块型多孔砖砌体抗压强度的理论模型

块型多孔砖砌体抗压强度的理论模型

0非烧结多孔砖砌体抗压强度中国的墙材料创新政策已经实施多年。不同类型的材料和不同类型的块的非燃烧混凝土材料有多种。由于多孔砖的砌筑符合我国施工习惯,竖向灰缝容易饱满,墙体保温隔热性能较同类实心砖好,因而受到广泛的欢迎。然而,我国现行《砌体结构设计规范》(GB50003—2001)中尚未纳入非烧结多孔砖砌体,影响了非烧结多孔砖的应用。目前,非烧结多孔砖砌体的抗压强度研究局限于对试验结果的统计分析,如混凝土多孔砖砌体抗压强度研究、蒸压粉煤灰砖砌体抗压强度研究和蒸压灰砂砖砌体抗压强度研究。尽管进行了大量的试验研究,但由于块体块型种类繁多,块型(块材尺寸、孔洞率、孔洞的大小和分布等)对砌体抗压强度影响很大,试验统计所得到的结果不能全面反映实际工程的全部情况。本研究通过对混凝土多孔砖砌体的验证性试验,建立一个基于有限元分析的砌体抗压强度理论估值模型,用该模型确定原材料、多孔砖尺寸和孔洞率对砌体抗压强度的影响规律,最后与大量试验结果进行比较分析,得到各类非烧结多孔砖砌体的抗压强度计算公式。1多孔砖体抗压强度理论评价模型1.1抗压强度及试件结构为了研究块型的影响,采用同一盘原材料(混凝土掺少量粉煤灰)、在相同成型机具上制作出不同块型的块材(图1),并采用相同环境进行自然养护28天后进行试验。试验结果表明,混凝土立方体试块的抗压强度平均值为13.2MPa(变异系数0.18),A、B、C三种块材的抗压强度平均值分别为17.5MPa、12.3MPa、12.8MPa。砌体抗压强度试件分别由A、B、C三组块材和同盘砂浆砌筑,砂浆强度等级为8.18MPa(变异系数0.142),砌体试件尺寸除C组为240mm×400mm×700mm外,其他两组为240mm×370mm×720mm。每组6个试件,试验按照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GBJ129—90)进行,三组试件的砌体抗压强度平均值ftm分别为5.20MPa、4.89MPa、4.53MPa。1.2体喷洒比对体为了模拟分析上述试验,采取如下基本假设:(1)块材实体及砂浆为连续、均匀的弹性介质;(2)砌体受压试件受到试验机上、下压板摩擦力约束,上、下表面节点无水平位移;(3)材料具有弹-脆性性质,应力-应变关系如图2所示;(4)砂浆在砌体中处于三向受压状态。在最大主拉应力处首先出现开裂,且一旦开裂,即认为砌体破坏。尽管上述假定有一定误差,但用于评估块型对抗压强度的影响是可行的。1.3受试件最大主应力将多孔砖砌体看成是多孔砖的实体部分与水平和竖向灰缝连接而成,多孔砖砌体受压标准试件的单元采用solid65六面体单元,与试验机压板接触的试件上下边界节点无水平位移。根据试验结果,试验用砖的混凝土弹性模量和泊松比分别取1.95×104N/mm2和0.167,砌筑砂浆的弹性模量和泊松比分别取1.65×104N/mm2和0.20。在受压试件顶面按毛面积作用单位均布面荷载,将该荷载等效为节点集中力后,利用ANSYS分析软件进行分析,可得到各单元内的最大主应力σ1、σ2和σ3,受压试件的最大主应力σ1云图如图3所示。从图3中可以看出,最大主拉应力一般位于竖向灰缝同一直线上,即随着竖向荷载的增加,最先出现开裂的是位于竖向灰缝同一直线上的砖内,这与试验的开裂过程是完全相符合的,也反映出基本假定(4)是合适的。1.4i-sluson二轴抗压强度的准则试件在竖向压力作用下,多孔砖内部的微元体上的应力状态为T/T/C(拉/拉/压)三向受力状态,3个主应力σ1>0、σ2>0、σ3>0,且σ2通常很小,可以忽略不计,因此可以采用二轴破坏准则。