屋盖或者楼盖传来的竖向荷载以及本 身的自重外 ， 还承担水平地震荷载或者风荷载的作 用， 在无拉杆的拱支座处的水平截面同时承受竖 向 压力和水平剪力等。研究墙体在这种受力状态下的 应力分布以及高宽比对墙体抗剪承载力 的影响， 对 丰富砌体结构的基本理论和完善砌体结构构件抗剪 承载力的设计方法， 有较大的实际工程意义。 1 G B 5 0 0 32 0 0 1 砌体结构设计规 范 混凝 土小 型 空 心砌 块砌 体 墙 受 剪 计算的规定 新修订的 G B 5 0 0 3 2 0 0 1 砌体结构设计规范 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 7 - 3 1 作者简介 ： 赵衍 ( 1 9 7 4一) ， 男 ， 湖南岳 阳人 ， 硕士研究生 ， 工 程师 ， 主要从事项 目前期工作。 E ma l l ： z h a o y a n i s me 1 2 6 c o rn 是根据重庆建筑大学的试验 ， 采用变 系数剪摩理论 的计算模式 ， 能够较好地反映了在不 同轴压 比下的 剪压相关性和相应阶段 的受力机理 ， 克服 了 G B J 3 8 8 砌体结构设计规范 的局限性。新规范规定 ， 沿 通缝或者沿阶梯截面破坏时， 受剪构件的承载力应 按以下公式计算 ： ( +o q w- 0 ) A ( 1 ) 当y G=1 2时： z=0 2 60 0 8 2 ( 2 ) 当 G=1 3 5时： z=0 2 30 0 6 5 ( 3 ) 2 混凝 土 小型 空 心砌 块砌 体墙 在 竖 向荷载和横 向荷载 共 同作 用下 的数 值 模拟 2 1 模型 的建立 为了考虑高宽 比对混凝土小型空心砌块墙体抗 裂性能和抗剪承载力的影响， 建立了高宽比分别为 ： H B =2， H B =1 5， HB ： 1， H B ：0 7 5， H B =0 5 这 5种三维模型 ， 为了尽量和实际的工程相符 ， 基本 砌块采用 3 9 0 m m x 1 9 0 m n l x 1 9 0 m m的混凝土小型 空心砌块 ， 墙体用 MU 1 0砌块 ， Mb l 0砂浆砌筑。模 赵衍 ： 混凝土 小型空心砌块墙体抗剪性能数值模拟研究 5 9 型尺寸分别为 ： 8 0 0 0 m m X4 0 0 0 m m1 9 0 m l l ( H B =2 )， 6 0 O 0 m m 4 0 0 0 mm1 9 0 m m ( B=1 5 ) 。 4 0 0 0 mm4 0 0 0 11 1 1 1 1 9 0 mm( H B=1 )， 3 0 0 0 mm 4 0 0 0 mm 1 9 0 mm ( H B ：0 7 5)， 2 0 0 0 mm 4 0 0 0 mm1 9 0 m m( H B=0 5 ) 。为 了防止在 加水 平荷载时应力集 中， 在荷载施加处将集 中荷载改为 等效的均布水平荷载 。 3 混 凝 土小 型 砌 块 墙体 的 非线 性 数 值分析 3 1 材料的参数选用 材料的参数选用表 1中的数据 ， 其 中， 弹性模量 采用剪切面积相同的方法进行等效。 表 1 砌块墙体 中各构件 的参数选 用 T a b l e 1 T h e s e l e c t i o n o f me mb e r s p a r a m e t e rs i n b l o c k wa l l s 构 件砌 块 堡 圭 蔓 壁 兰 塾二 二 ： ： = 塑 堡 ! ! 丝 丝 ! 