砌體等效體積單元的試驗(yàn)研究與應(yīng)用★

紀(jì) 政

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

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砌體等效體積單元的試驗(yàn)研究與應(yīng)用★

紀(jì) 政

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

對砌體中的等效體積單元(Representative Volume Element，簡稱RVE)的適用性進(jìn)行了分析,采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，通過砌體抗壓及壓剪試驗(yàn)，驗(yàn)證了RVE單元完整破壞準(zhǔn)則用于砌體結(jié)構(gòu)中的效果，解決了RVE單元適用性問題。

砌體，破壞準(zhǔn)則，等效體積單元，試驗(yàn)，有限元

砌體因易于就地取材、有良好的耐火性和較好的耐久性等特性，極為廣泛的應(yīng)用于民用和工業(yè)建筑之中。但是因砌體是由塊體、水平及豎向灰縫組成的一種非勻質(zhì)材料，它與勻質(zhì)材料相比，砌體具有明顯的方向性。因此，建立完整、準(zhǔn)確的破壞準(zhǔn)則難度相當(dāng)大。

傳統(tǒng)的模型(連續(xù)體模型與離散式模型)[1,2]雖然能夠用于分析結(jié)構(gòu)性能。但是傳統(tǒng)的模型具有自身的局限性：連續(xù)體模型不能針對砌體多樣的失效機(jī)理作出詳細(xì)解釋；離散式模型雖然能彌補(bǔ)連續(xù)體模型的缺點(diǎn)，但僅適用于小型試驗(yàn)砌體性能的模擬。為解決該問題，L.Gambarotta提出等效體積單元 (Representative Volume Element，簡稱RVE)這一概念。它用一個(gè)重復(fù)單元來替代砌體中的幾何形狀和組合物的砌筑信息，然后對其進(jìn)行疊加，從而反映砌體的力學(xué)性質(zhì)。

文章基于勻質(zhì)化理論 ，選取全順式砌筑砌體中的等效體積單元RVE，對砌體材料抗壓和壓剪作用下的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，并通過改變砂漿灰縫的厚度來研究對破壞準(zhǔn)則的影響。并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和Drucker-Prager準(zhǔn)則，由壓剪作用下砌體的抗剪強(qiáng)度曲線確定所需參數(shù)，對所選的砌體進(jìn)行有限元模型的數(shù)值分析，來驗(yàn)證砌體等效體積單元 RVE的破壞準(zhǔn)則能夠適用于砌體結(jié)構(gòu)之中。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件模型的制作

用M7.5砂漿和MU10的普通燒結(jié)磚對試件進(jìn)行砌筑，并且砂漿灰縫厚度分別取8 mm和16 mm兩種。試驗(yàn)選取砌體中的重復(fù)單元(見圖1)，尺寸及選取方法與砌體等效體積單元 RVE一致，但考慮到水平對磚切割會(huì)造成較大損傷，所以本試驗(yàn)沒有對磚沿厚度方向進(jìn)行切割，如圖1b)所示。試件按照GBT 50129—2011砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)砌筑試件。

1.2 具體方案

1)砌體抗壓試驗(yàn)。完成砌體試件制作后，澆水養(yǎng)護(hù)28 d，對砌體試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)之前，先對砌體試件尺寸進(jìn)行測量，確定承壓面大小。試驗(yàn)在SHT4106微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，并讀取壓力荷載值。

2)砌體壓剪試驗(yàn)。試驗(yàn)采用與砌體抗壓試驗(yàn)中相同的砌筑方式的試件。根據(jù)砌體抗壓試驗(yàn)結(jié)果及σy/fm比值的不同(σy為砌體豎向壓應(yīng)力，fm為砌體抗壓強(qiáng)度平均值)，分為7組試驗(yàn)，每3個(gè)為1組，進(jìn)行壓剪試驗(yàn)。試驗(yàn)采用裝置如圖2所示，試驗(yàn)步驟如下：

a.垂直施加載荷。原理是利用預(yù)置式扭矩扳手將扭矩轉(zhuǎn)換為拉力，通過螺栓和夾板對試件施加垂直載荷。

b.施加剪切載荷。將試件置于試驗(yàn)機(jī)上，通過參照砌體雙剪試驗(yàn)，置放墊塊；利用細(xì)砂確保試件與試驗(yàn)機(jī)物理對中；加荷方法選用勻速加載方式。試件破壞時(shí)，記錄試件破壞特征并讀取試件抗剪承載力值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砌體抗壓試驗(yàn)

