喷涂聚脲加固粘土砖砌体抗动载性能试验研究及数值分析

摘要

砌体结构是一种应用历史悠久的结构类型，在当今社会依然有广泛的应用领域。但是砌体结构具有脆性特征，砌体结构的抗弯强度、抗拉强度和抗折强度相对较低，尤其在爆炸事故、恐怖袭击中破坏较为严重。研究表明，恐怖袭击中墙体和窗户等破坏碎片是导致人员伤亡的主要因素。现有加固技术主要是针对于提高砌体结构抗震性能的研究，对提高砌体抗爆能力的研究较少。因此研究新的工程加固技术和设计、提高目标砌体结构的抗爆能力对应对恐怖袭击威胁具有重要的应用意义。
　　喷涂聚脲弹性体加固是一种新型加固技术。聚脲弹性体材料具有高伸长率、高强度、高抗冲击性、高抗腐蚀性、抗老化，同时具备涂料、橡胶、塑料、玻璃钢的多个优点。喷涂聚脲弹性体加固技术具有施工快、固化快、无溶剂、不流挂等优点。与其它材料相比，聚脲材料的使用范围更加广泛，特征更加明显。近年来，国外对该技术应用于加固砌体结构的研究发展很快。研究发现，喷涂聚脲弹性体可提高砌体结构的抗爆能力，降低破坏碎片的产生。国外喷涂聚脲弹性体加固砌体抗爆试验研究主要集中于国外普遍使用的空心加气混凝土砖砌体结构，砌块材料特征和结构与我国砌块相差较大。国外砌体结构在爆炸载荷作用下易出现迎爆面破碎现象，影响聚脲增强砌体抗爆能力机理的深入研究。目前，国内并未开展喷涂聚脲弹性体加固砌体结构的爆炸试验研究，相关的有限元计算主要以国外加固砌体爆炸试验为基础。
　　本文从试验研究、有限元计算两个方面关注聚脲加固厚度、聚脲加固模式、聚脲参数改变对喷涂聚脲加固粘土砖砌体墙的抗爆性能的影响。
　　对3片无支撑粘土砖构筑的足尺砌体单墙进行了未加固、有聚脲加固的爆炸载荷加载试验，对比分析了加固前后墙体的破坏模式和聚脲弹性体作用，结果表明聚脲弹性体可提高无支撑墙体的抗爆能力;对9片有支撑条件的粘土砖构筑的足尺砌体单墙进行了无加固、迎爆面加固、双面加固、双面不同厚度加固的爆炸载荷加载试验，研究有支撑条件下加固模式、加固厚度对喷涂聚脲加固砌体单墙的抗爆能力的影响，对比分析不同加固模式、加固厚度下砌体单墙的破坏特征以及聚脲弹性体的作用。试验研究发现，背爆面喷涂聚脲弹性体可有效包覆砌体单墙在爆炸载荷作用下产生的爆炸碎片;聚脲弹性体加固能降低粘土砖构筑的砌体单墙的位移和变形量，显著提高砌体单墙的抗爆能力。
　　对6个粘土砖构筑的缩尺框架填充结构进行了双面加固模式下的爆炸载荷加载试验，研究无加固缩尺框架填充砌体墙的破坏模式和承载的爆炸极限压力，探索聚脲弹性体增强框架填充墙抗爆能力的机理。探讨了现有砌体破坏评估准则对聚脲弹性体加固粘土砖构筑的框架填充墙破坏的适用性。研究发现，双面加固模式下框架填充墙有较大的抗爆能力，聚脲弹性体可有效包覆框架填充墙在爆炸载荷作用下产生的致伤碎片;现有砌体破坏评估准则不适用于聚脲弹性体加固粘土砖构筑的框架填充墙的破坏程度判定。
　　利用LS-DYNA有限元分析软件，建立了15片粘土砖构筑的缩尺框架填充墙的分离式有限元模型，模拟不同工况条件下填充墙体的动态响应，探索爆炸药量、不同加固模式、不同加固厚度对加固填充墙体抗爆能力的影响，对比分析迎爆面和背爆面聚脲弹性体的作用。计算发现，迎爆面弹性体材料厚度的增加可明显提高填充墙体的抗爆能力，背爆面加固聚脲厚度增加对墙体抗爆能力的增加无明显效果，双面加固模式下的墙体抗爆能力明显高于其它加固模式下墙体的抗爆能力。
　　利用LS-DYNA有限元分析软件，建立了12片粘土砖构筑的缩尺框架填充墙的分离式有限元模型，分别逐次增加迎爆面聚脲弹性体材料和背爆面聚脲弹性材料的密度和弹性模量，探索聚脲弹性体材料密度和弹性模量改变对加固填充墙体抗爆性能的影响。计算发现，聚脲弹性体弹性模量的增加可显著增加加固墙体的抗爆能力，密度增加降低墙体的抗爆能力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．2 砌体结构发展概况

