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高宽比对土坯砌体破坏模式的影响

时间:2020-09-27    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大


高宽比对土坯砌体破坏模式的影响
单 梦 阿 ,刘 伟 佳
( 新 疆 大 学 建 筑 工 程 学 院 ,新 疆 乌 鲁 木 齐 830047 )
摘 要 :为 了 研 究 不 同 高 宽 比 的 土 坯 墙 体 的 破 坏 模 式 ,在 试 验 研 究 与 有 限 元 模 拟 的 基 础 上 ,得到
了 不 同 高 宽 比 下 土 坯 墙 体 的 破 坏 机 理 与 破 坏 模 式 .对 比 分 析 了 不 同 高 宽 比 对 墙 体 的 承 载 力 、延 性 、
刚 度 等 抗 震 性 能 的 影 响 .结 果 表 明 :高 宽 比 0. 5 曑 A 曑 1. 2 时 ,墙 体 发 生 合 理 的 剪 切 型 破 坏 ;高宽比
1. 2 曑 A 曑 1. 5 时 ,墙体发生沿 水 平 截 面 的 剪 摩 破 坏 .研 究 结 果 对 于 土 坯 墙 体 的 抗 震 设 计 具 有 一 定
的参考意义.
关 键 词 :土 坯 墙 体 ;高 宽比;有 限 元 分 析 ;破坏模式
中图分类号:T U 311 文 献标志码:A 文 章 编 号 :2095 3550(2017)03 0017 04
Study on influence of aspect ratio on adobe masonry
S H A N M eng,e , L IU Weijia
( Architectural Engineering Institue, Xinjiang University,
Urum qi, Xinjiang 8 3 0 0 4 7, China )
Abstract:In order to study the failure modes of adobe walls with different aspect ratios, the fail
ure mechanism and failure
modes of adobe walls with
different
aspect ratios are
obtained
on the
basis of experimental investigations and finite element simulations. The influences of different
aspect ratios on
the
bearing capacity, ductility,
stiffness
and
other seismic performances of the
wall are compared and analyzed. The results show that when the ratio of height to width is be
tween 0.5 to 1.2, the shear failure of the wall occurs reasonably. When the aspect ratio is be
tween 1.2 to 1.5, the shear failure of
the
wall
occurs along the horizontal section. The research
results have certain reference significance for the seismic design of adobe wall.
Key words : adobe wall ; aspect ratio ; finite element analysis; failure mode
新 疆 地 处 我 国 西 北 ,其 生 土 建 筑 已 有 很 久 的 建
造 历 史 .此 类 建 筑 本 身 有 很 大 的 优 点 (如 取 材 方 便 ,
且 造 价 低 廉 、环 保 、保 温 隔 热 等 )[12],并且与当地的
环 境 、民 族 文 化 、风 俗 习 惯 相 得 益 彰 . 目 前 ,生土房
屋在新疆农村各地区的建筑房屋中占很大的比例,
收稿日期 : 2017 07 16
基金项目:国家自然科学基金项目:钢丝网水泥砂浆加固土坯墙
体纵横墙连接效应试验研究(1468060)
作 者 简 介 :单 梦 阿 ,男 ,河 南 南 阳 人 ,硕 士 研 究 生 ,研究 方向为
生土建筑抗震加固 .
E - ma il: 546084768@ qq. com
但 是 由 于 土 坯 的 强 度 比 较 低 ,房 屋 的 延 性 较 差 ,一
旦 发 生 地 震 ,震害十分 严 重 [3].