由圖3所示，在試件破壞時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的裂紋，呈粉碎性破壞，可以說材料強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，因此試驗(yàn)結(jié)果要優(yōu)于規(guī)范值，并且隨砂漿灰縫厚度增大砌體試件的抗壓強(qiáng)度將會(huì)減小(見圖4)。

2.2 砌體壓剪復(fù)合試驗(yàn)

壓剪試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中，fm為砌體的抗壓強(qiáng)度；fv為砌體的抗剪強(qiáng)度。從圖中可看出，根據(jù)σy/fm比值的不同，分為0～0.4，0.4～0.68和0.68～1.0三個(gè)區(qū)間，分別對應(yīng)剪摩、剪壓和斜壓三種破壞形式。砌體的破壞準(zhǔn)則受砌體灰縫的厚度的影響并不十分的明顯。

3 模型的數(shù)值分析

DP準(zhǔn)則是VonMises的修正準(zhǔn)則，也是Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的近似。它可由粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ以及膨脹角幾個(gè)參數(shù)確定。具體參數(shù)由試驗(yàn)確定或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。由該試驗(yàn)可以確定：c=0.54 MPa，φ=60.57°，膨脹角取0。

為說明砌體等效體積單元 RVE的破壞準(zhǔn)則能夠適用于砌體結(jié)構(gòu)之中，根據(jù)本文試驗(yàn)選取砌筑方式(見圖1a))，通過選取1片縮尺墻體進(jìn)行的偽靜力壓剪試驗(yàn)(見圖6)，并建立如圖7所示的數(shù)值模型進(jìn)行分析對比。

具體：根據(jù)試驗(yàn)所得骨架曲線與砌筑試件對應(yīng)的DP準(zhǔn)則賦予有限元模型所得結(jié)果進(jìn)行對比(見圖8)。從圖中可看出計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明砌體壓剪復(fù)合試驗(yàn)確定單元完整破壞準(zhǔn)則的參數(shù)，通過有限元模型能夠很好的用于砌體結(jié)構(gòu)之中。

4 結(jié)語

1)在一定范圍內(nèi)，砌體試件的抗壓性能隨砂漿灰縫的增大而減小；

2)由壓剪試驗(yàn)結(jié)果可以看出，砌體RVE的破壞準(zhǔn)則受砌體灰縫的厚度的影響并不十分的明顯；

3)砌體RVE的破壞準(zhǔn)則能夠較好的適用于砌體結(jié)構(gòu)之中。

[1]熊 峰,應(yīng)付釗.非線性有限元法分析預(yù)應(yīng)力砌體墻結(jié)構(gòu).四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2000,32(3):16-20.

[2]苗吉軍,顧祥林,張偉平,等.地震作用下砌體結(jié)構(gòu)倒塌反應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算分析.土木工程學(xué)報(bào),2005,38(9)：150-152.

[3]L.Gambarotta,S.Lagomarsino.Damage models for the seismic response of brick masonry shear walls.Part I:the mortar joint model and its applications.Earthquake Engineering And Structural Dynamics,1997(26):423-439.

[4]M.Mistler,A.Anthoine,C.Butenweg.In-plane and out-of-plane homogenisation of masonry.Computers and Structures,2007,85(1-4):1321-1330.

[5]JGJ 82—2011，鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程.

[6]DRUCKER D C,PRAGER W.Solid mechanics and plastic analysis or limit design.Quarterly of Applied Mathematics,1952,10(2):157-165.

[7]李英民,韓 軍,劉立平.ANSYS在砌體結(jié)構(gòu)非線性有限元分析中的應(yīng)用研究.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(5):90-96.

The research and application about Representative Volume Element in selection of masonry★

Ji Zheng

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

This paper analyzed the applicability of Representative Volume Element(RVE) in masonry, using the combining method with the test and numerical simulation, through the masonry compression and shear pressure test, verified the effect applied the RVE unit complete failure criterion in masonry structure, solved the applicability problem of RVE.

masonry, failure criterion, Representative Volume Element， test, finite element

1009-6825(2015)01-0037-02

2014-10-24 ★：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：51208300)

紀(jì) 政(1989- )，男，在讀碩士

TU362

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