1．2．1 砌体结构发展

1．2．2 砌体结构的特点

1．3 砌体结构加固技术

1．3．1 砌体加固技术的发展

1．3．2 砌体结构加固方法简介

1．4 聚脲弹性体材料发展与应用概况

1．4．1 聚脲弹性体材料的发展

1．4．2 聚脲弹性体材料的应用

1．5 喷涂聚脲加固应用的研究现状

1．5．1 聚脲加固应用在国外的研究

1．5．2 聚脲加固应用在国内的研究

1．6 本文主要研究内容

第2章 喷涂聚脲加固砌体单墙抗爆试验研究

2．1 喷涂聚脲加固无支撑粘土砖单墙抗爆试验研究

2．1．3 喷涂材料性能及施工

2．1．4 试验设置及加载

2．1．5 试验现象及分析

2．1．6 结果分析及小结

2．2 喷涂聚脲加固支撑粘土砖单墙抗爆试验研究

2．2．1 试验目的

2．2．2 试件设置及制作

2．2．4 试验设置及加载

2．2．5 试验现象及分析

2．2．6 结果分析及小结

2．3 等效分析方法

2．3．1 等效单自由度模型

2．3．2 等效载荷

2．3．3 抗力函数

2．3．4 结果分析

2．4 本章小结

第3章 喷涂聚脲加固缩尺框架填充砌体结构试验研究

3．1 聚脲加固缩尺砌体结构试验研究

3．1．1 试验目的

3．1．2 试件设置及制作

3．1．3 聚脲基本物理力学性能

3．1．4 试验设置及加载

3．1．5 试验现象及分析

3．1．6 试验结果分析

3．2 聚脲加固砌体墙抗爆及破坏评估

3．3 本章小结

第4章 喷涂聚脲加固缩尺框架填充砌体结构有限元分析

4．1 砌体墙有限元分析现状

4．1．1 国外现状

4．1．2 国内现状

4．2 有限元模型选定及验证

4．2．1 爆炸载荷的加载

4．2．2 墙体材料模型及参数

4．2．3 爆炸加载载荷及混凝土模型验证

4．3 无加固粘土砖填充砌体动态响应有限元分析

4．3．2 结果和讨论

4．4 喷涂聚脲单面加固墙体数值计算及分析

4．4．1 单面加固填充砌体有限元模型

4．4．2 结果和讨论

4．5 喷涂聚脲双面加固墙体数值计算及分析

4．5．1 双面加固填充砌体有限元模型

4．5．2 结果和讨论

4．6 本章小结

第5章 聚脲弹性模量和密度对加固砌体动态响应影响的有限元分析

5．1 聚脲弹性模量对砌体动态响应的影响

5．1．1 有限元计算模型及设置

5．1．2 结果与讨论

5．2 聚脲密度对砌体动态响应的影响

5．2．1 有限元计算模型及设置

5．2．2 结果与讨论

5．3 本章小结

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 主要创新点

6．3 存在问题及工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表学术论文及其他研究成果