我 国 现 行 国 家 标 准 《建 筑 抗 震 设 计 规 范 》主要
是 针 对 城 市 建 筑 ,抗 震 技 术 规 程 中 关 于 村 镇 建 筑 仅
做 了 少 量 的 一 般 性 规 定 .虽 然 ,国 外 学 者 很 早 就 对
生 土 建 筑 进 行 了 研 究 ,并 且 做 了 大 量 的 试 验 和 震 害
调 研 ,取 得 了 一 定 的 成 果 ,制 定 了 生 土 建 筑 的 使 用
手册和建造规程48].但由于试验条件有限和试验
件 数 的 限 制 ,很 难 反 映 墙 体 的 材 料 、高 宽 比 、洞口尺
寸 、竖 向 荷 载 等 因 素 对 墙 体 破 坏 形 态 的 影 响 .国 内
李 英 民 、韩 军 、李 立 平 等 学 者 ,用 A N S Y S 软件对砌18
江苏建筑职业技术学院学报
第 1 7 卷
体 结 构 模 型 的 破 坏 准 则 、收 敛 准 则 、本 构 关 系 等 参
数 设 置 进 行 了 试 验 研 究 ,并 进 行 了 试 验 验 证 ,证明
了 A N S Y S 建 模 的 合 理 性 ,可 以 用 来 分 析 砌 体 结 构
极 限 承 载 力 、裂 缝 发 展 情 况 等 . 本 文 通 过 试 验 和
A N S Y S 有 限 元 软 件 ,建 立 不 同 高 宽 比 下 的 土 坯 墙
体 有 限 元 模 型 ,进 行 有 限 元 弹 塑 性 分 析 ,并 对 墙 体
的破坏形态进行研究.
1 试验概况
1 1 试件制作
试 验 采 用 1 梄3 缩 尺 ,墙 体 模 型 的 尺 寸 为
1 200 mm X 900 m m X 150 m m ,高宽比 A 为 0. 75,
土块尺寸 150 m m X 70 m m X 50 m m (1 梄 2 缩 尺 ).
土 块 制 作 过 程 中 ,按 比 例 加 入 0. 5 % 长 度 约 为
20 m m 的 稻 草 . 土 块 采 用 湿 法 制 作 ,并 在 室 温 下 养
护 28 d. 土 坯 墙 体 采 用 一 顺 一 丁 的 砌 筑 方 法 砌 筑 于
钢 筋 混 凝 土 底 座 上 ,试验过 程 的 泥 浆 现 场 搅 拌 .
1 2 加载制度
试 验 加 载 装 置 参 考 《建 筑 抗 震 试 验 方 法 规 程 》
(J G J 101— 9 6 ) 9]中 的 规 定 ,对 土 坯 墙 体 进 行 低 周 往
复 荷 载 作 用 下 的 拟 静 力 试 验 . 在 土 坯 墙 体 顶 部 ,用
油 压 千 斤 顶 施 加 竖 向 荷 载 ,并 通 过 钢 性 分 配 梁 ,将
集中荷载转化为均布荷载.液压伺服作动器施加水
平 荷 载 ,采 用 位 移 控 制 .为 了 减 少 弯 矩 的 影 响 ,通过
L 型 钢 筋 混 凝 土 加 载 梁 ,使 加 载 位 置 位 于 墙 体 中
部 ,这 样 可 以 减 少 一 半 弯 矩 作 用 ,试 验 装 置 如 图 1
所 示 . 根 据 实 际 试 验 情 况 进 行 实 时 调 整 加 载 步 数 ,
当 荷 载 下 降 到 极 限 荷 载 8 5 % 左 右 ,或者滞回曲线出
现 明 显 不 稳 定 时 ,认 为 试 件 破 坏 ,终止试验.
2 试验现象与结果
本 试 验 先 在 墙 体 顶 部 施 加 竖 向 荷 载 ,然后逐级
施 加 水 平 位 移 .试 验 墙 体 从 最 初 加 载 到 试 件 破 坏 ,
经 历 了 弹 性 阶 段 、弹 塑 性 阶 段 、最 终 破 坏 ,墙体出现
了 剪 切 破 坏 特 征 .位 移 3 m m 时墙体出现第 1 条裂
缝 ,位 移 5 m m 时 裂 缝 普 遍 幵 展 .随 着 位 移 的 增 加 ,
不 断 出 现 新 的 裂 缝 并 幵 展 .位 移 加 载 至 8 m m 时墙
体 出 现 较 多 的 裂 缝 ,但 是 未 贯 通 .加 载 至 12 m m 时 ,
墙 体 局 部 裂 缝 贯 通 ,形 成 主 裂 缝 . 14 m m 时交叉裂
缝 严 重 破 坏 ,墙 体 表 面 土 皮 脱 落 . 位 移 加 载 至
16 m m 时 ,墙 体 角 部 土 块 严 重 压 碎 、表 面 脱 落 增 加 ,
此 时 荷 载 已 下 降 至 极 限 荷 载 的 8 5 % 左 右 ,结 束 试
验 ,墙 体 破 坏 状 态 如 图 2 所 示 .墙 体 试 验 过 程 的 滞
回 曲 线 ,如 图 3 所 示 .骨 架 曲 线 ,如 图 4 所示.