混凝土在复杂应力状态下的破坏准则有很多,最简单的是Tasuji-Slate-Nilson二轴破坏准则(图4),尽管这种破坏准则的精度较差,会低估强度,但是本文的目的是为了研究块型对砌体抗压强度的影响规律,其精度是可以接受的。由于砌体受压时,砂浆通常处于三向受压受力状态,砌体的破坏通常是由于砖的受拉开裂破坏。块体在T/C(拉/压)应力状态下(图4中CD段),其破坏准则为σ1=11-ftfcσ3σ1ft(1)σ1=11−ftfcσ3σ1ft(1)由于块体受压开裂后,砌体并未达到其极限荷载,因此,基本假定(3)与实际情况有较大差别,故在式中引入修正系数ξ进行调整σ1=11-ξftfcσ3σ1ft=11-ksft(2)σ1=11−ξftfcσ3σ1ft=11−ksft(2)式中,k为系数,k=ξftfck=ξftfc;s为主压应力和主拉应力的比值,s=σ3σ1s=σ3σ1;ft为砖原材料单轴抗拉强度。1.5砌体抗压强度的测试值在砌体试件顶面作用单位压应力(毛截面)时,采用ANSYS分析软件,可以找出试件中多孔砖内最大主拉应力σ1的最大值,记为σtmax,以及相应的主应力值σ2、σ3,见表1。受压砌体试件随着压应力的增加,砖内的主应力不断增大。由基本假定(3)和(4)可知,当砖内最大主拉应力达到公式(2)的破坏准则时,砌体试件破坏,若砌体试件顶面的毛截面应力为fcm,则由式(2)得σ1=fcmσtmax=11-ksft即fcm=11-ksftσtmax(3)事实上,由于fcm为砌体破坏时试件顶面的毛截面应力,则fcm即为砌体抗压强度理论值。用验证性试验的砌体抗压强度试验值ftm代替式(3)中的fcm,便得到k=(1-ftσtmaxftm)/s(4)将验证性试验中块材原材料强度、砌体受压试件抗压强度试验值ftm及表1中有限元分析结果代入式(4)便可以得到砌体抗压强度的修正系数k。根据三组共18个砌体试件的强度修正系数k,统计出砌体抗压强度修正系数平均值为k=0.040(变异系数为0.06)。因此,对于任意块型的砌体,只要确定了块材和砂浆材料强度,其抗压强度可以根据ANSYS有限元分析求出σtmax及相应的σ3,利用试验统计得到的修正系数k=0.040及式(3),便可估算到砌体的抗压强度。2影响共沉体抗压强度的因素2.1砌体抗压强度块体尺寸对砌体抗压强度有很大的影响:块体越高,抵抗砂浆的横向变形所产生的拉应力的能力越强,或者抵抗由于砂浆不饱满及砖的尺寸不规则在单砖内所产生的拉、弯、剪复杂应力的能力越强,砌体抗压强度越高;块体长度(宽度)越长(宽),砌体中砂浆对横向变形对单砖竖向截面所产生的拉应力越大,或者由于砂浆不饱满及砖的尺寸不规则在单砖内所产生的拉、弯、剪复杂应力越大,砌体抗压强度越低。将块材尺寸对砌体抗压强度的影响用块体尺寸影响系数ψd来表示,定义为ψd=fm‚1fpm(5)式中,fpm为混凝土普通砖砌体抗压强度;fm,1为与混凝土普通砖砌体相同强度等级的砖和相同强度等级的砂浆砌筑的不同块材尺寸的实心砖砌体抗压强度。我国常用的多孔砖的外形尺寸l×b×h主要有240×115×90、240×115×115、240×115×175、240×60×115、240×90×115、240×175×115、90×115×90、115×115×90、175×115×90、240×240×90、190×90×90等11种。本研究用强度等级为MU10的11种实心块材分别与M8.18混合砂浆(同验证性试验)砌筑成砌体受压标准试件(砌体试件尺寸尽可能接近240mm×370mm×720mm)作为强度分析对象,采用砌体抗压强度估值模型可以估算出不同块材尺寸实心砖砌体的抗压强度值fcm以及相应的块体尺寸影响系数ψd。