塑 弹性模量( N m m ) 2 4 1 7 2 2 0 0 0 2 5 5 0 0 2 8 0 0 0 3 0 0 0 0 泊松比0 1 6 7 0 2 0 2 0 2 0 2 屈服应h ( N m m ) 4 4 7 1 0 l 3 4 1 6 7 2 0 1 临界开裂应力 ( N m m )0 1 5 1 2 7 1 5 4 1 7 8 2 0 1 受拉的最大应变0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 5 拉仲软化模量 ( N ra m ) 1 6 6 5 1 3 8 6 7 1 7 0 0 0 2 0 8 3 7 2 4 2 1 6 临界压碎应变 ( N ra m )0 0 0 1 5 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 剪切保持因子0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 3 2材料的本构关系 本构关系选用 MS C Ma r c中低拉伸材料模型。 3 3加载制度和求解过程 采用六面体八节点单元 ， 竖 向荷载采用面荷载 且先一次性施加 。水平荷载分若 干个子步进行 ， 根 据实际情况 ， 采用 如下 的加载制度 ： 对于水平荷载 ， 先试算估计开裂荷载和破坏荷载 ， 然后 ， 在此基础上 进行加载。 3 4 计算结果及其分析 3 4 1 在不同的竖向荷 载作用下普通混凝土砌块 墙 体 的开裂 过程 为了模拟不同的正应力对墙体的抗剪受力性能 的影响， 现以 H B=1 0的墙体为例 ， 对其在不 同的 正应力的情况下开裂和破坏进行模拟。 ( i )o - f =0 1 ， 0 2时开始开裂 ， 到裂缝 的发 展 ， 再到最后的破坏过程 裂缝首先出现在墙底部的受拉区最大拉应力边 缘 ， 随着荷载的增加 ， 裂缝 向受压 区和上中部 发展 ， 最后 ， 在墙体的中部裂通 ， 形成两条斜 向平行的主裂 缝， 从而导致墙体破坏 。 ( 2 )o , f= 0 3 ， 0 4时裂缝的发展过程 裂缝首先在墙体底部受拉和受压区几乎同时出 现裂缝 ， 随着荷载的增加 ， 裂缝在拉应力最大的底边 缘发展 ， 而在受压区的底边缘裂缝发展很慢 ， 甚至有 闭合的现象 ， 当荷载进一步增加时， 在墙体的中部出 现较大的裂缝 ， 在水 平荷载作用处也开始 出现初裂 缝 ， 最后 ， 墙体中部的裂缝斜向向上和 向下发展 ， 形 成通缝 ， 并且在受拉 区也形成 了较大的裂缝。 ( 3 )o - f= 0 5 ， 0 6时裂缝的发展过程 墙体在竖 向压力和水平作用力共 同作用 下， 首 先在墙体的底部出现开裂应变， 基本上对称分布 ， 随 着荷载的进一步增加 ， 受压 区明显地 向墙体的受压 区外边发展 ， 在受拉区的裂缝发展很慢 ， 最后 ， 在墙 体的中部出现裂缝 ， 并 斜 向发展 ， 与底 部的裂缝相 连 ， 并向上发展， 从而破坏。 ( 4 )o - f= 0 7 ， 0 8时裂缝的发展过程 首先 ， 在墙体的竖向荷载和水平荷载作用处 出 现了微裂缝 ， 然后裂缝有向下发展的趋势 ， 随着水平 荷载的增加 ， 裂缝往斜向下方发展 ， 同时在受压区底 部也出现裂缝并往斜 向上方发展 ， 发展到一定 的时 期破坏 ， 但 最后 没有 贯 通 ( 两 条 主裂 缝差 不 多平 行 ) 。 3 4 2 不 同高宽比在竖向荷载和横 向荷载作用下 的开裂过 程 为了模拟不同的高宽 比对墙体的抗剪受力性能 的影响 ， 现以 o - f= 0 1墙体为例， 对其在不同高宽 比的情况下开裂和破坏进行模拟。 ( 1 ) H B= 2的混凝土小型空心砌块墙体 的开 裂到破坏过程 墙体首先在墙体底部最大受拉区的墙角出现微 裂缝 ， 随着水平荷载的增加 ， 裂缝往斜 向上方发展， 然后向上方蔓延 ， 随着水平荷载的进一步增加 ， 在墙 体的受拉区的中下部出现裂缝 ， 随着裂缝 的进一步 发展 ， 墙体破坏。 ( 2 ) H B=1 5的混凝 土小型空心砌块墙 体的 开裂 到破坏 过程 裂缝也是先从墙体底部的最大受拉区开始 ， 随 着荷载的进一步加大 ， 裂缝沿着墙体的底部 向墙体 受压区发展 ， 随着荷载的进一步增加 ， 在墙体中部的 受拉区也出现不连续的裂缝 ， 最后 ， 在墙体的中下部 形成基本上水平通缝 ， 从而墙体破坏。 ( 3 ) H B=1 0的混凝 土小 型空心砌块墙体 的 开 裂到破 坏过 程 首先 ， 墙体底部的受拉区开始出现裂缝 ， 然后 ， 沿墙体底部向墙体受压 区方 向发展 ， 随着荷载的进 一 步增大 ， 出现斜向的两条主裂缝差不多平行 ， 从而 导致墙体破坏。 四川建筑科学研究 第 3 7卷 ( 4 ) H B= 0 7 5的混凝土小型空心砌块墙体 的 开裂到破坏过程 首先 ， 裂缝从墙体的最大受拉区出现 ， 随着荷载 的进一步增大， 裂缝沿着墙体底部 向受压区发展的 同时， 在墙体的受拉区的上部也出现裂缝， 最后 ， 在 墙体形成两条主裂缝 ， 从而破坏 。 ( 5 ) H B= 0 5的混凝土小型空心砌块墙体 的 开裂到破坏过程 裂缝 从墙 体 的受 拉 区底 部 开始 ， 随 着荷 载 的进 一 步增加 ， 裂缝沿着墙体底部向中部发展 ， 在墙体的 受拉区中部也出现了裂缝 ， 最后 ， 底部的裂缝几乎要 贯通 ， 同时， 在受拉区也基本上都开裂 。 3 4 3数值计算的结果 经过以上的计算分析 ， 各墙体的开裂荷载与破 坏荷载计算结果 ， 见表 2 7 。 表2 墙体的加载情况以及开裂和破坏计算结果( H B= 2 0 ) T a b l e 2 T h e r e s u l t s o f w a l l l o a d i n g a s w e l l a s c r a c k i n g a n d d a ma g e ( H B=2 0 ) 参数 总加载 轴压比 ( N ra m ) m 面积 2 ) 励 载步 开裂步 破坏步 破坏荷载 ( N ra m ) 开裂荷载 破坏荷载 0 1 1 0 5 3 7 6 o ( ) o 1 0 0 3 4 2 7 2 6 8 5 4 4 O 2 1 3 1 6 7 6 O o o l o 0 4 3 4 3 8 9 8 9 0 3 2 6 3 2 7 6 0 0 0 1 0 0 31 6 2 5 7 l 1 4 0 4 2 6 3 2 7 6 0 0 0 1 0 0 3 5 7 0 61 1 2 2 0 5 2 6 3 2 7 6 O 0 0 1 o 0 3 0 6 0 6 3 1 2 6 0 6 1 9 7 4 7 6 o ( )0 1 o o 2 7 4 0 5 7 5 1 1 2 5 O 7 1 9 7 4 7 6 O 0 o 1 0 0 1 4 21 6 l 9 1 5 0 8 2 6 3 2 7 6 o o 0 1 o o 3 6 7 2 0 5 o o 0 4 8 3 O 5 4 4 0 5 7 4 0 4 7 6 O 3 6 o 0 2 3 0 表 4 墙体的加载情况 以及开裂和破坏计算结果 ( H B=1 0 ) T a b l e 4 T h e r e s u l ts o f w a l l l o a d i n g a s w e ll a s c rac k i n g a n d d am a g e ( H B=1 0 ) 参数 总加载 轴压比 ( N m m 2 ) 面积 m2 ) 总 加 载 步 开 裂 步 裂 荷 襄 破 坏 步 N (m m ) 破 坏 荷 载 ( N ra m ) 开 裂 荷 载 破 坏 荷 载 0 1 2 6 3 2 7 6 o o O 1 o o 3 1 6 2 6 0 1 2 0 O 2 2 6 3 2 7 6 o o O 1 0 0 4 4 8 8 9 4 1 8 8 O 3 3 9 8 4 7 6 O o o 1 0 0 41 1 2 3 7 8 2 3 4 O 4 3 9 8 4 7 6 O o o 1 0 0 5 0 1 5 0 8 3 2 4 9 0 5 3 9 8 4 7 6 o o 0 1 o o 3 7 l 1 1 8 4 2 5 2 0 6 3 9 8 4 7 6 