图 2
墙体裂缝
Fig. 2 Wall crack
位 移 / mm
图 3
滞回曲线
Fig. 3 Hysteretic curve
在 幵 始 加 载 阶 段 ,滞 回 环 的 面 积 比 较 小 ,滞回
曲 线 接 近 于 直 线 ,墙 体 处 于 弹 性 阶 段 .随 着 荷 载 的
增 加 ,墙 体 裂 缝 的 发 展 ,刚 度 有 明 显 下 降 ,骨架曲线
有 明 显 的 转 折 点 ,滞 回 环 面 积 增 大 ,曲 线 呈 反 S 型 ,
有 “捏 缩 ”效 应 ,说 明 墙 体 产 生 了 一 定 的 滑 移 .达 到
破 坏 阶 段 时 ,滞 回 曲 线 和 骨 架 线 幵 始 下 降 .最 终 ,墙第 3 期
单 梦 阿 ,等 : 高 宽 比 对 土 坯 砌 体 破 坏 模 式 的 影 响
19
体 的 破 坏 特 征 为 剪 切 破 坏 ,往 复 推 拉 使 墙 体 形 成 X
型的裂缝.
3 模拟试验过程并对比
3 . 1 模型建立
考虑土坯材料的非线性与各向异性幵裂和压碎
的 特 点 ,采 用 A N S Y S 中 的 SOLID65单元模拟素土
坯墙体 .将土块与泥浆 砌 筑 的 墙 体 看 为 连 续 性 的 介
质 ,采用整体式建立模型 .模型尺寸与试验一致,墙体
的有限元模型,如 图 5 所示 .钢性梁的弹性模量 (E X )
取 2 X 108 M Pa,泊松比 (P R )取 0. 2. 土坯的弹性模量
为 1 35 X 107 P a,泊 松 比 (P R )为 0. 3. 土坯墙体的本
构关系根据新疆大学阿肯江•托呼提的研究成果,用
其得到的砌体材料的应力—— 应变关系 [10].
图 5
有限元模型
Fig. 5 Finite element model
土 坯 墙 体 采 用 多 线 性 随 动 强 化 材 料 模 型
K IN H ,裂 缝 张 幵 剪 应 力 传 递 系 数 为 0. 0 7 5 , 裂缝闭
合 剪 应 力 传 递 系 数 为 0. 5.砌 体 墙 体 在 非 线 性 计 算
时 参 考 混 凝 土 的 破 坏 准 则 ,也 采 用 William -
W arnkew 五参数破坏准则.
3 . 2 数值计算
模 拟 墙 体 试 验 过 程 ,有 限 元 数 值 计 算 荷 载 分 两
个 荷 载 步 施 加 ,首 先 施 加 竖 向 荷 载 ,在 此 基 础 上 ,采
用 位 移 控 制 加 载 水 平 荷 载 ,在 加 载 梁 中 心 施 加 水 平
荷 载 ,每 级 加 载 为 1 m m .计算的收敛准则以力为
主 、以 位 移 为 辅 ,进 行 有 限 元 数 值 计 算 .数 值 计 算 结
果 ,如 图 6 所示.
通过对比试验与有限元分析得到的裂缝图和
骨 架 曲 线 可 知 ,数 值 计 算 结 果 和 试 验 结 果 较 好 地 吻
合 ,说 明 整 体 式 有 限 元 模 型 符 合 客 观 实 际 ,能够用
于分析土坯砌体结构.