将11种块材的ψd进行回归,得到ψd=a+b√h+7l+b其中,a=-0.125,b=2.85,统计相关系数为0.89。为简化起见,上式取为ψd=2.6√h+7l+b(6)该式计算值与分析值的比值平均为1.011,散点分布与曲线如图5所示。2.2抗压强度影响系数fcpm我国砌体结构设计规范对多孔砖砌体的抗压强度均按毛截面来计算,而多孔砖在砌体内的应力分布与实心砖完全不同,即多孔砖的净截面抗压强度不等于实心砖的抗压强度。为了研究孔洞率对砌体的抗压强度的影响,将孔洞率对砌体抗压强度的影响用孔洞率影响系数ψk来表示,可以定义ψk=fcpmfpm=fm‚2ψdfpm(7)式中,fpm为混凝土普通砖砌体抗压强度;fcpm为扣除尺寸影响后的混凝土多孔砖砌体抗压强度,fcpm=fm‚2ψd;fm,2为与混凝土普通砖砌体相同强度等级的混凝土多孔砖及相同强度等级的砂浆砌体的抗压强度。我国常见的承重多孔砖的块型和孔型如表2所示。用MU10混凝土多孔砖和M8.18混合砂浆砌筑砌体的抗压强度值fm,2可根据前述砌体抗压强度估值模型计算,由此得到孔洞率对砌体抗压强度影响系数ψk,见表2。由表2中结果,可以统计出多孔砖砌体孔洞率对抗压强度影响系数如式(8),该式与理论推测值的关系如图6所示。ψk=1.074-0.73δ(8)式中,δ为多孔砖孔洞率。2.3抗压强度计算方法采用不同原材料制作的普通砖砌体抗压强度的比较来分析原材料对非烧结多孔砖砌体抗压强度的影响。制砖的原材料对砌体的抗压强度的影响可用原材料影响系数ψm来表示ψm=fpmfbm(9)式中,fbm为烧结普通砖砌体抗压强度,根据我国规范取fbm=0.78√f1(1+0.07f2)k2;fpm为非烧结普通砖砌体的抗压强度,本文中取试验值;f1、f2分别为烧结普通砖和砌筑砂浆的强度等级;k2为砂浆强度等级较低或较高时对砌体抗压强度的修正系数。30个不同强度等级砂浆砌筑的蒸压粉煤灰普通砖砌体轴心受压试验结果表明,粉煤灰普通砖砌体抗压强度试验值与相同强度等级的烧结普通砖及相同强度等级砂浆砌筑的砌体抗压强度值的比值平均为1.03,即原材料影响系数平均为ψm=1.03。湖南大学、重庆建筑科学研究所及长沙市建筑科学研究所的181个蒸压灰砂普通砖砌体受压试件的试验结果表明,蒸压灰砂普通砖砌体的抗压强度当砂浆以灰砂砖做底模时,砌体受压试件的原材料影响系数平均为ψm=0.998。湖南农业大学的6个混凝土普通砖砌体抗压试件的原材料影响系数平均为ψm=1.040,郑州大学18个混凝土普通砖砌体抗压试件的的原材料影响系数平均为ψm=0.91。因此,对与蒸压粉煤灰砖砌体、灰砂砖砌体和混凝土砖砌体,其抗压强度的材料影响系数可近似取ψm=1.0。3bm.10结果分析通过以上理论推导和分析,可以得出各种不同原材料、不同块型的非烧结多孔砖砌体抗压强度平均值可用烧结普通砖砌体抗压强度平均值计算公式来表示fm=ψdψkψmfbm=ψdψkfbm(10)文中收集了众多非烧结多孔砖砌体抗压强度试验结果,将其与式(10)进行对比分析,分析结果表明:(1)493个灰砂多孔砖砌体试件的试验值与按式(10)的计算值的比值平均为1.011;(2)144个混凝土多孔砖砌体试件的试验值与按式(10)的计算值的比值平均为1.197;(3)长沙理工大学、重庆大学和沈阳建筑大学进行了30个蒸压粉煤灰多孔砖砌体抗压强度试验(表3),其试验值与按式(10)的计算值的比值平均为1.093。从667个非烧结多孔砖砌体抗压强度试验结果可以看出,式(10)的计算值与试验值符合良好。4砌体抗压强度通过以上分析,可以得到如下结论:(1)基于验证性试验修正的Tasuji-Slate-N