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混凝土多孔砖墙体裂缝控制的相关力学性能研究

李妍  
【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。


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