4 不同尺寸的有限元模型
通 过 A N S Y S 软 件 建 立 整 体 模 型 ,选 用 块 体 建
立 整 个 墙 体 . 同 一 厚 度 ,分 别 建 立 高 宽 比 为 0. 5 、
0. 7 5、1. 0 、1. 2 、1. 5 的土坯墙体的有限元模型 .在模
型 底 部 施 加 固 结 的 边 界 条 件 ,然 后 在 加 载 梁 顶 面 竖
向 施 加 相 同 的 压 应 力 .在 此 基 础 上 ,施 加 水 平 荷 载 ,
进行数值计算.
图 6
裂缝和骨架曲线 a = 0.75)
Fig. 6 Fracture and skeleton curvesl
4 . 1 裂缝形态
在 相 同 的 轴 压 比 下 ,采 取 相 同 的 加 载 方 式 ,
得 到 各 墙 体 的 破 坏 形 态 ,如 图 7 所 示 . 通 过 观 察
各墙体达到极限荷载时的裂缝分布图以及变形
图 可 知 ,当 高 宽 比 在 1. 2 以 下 时 ,墙 体 从 顶 部 与
底 部 的 角 点 处 产 生 裂 缝 ,并 且 裂 缝 向 上 延 伸 最 终
形 成 两 条 斜 裂 缝 (即 “X ”裂 缝 ) 当 高 宽 比 在 1. 2
以 上 时 ,墙 体 顶 部 与 底 部 土 体 破 坏 ,导 致 墙 体 破
坏 ,或 者 墙 体 的 滑 移 . 故 高 宽 比 为 0. 5 曑 A < 1. 2
时 墙 体 裂 缝 呈 现 典 型 的 X 裂 缝 ,为 剪 切 破 坏 ;
1. 2 曑A 曑 1. 5 时 ,墙 体 在 顶 部 和 底 部 出 现 大 量
裂 缝 ,即 沿 水 平 截 面 的 滑 移 破 坏 .20
江苏建筑职业技术学院学报
第 1 7 卷
图 7
各墙体的裂缝
Fig. 7 Cracks of each wall
4 2 承载力
计 算 有 限 元 模 型 的 幵 裂 荷 载 、极 限 荷 载 和 相 应
的幵裂位移;以及反映结构弹塑性变形能力的延性系
数 和侧移角,见 表 1.可知 土 坯 砌 体 具 有 一 定 的 延 性 ,
随着墙体高宽比的增加,墙体的有限元模型由于裂缝
幵 展 较 大 ,不易收敛 .且承载力和刚度有所减少 .
表 1
墙体荷载值与变形
Tab. 1 Load value and deformation of wall
高宽比
开裂荷载 /
极限荷载 /
极限位移 /
kN kN m m
延性
系数
侦IJ移角
0. 50
9. 86
1 8.67
14
7 .5 2
0 .0 2 3
0. 75
9. 75
18.56
16
6 .3 4
0 .0 1 8
1. 00
7. 23
1 6.43
12
7 .1 2
0 .0 1 2
1. 20
6. 29
1 4.88
11
4 .6 7
0.0 0 9
1. 50
5. 84
12.65
5 结论
本 文 在 试 验 研 究 的 基 础 上 ,建 立 有 限 元 数 值 模
型 扩 展 分 析 ,分 析 不 同 高 宽 比 下 土 坯 墙 体 的 破 坏 模
式 ,得 到 砌 体 设 计 合 理 的 取 值 范 围 .结 论 如 下 :
1) 土 坯 砌 体 在 水 平 地 震 作 用 下 ,其与砖墙体具
有 相 似 的 破 坏 特 征 . 比 较 明 显 的 出 现 斜 裂 缝 ,并且
不 断 延 伸 扩 展 ,最 终 形 成 X 交 叉 裂 缝 ,呈 现 剪 切 破
坏.
2) 土 坯 墙 体 的 高 宽 比 0. 5 曑 A 曑 1. 2 时 ,其
破 坏 特 征 为 剪 切 破 坏 ;高 宽 比 为 1. 2 曑 A 曑 1. 5
时 ,墙 体 发 生 沿 水 平 截 面 的 滑 移 破 坏 .
3) 高宽比对土坯墙体的承载力和刚度的影响
规律与砖墙体基本一 ^致,随 着 高 宽 比 的 增 加 ,其承
载力和刚度逐渐减小.
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(编 辑 :司元雷)

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