混凝土多孔砖墙体裂缝控制的相关力学性能研究

论文摘要

随着我国墙体材料改革和节能措施的贯彻执行,各种新型墙体材料的出现极大地促进了现代建筑结构的发展,其中的混凝土(砼)多孔砖材料已成为我国大力发展替代粘土制品的主导产品之一。但是,阻碍混凝土多孔砖发展的最突出问题就是墙体的裂缝。裂缝是固体材料中的某种不连续现象。大量的工程事故告诉我们,土木工程建筑结构的破坏和倒塌往往都是从裂缝的扩展开始的,而且建筑高能耗的原因也常常是由于某些裂缝的存在。可见,研究墙体裂缝控制相关的材料力学性能在土木工程领域具有重要的现实意义。几乎所有的墙体在加载以前都存在微裂缝。裂缝的存在不仅仅降低了墙体的质量,如整体性,耐久性和抗震性能,还给居住者在感观上和心理上造成不良影响。而且,通过对比新颁布的砌体结构设计规范(GB50003—2001)与原规范,我们发现,新规范不仅在裂缝控制措施上增加了许多具体内容,而且对裂缝的控制更加严格,这充分说明墙体裂缝问题已引起国家相关主管部门的高度重视。因此,正确分析墙体裂缝的产生机理,明确裂缝开裂的临界状态,不同裂缝成因下墙体的受力状态,加强混凝土制品墙体的抗裂措施,已成为国家行政主管部门、本领域专家学者、以及房屋开发商、建筑商共同关注的课题。本论文正是在此背景下,在建立混凝土多孔砖墙体的本构关系、确定混凝土多孔砖墙体的弹性模量基础上,将复合材料力学和线弹性断裂力学的基本理论应用于墙体的裂缝控制研究中,运用复合材料力学的修正剪滞理论,结合能量法则推导出了混凝土多孔砖墙体的等效断裂参数的计算模型,建立了墙体开裂的断裂判据。并对墙体的变形裂缝—干燥收缩裂缝进行了可靠度计算,同时进行了相关的力学性能试验。本文的主要成果有:1、系统的介绍了砌体结构的本构关系,建立了混凝土多孔砖墙体的本构关系。对混凝土多孔砖墙体进行了应力—应变全曲线的测定试验,通过实验数据的线性回归,利用最小二乘拟合法,得到了两种不同形式的混凝土多孔砖墙体本构关系数学表达式。2、确定了混凝土多孔砖墙体的弹性模量。自行设计了更加符合混凝土多孔砖真实受力性能的墙体及墙体材料(混凝土多孔砖、砂浆)的弹性模量的试验测定方法。并从试验统计资料、混凝土多孔砖墙体受压本构关系及由多孔砖、砂浆的弹性模量等三个方面得到了墙体的弹性模量。可以看出,从试验统计资料得到的计算结果与试验结果、现行规范的取值更加吻合;而由多孔砖、砂浆的弹性模量得到的结果有利于利用混凝土多孔砖墙体材料的力学性质深入研究墙体的受力性能及开裂、破坏机理。3、从断裂力学的角度出发,提出了混凝土多孔砖墙体的等效断裂参数的实用解析模型。根据线弹性断裂力学和复合材料力学的基本原理,运用修正的剪滞理论,分区引入变异层,建立了分层剪滞模型;由能量法则推导出了求解无筋墙体等效断裂参数的解析计算模式;通过相关试验获得的数据,利用有限元分析方法,得到了对应数值解的解析解,且与相关试验对应的数值解相比,解析解的均方差和变异系数更小,由此可以看出,本文的解析方法具有很好的鲁棒性。结果还证明了无筋墙体等效断裂参数是与试件尺寸无关的断裂参数。4、建立了混凝土多孔砖墙体干燥收缩性能的计算模型。对特定条件下混凝土多孔砖墙体进行了连续60天(d)的干燥收缩变形试验,分析了砌筑砂浆、龄期、混凝土多孔砖初始含水率、相对湿度和温度对混凝土多孔砖墙收缩的影响,并提出了标准养护条件下及非标准养护条件下混凝土多孔砖墙收缩率的估算公式,同时进行了足尺寸墙片的干缩试验,并在此基础上提出了墙体的防裂措施,研究结果可为混凝土多孔砖在我国北方工程中的应用提供参考依据。5、在试验的基础上,提出了一种基于干燥收缩变形抗裂性能的可靠度计算方法。结合相关试验结果,给出了较为合理的收缩应力与变形的取值方法,得到了位移和应力的变化规律,从定量角度考虑了其抗裂效果,明确了干燥收缩值及其影响因素的概率特性,建立了砼多孔砖墙体在干燥收缩作用下的正常使用极限状态方程,从强度条件和线弹性断裂力学的断裂判据两个角度对墙体的变形裂缝进行了可靠度评估,给相关结构设计规范提供了一个有益补充。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 工程背景和选题意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 结构断裂可靠性分析的发展概况
