注芯混凝土砌块砌体双向受力试验及其本构模型研究

摘要

伴随着社会与科技的发展，砌体材料种类不断推陈出新，粘土砖由于强度较低、能耗高而且消耗大量土地资源，其作为砌体材料的主体地位逐渐弱化；混凝土小型空心砌块作为一种工业机械化程度较高的墙体材料不仅强度高、不消耗土资源而且孔洞便于放置钢筋形成配筋砌体，适用于建造多层及中高层结构，能够取得很好的社会效益。 在结构的力学分析中，一般需要建立三类基本方程：力的平衡微分方程，应变与位移的协调方程和表征力与变形关系的物理方程。其中的物理方程包括材料的正应力-正应变、剪应力-剪应变及杆系构件的弯矩-曲率、轴力-轴向伸缩、剪力-剪切角、扭矩-转角等联系力与变形之间关系的方程甚至是考虑温度及时间等因素时的更复杂的关系，这些统称为材料或构件的本构关系(或本构方程)，它是材料内部微观机理的宏观行为表现；而一个完整的本构模型不仅包括本构关系，至少还包含衡量材料破坏与否的破坏准则，两者构成了有限元分析的基础，对于结构和构件受力分析的重要性是不言而喻的。 混凝土注芯砌块砌体由砌块、砂浆及混凝土芯柱构成，由于砌块的各向异性，砌块与砂浆材性迥异，三者间接触面作用机理复杂，加之砌筑方式和砌筑质量的影响使得注芯砌块砌体与砖砌体和混凝土材料的性质相比有很大的不同，在有限元分析及结构设计工作中直接采用后两者的破坏准则及本构关系是不合理的，建立材料的本构模型、特别是材料在复杂应力状态下的本构模型是必要和有意义的，这在一定程度上能提高对其的认识，扩大砌块砌体结构的应用。 分析总结了土木工程材料破坏准则和本构关系方面已取得的主要成果，结合砌体材料的自身特点和服役状态中常出现的应力状态确立了建立本构模型的基本思想、宏单元体的基本形式和加载方式，依此设计了适用于平面应力状态加载的试验装置；设计了消除加载面横向约束的减摩层。 通过88个基本工作试件(宏单元体)的平面应力状态试验，得到了无筋混凝土注芯砌块砌体材料的破坏形态特征：在单轴受压状态，破坏形态受主应力与材料主轴夹角的影响明显，随两者夹角从0°到90°变化，会依次出现柱状压溃、斜压破坏、剪压破坏、剪摩破坏及柱状压溃等破坏形态。在单轴受拉状态，破坏形态受主应力与材料主轴夹角的影响不明显，表现为拉断型破坏。双轴拉压的破坏形态介于单轴受压的柱状压溃和单轴受拉的拉断型之间，兼有两者的特点。由于横向约束应力的存在，不论是哪一种试件类型，双轴受压的破坏形态都表现为灰缝压密、砌块外壳剥落；随应力比的增大，逐渐发展为层状劈裂破坏；当然，对于约束应力比较小的情况，会比较接近单轴受压的破坏形态。 无筋混凝土注芯砌块砌体材料强度的方向性在单轴受压时各向异性表现的最突出，由于主应力与材料主轴夹角变化而引起强度降低幅度很大；随横向应力的出现不同夹角下抗压强度的差距逐渐减弱。材料的各向异性特征受应力状态影响，应力数值差异越大，各向异性越显著；反之则愈小，当双轴等压时强度几乎不受主应力与材料主轴夹角变化的影响而趋于相等，接近各向同性(单从强度角度看)。在双轴受拉应力状态，材料强度接近单轴抗拉强度，与单轴受拉相似强度大小受主应力与材料主轴夹角变化的影响很小；在双轴拉压应力状态，材料强度近似地随应力比按线性变化。 根据试验结果，建立了由应力比和异化参数表征的注芯砌块砌体材料平面应力状态下的破坏准则，能够描述出混凝土注芯砌块砌体强度的各向异性变化规律。 利用‘等效单轴应变’的概念建立本构方程，将材料在平面应力状态下本构关系的分析变得同单轴受力一样简单、直观，双轴受压、双轴拉压、双轴受拉、单轴受拉及单轴受压均采用相同的形式，不同的应力状态由其中的待定参数-峰值应力、等效单轴应变和异化参数区别。所建立本构方程能描述规一化的和用绝对量表示的应力-应变关系全曲线。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1混凝土砌块砌体结构的发展

1.2本构模型

1.2.1本构模型的含义及位置

1.2.2本构模型遵循的一般原理

1.2.3弹性、塑性本构模型

1.2.4砌体材料本构模型

1.3破坏准则

1.3.1各向同性类破坏准则

1.3.2各向异性类破坏准则

1.4砌体的平面应力状态

1.5本文的工作

第2章双轴受力试验

2.1试件设计

2.1.1砌块的材料特点

2.1.2试件几何尺寸的确定

2.1.3试件的制作

2.1.4标准件的制作

2.1.5试件数量

2.1.6试件的应力状态和命名规律

2.2加载装置设计

2.2.1各类多轴加载装置回顾

2.2.2试验装置总成

2.3减摩措施设计

2.4变形与荷载的量测

2.5加载制度

2.6本章小结

第3章试验结果及分析

3.1引言

3.2材料及标准件强度

3.2.1材料强度

3.2.2标准件抗压强度

3.2.3标准件抗剪强度

3.3单轴受压试验

3.3.1 A型试件

3.3.2 B型试件

3.3.3 C型试件

3.3.4 D型试件

3.3.5 E型试件

3.4单轴受拉试验

3.4.1 A型试件

3.4.2 E型试件

3.5双轴拉压试验

3.6双轴受压试验

3.7本章小结

第4章破坏准则研究

4.1引言

4.2砌体材料破坏准则

4.2.1 Page的梭形锥模型

4.2.2 Drysdale的复合形模型

4.2.3 Sinha模型

4.2.4 P.B.Lourenco 各向异性软化模型

4.2.5 剪切破坏强度准则

4.3注芯砌块砌体双轴受压破坏准则的建立

4.3.1(σ1/σ0c，σ2/σ0c，θ)坐标空间的破坏曲面

4.3.2基本参数

4.3.3建立破坏曲面

4.4峰值应力随异化参数变化规律

4.5双轴受拉及双轴拉压破坏曲线

4.6本章小结

第5章本构关系研究

5.1引言

5.2各类本构关系

5.3基本假定

5.4双轴本构关系的建立

5.4.1‘等效单轴应变’概念

5.4.2等效单轴应力-应变关系

5.4.3参数确定

5.5理论曲线与试验曲线的比较

5.5.1 UC系列单轴受压应力-应变曲线

5.5.2 BC系列双轴受压应力-应变曲线

5.5.3绝对量表示的受压应力-应变曲线

5.5.4受压应力-应变曲线下降段

5.6单轴受拉及双轴拉压应力应变曲线

5.6.1单轴受拉应力应变曲线

5.6.2双轴拉压应力应变曲线

5.7本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及使用授权书

致谢

个人简历