注芯混凝土砌塊砌體雙向受力試驗(yàn)及其本構(gòu)模型研究.pdf

1、伴隨著社會(huì)與科技的發(fā)展，砌體材料種類不斷推陳出新，粘土磚由于強(qiáng)度較低、能耗高而且消耗大量土地資源，其作為砌體材料的主體地位逐漸弱化；混凝土小型空心砌塊作為一種工業(yè)機(jī)械化程度較高的墻體材料不僅強(qiáng)度高、不消耗土資源而且孔洞便于放置鋼筋形成配筋砌體，適用于建造多層及中高層結(jié)構(gòu)，能夠取得很好的社會(huì)效益。 在結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析中，一般需要建立三類基本方程：力的平衡微分方程，應(yīng)變與位移的協(xié)調(diào)方程和表征力與變形關(guān)系的物理方程。其中的物理方程包括材

2、料的正應(yīng)力-正應(yīng)變、剪應(yīng)力-剪應(yīng)變及桿系構(gòu)件的彎矩-曲率、軸力-軸向伸縮、剪力-剪切角、扭矩-轉(zhuǎn)角等聯(lián)系力與變形之間關(guān)系的方程甚至是考慮溫度及時(shí)間等因素時(shí)的更復(fù)雜的關(guān)系，這些統(tǒng)稱為材料或構(gòu)件的本構(gòu)關(guān)系(或本構(gòu)方程)，它是材料內(nèi)部微觀機(jī)理的宏觀行為表現(xiàn)；而一個(gè)完整的本構(gòu)模型不僅包括本構(gòu)關(guān)系，至少還包含衡量材料破壞與否的破壞準(zhǔn)則，兩者構(gòu)成了有限元分析的基礎(chǔ)，對(duì)于結(jié)構(gòu)和構(gòu)件受力分析的重要性是不言而喻的。 混凝土注芯砌塊砌體由砌塊、砂漿

3、及混凝土芯柱構(gòu)成，由于砌塊的各向異性，砌塊與砂漿材性迥異，三者間接觸面作用機(jī)理復(fù)雜，加之砌筑方式和砌筑質(zhì)量的影響使得注芯砌塊砌體與磚砌體和混凝土材料的性質(zhì)相比有很大的不同，在有限元分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中直接采用后兩者的破壞準(zhǔn)則及本構(gòu)關(guān)系是不合理的，建立材料的本構(gòu)模型、特別是材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)模型是必要和有意義的，這在一定程度上能提高對(duì)其的認(rèn)識(shí)，擴(kuò)大砌塊砌體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。 分析總結(jié)了土木工程材料破壞準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系方面已取得的主

4、要成果，結(jié)合砌體材料的自身特點(diǎn)和服役狀態(tài)中常出現(xiàn)的應(yīng)力狀態(tài)確立了建立本構(gòu)模型的基本思想、宏單元體的基本形式和加載方式，依此設(shè)計(jì)了適用于平面應(yīng)力狀態(tài)加載的試驗(yàn)裝置；設(shè)計(jì)了消除加載面橫向約束的減摩層。 通過88個(gè)基本工作試件(宏單元體)的平面應(yīng)力狀態(tài)試驗(yàn)，得到了無筋混凝土注芯砌塊砌體材料的破壞形態(tài)特征：在單軸受壓狀態(tài)，破壞形態(tài)受主應(yīng)力與材料主軸夾角的影響明顯，隨兩者夾角從0°到90°變化，會(huì)依次出現(xiàn)柱狀壓潰、斜壓破壞、剪壓破壞、剪摩

5、破壞及柱狀壓潰等破壞形態(tài)。在單軸受拉狀態(tài)，破壞形態(tài)受主應(yīng)力與材料主軸夾角的影響不明顯，表現(xiàn)為拉斷型破壞。雙軸拉壓的破壞形態(tài)介于單軸受壓的柱狀壓潰和單軸受拉的拉斷型之間，兼有兩者的特點(diǎn)。由于橫向約束應(yīng)力的存在，不論是哪一種試件類型，雙軸受壓的破壞形態(tài)都表現(xiàn)為灰縫壓密、砌塊外殼剝落；隨應(yīng)力比的增大，逐漸發(fā)展為層狀劈裂破壞；當(dāng)然，對(duì)于約束應(yīng)力比較小的情況，會(huì)比較接近單軸受壓的破壞形態(tài)。 無筋混凝土注芯砌塊砌體材料強(qiáng)度的方向性在單軸受壓

6、時(shí)各向異性表現(xiàn)的最突出，由于主應(yīng)力與材料主軸夾角變化而引起強(qiáng)度降低幅度很大；隨橫向應(yīng)力的出現(xiàn)不同夾角下抗壓強(qiáng)度的差距逐漸減弱。材料的各向異性特征受應(yīng)力狀態(tài)影響，應(yīng)力數(shù)值差異越大，各向異性越顯著；反之則愈小，當(dāng)雙軸等壓時(shí)強(qiáng)度幾乎不受主應(yīng)力與材料主軸夾角變化的影響而趨于相等，接近各向同性(單從強(qiáng)度角度看)。在雙軸受拉應(yīng)力狀態(tài)，材料強(qiáng)度接近單軸抗拉強(qiáng)度，與單軸受拉相似強(qiáng)度大小受主應(yīng)力與材料主軸夾角變化的影響很??；在雙軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)，材料強(qiáng)度近

7、似地隨應(yīng)力比按線性變化。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立了由應(yīng)力比和異化參數(shù)表征的注芯砌塊砌體材料平面應(yīng)力狀態(tài)下的破壞準(zhǔn)則，能夠描述出混凝土注芯砌塊砌體強(qiáng)度的各向異性變化規(guī)律。 利用‘等效單軸應(yīng)變’的概念建立本構(gòu)方程，將材料在平面應(yīng)力狀態(tài)下本構(gòu)關(guān)系的分析變得同單軸受力一樣簡(jiǎn)單、直觀，雙軸受壓、雙軸拉壓、雙軸受拉、單軸受拉及單軸受壓均采用相同的形式，不同的應(yīng)力狀態(tài)由其中的待定參數(shù)-峰值應(yīng)力、等效單軸應(yīng)變和異化參數(shù)區(qū)別。所建立本構(gòu)方程能