• 1.3.1 断裂力学的发展概况
• 1.3.2 砌体断裂力学的发展现状
• 1.3.3 结构可靠性分析的发展概况
• 1.4 本论文的研究内容
• 第2章 混凝土多孔砖墙体的本构关系
• 2.1 引言
• 2.2 砌体本构关系的表达式
• 2.2.1 单轴受压的砌体本构关系表达式
• 2.2.2 不同水平灰缝倾角的砌体本构关系表达式
• 2.2.3 周期加载下砌体本构关系的表达式
• 2.3 砌体受压本构关系曲线
• 2.4 混凝土多孔砖墙体本构关系试验
• 2.4.1 混凝土多孔砖墙体材料简介
• 2.4.2 混凝土多孔砖墙体本构关系试验
• 2.4.3 混凝土多孔砖墙体本构关系表达式
• 2.5 本章小结
• 第3章 混凝土多孔砖墙体及墙体材料弹性模量取值研究
• 3.1 引言
• 3.2 由试验统计资料推导墙体及墙体材料弹性模量
• 3.2.1 混凝土多孔砖墙体弹性模量
• 3.2.2 混凝土多孔砖的弹性模量
• 3.2.3 砂浆的弹性模量
• 3.3 由墙体受压本构关系推导其弹性模量
• 3.3.1 试验过程及结果
• 3.3.2 结果分析
• 3.4 基于多孔砖和砂浆的弹性模量推导墙体弹性模量
• 3.5 本章小结
• 第4章 混凝土多孔砖墙体等效断裂参数实用解析方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 裂缝的概念、产生原因、墙体裂缝与建筑节能
• 4.2.1 裂缝的基本概念
• 4.2.2 裂缝产生的原因
• 4.2.3 墙体裂缝与建筑节能
• 4.3 线弹性断裂力学的基本理论
• 4.3.1 断裂模式
• 4.3.2 裂纹尖端区域的应力场和位移场
• 4.3.3 应力强度因子
• 4.3.4 脆性断裂的K 判据
• 4.4 剪滞理论概述
• 4.4.1 单根纤维的断裂
• 4.4.2 多根纤维的断裂
• 4.4.3 Hedgepeth 剪滞模型
• 4.5 混凝土多孔砖墙体等效断裂参数的实用解析方法
• 4.5.1 混凝土多孔砖墙体的剪滞分析模型
• 4.5.2 剪滞方程的简化
• 4.5.3 剪滞方程的求解
• 4.5.4 等效断裂参数的确定
• 4.6 试验与结果分析
• 4.6.1 试验
• 4.6.2 混凝土多孔砖墙体有限元模型的建立
• 4.6.3 结果分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 混凝土多孔砖墙体干燥收缩性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验方案
• 5.2.1 环境要求
• 5.2.2 支承情况
• 5.2.3 变形传递
• 5.3 混凝土多孔砖墙体收缩影响因素的分析
• 5.3.1 砌筑砂浆的影响
• 5.3.2 龄期的影响
• 5.3.3 混凝土多孔砖初始含水率的影响
• 5.3.4 相对湿度的影响
• 5.3.5 温度的影响
• 5.4 混凝土多孔砖墙体收缩率的估算
• 5.4.1 标准养护条件下收缩变形的基本公式
• 5.4.2 非标准养护条件下的多系数估算公式
• 5.5 砌块建筑墙体的防裂措施
• 5.6 本章小结
• 第6章 混凝土多孔砖墙体干燥收缩变形抗裂性能的可靠度分析
• 6.1 引言
• 6.2 干燥收缩作用的计算方法
• 6.2.1 约束的概念
• 6.2.2 收缩应力的基本概念
• 6.2.3 收缩应力与变形的关系
• 6.3 砌块建筑的收缩作用计算方法
• 6.3.1 弹性理论计算方法
• 6.3.2 有限元计算方法
• 6.4 混凝土多孔砖墙体的可靠度分析
• 6.4.1 结构可靠度分析的基本理论
• 6.4.2 概率特性
• 6.4.3 试验数据的分布拟合检验
• 6.4.4 混凝土多孔砖墙体干燥收缩作用的可靠度分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