0 o o 1 0 0 2 7 8 1 7 5 2 2 5 O 7 3 9 8 4 7 6 o ( ) 0 1 0 0 1 5 4 5 61 1 8 3 0 8 3 9 8 4 7 6 0 0 0 1 0 0 4 5 1 3 5 0 5 l 7 O 4 4 4 0 5 2 5 0 6 0 2 0 4 4 O 0 3 6 0 O 2 4 6 2 0 1 1 N o 1 赵衍： 混凝土小型空心砌块墙体抗剪性能数值模拟研究 6 l 表 7 墙体破坏荷载计算结果 Ta b l e 7 T h e c a l c 山a t i o n o f f a i l u r e l o a d o n b l o c k wa l l s k N 3 5 数值分析值与试验结果的比较 根据浙江大学所作试验 2 8 0 0 1 T i m3 8 0 0 m m 1 9 0 m m的混凝土砌块墙 ( MU 1 0砌块和 Mb l O砂浆 砌筑) ， H B= 0 7 4， 试验破坏荷载为 1 6 0 k N； 本文计 算值为标准值为 1 2 4 k N， 折算平均值为 1 7 2 k N。平 均值与试验值 的比值为 1 0 7 5 ， 误差为 7 5 。 4 结 语 通过 以上对墙体的水平抗剪性能分析可知 ： ( 1 ) 轴向压力加大 了截面 的受压 区， 对抗剪是 有利的， 但正压力不能无 限增大。计算表明， 正压力 增加到一定 的程度对砌 块墙体抗剪承载力 影响不 大， 且对不 同的高宽 比其影响效果不 同。 H B： 2时， 随着轴 向压力 小于 0 5时， 墙 体的抗剪承载力增强 ， 然后随着 的增大 ， 墙体 的 水平抗剪承载力减小 。 H B：1 5时， 随着轴向压力 o - f l , 于 0 4时， 墙体的抗剪承载力增强 ， 然后随着 o - f的增大 ， 墙体 的水平抗剪承载力减小。 H B：1 0时， 随着轴 向压力 小于 0 5时， 墙体的抗剪承载力增强 ， 然后随着 的增大 ， 墙体 的水平抗剪承载力减小。 H B= 0 7 5时 ， 随着轴 向压力 f l , 于 0 5时， 墙体的抗剪承载力增强 ， 然后随着 的增大， 墙体 的水平抗剪承载力减小。 H B= 0 5时， 随着轴向压力 小于 0 5时 ， 墙体的抗剪承载力增强， 然后随着 的增大， 墙体 的水平抗剪承载力减小。 ( 2 ) 高宽比对墙体的抗剪承载力存在影响。通 过计算表明， 随着 高宽比的减小， 墙体的水平抗剪承 载力增大。高宽 比H B=2到 H B=1 5墙体抗剪 承载力 的影响不是很大 ， H B=1 5到 H B=1 0墙 体的抗 剪承载力影响 比较大， 从 H B=1 0到 H B = 0 5墙体的抗剪承载力变化不大 ， 如图 1 所示。 u u 0 1 0 2 0 j 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 f 图 1 轴向压力对墙体抗剪承载力的关 系 Fi g 1 The r e l at i o ns hi p b e t we e n t he a xi al pr e s s u re an d t he s he a r c a pac i t y o ft he wall 参 考 文 献： 1 王述红， 唐春安， 朱浮声， 等 砌体结构开裂过程细观损伤数值 模型及其分析方法 J 建筑结构学报， 2 0 0 3 ( 4 ) 2 郭立凯 小型混 凝土砌块 的生产 和应用 M 北京 ： 金 盾出版 社 ， 2 0 0 2： 1 - 3 3 赵衍 ， 刘桂秋 混凝土小型砌块墙体受力性 能的数值模拟研 究 D 长沙 ： 湖南大学 ， 2 0 0 5 6 5 9 5 4 3 5 6 加 5 4 7 3 9 2 4 9 8 O 8 4 9 4 5 3 5 幅 懈 M 4 5 5 H 虬 l 2 3 4 5 6 7 8 挪 瑚 m 如