湖南大学硕士学位论文混凝土小型空心砌块墙体数值模拟及刚度分析姓名：闫一江申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：黄幼华20070429硕士学位论文 摘摘 要要 随着我国墙体材料改革的积极推广，混凝土小型空心砌块作为一种新的墙体材料在工程中的应用越来越广泛。混凝土小砌块墙体作为砌块砌体结构中的主要承载构件，其力学性能一直都是广大研究工作者的关注的焦点。目前对于小砌块墙体力学性能的研究主要是采取试验方法，数值模拟方法采用的较少，该方面的研究也较为薄弱，许多内容和问题仍有待探讨。 本文通过对混凝土小砌块墙体中各种组成材料的本构关系和破坏准则、裂缝模型及多种材料间的联结问题进行探讨， 使用 ANSYS软件， 以 SOLID65+BEAM188的单元组合形式建立了混凝土小型空心砌块墙片的非线性有限元模型，模拟了墙体在垂直和水平荷载共同作用下的破坏过程。通过计算结果与试验结果的对比，证明了本文提出的混凝土小型空心砌块墙体的数值模拟方法能够模拟实际墙体的受力状态和破坏过程，具有较高的精度。 采用数值模拟方法，本文研究了混凝土空心砌块砌体墙片中垂直约束构件(芯柱、构造柱)、水平约束构件(水平条带、水平钢筋)的布置数量，布置形式对墙体的极限承载力以及抗侧刚度的影响，总结出一些规律。 本文对目前设计工作中混凝土小型空心砌块砌体墙片抗侧刚度的计算方法进行了研究。参考纤维复合材料模型，提出了部分灌注混凝土空心砌块墙体的等效弹性常数的计算方法。由此可将不均匀的混凝土小型空心砌块砌体墙转化为均匀墙体，这样即可采用目前通用的剪力墙结构计算方法对混凝土小砌块砌体结构进行整体内力分析。 关键词：混凝土小型空心砌块墙体；数值模拟；垂直约束；水平约束； 极限承载力；抗侧刚度；纤维复合材料模型 II混凝土小型空心砌块墙体数值模拟及刚度分析 Abstract As the main wall reformed material in our country, small-sized hollow concrete block has been much more widely used than the past years. Small-sized Hollow Concrete Block walls are the main load bearing components in the Concrete Block masonry buildings. The performance of Small-sized Hollow Concrete Block walls is concerned by more and more researchers. Now, the test method is taken to study the mechanics characteristic of Small-sized Hollow Concrete Block walls by most of the scholars. Numerical simulation method is used much less. The research on the numerical simulation method is much more insufficient comparatively. There are a lot of questions which are still needs to be discussed. Small-sized Hollow Concrete Block wall is composed of several materials. The relationship between strain and stress and the failure criteria of each composition are discussed in this paper. The ANSYS software is used and the element combination types of SOLID65+BEAM188 is suggested to establish the element model of the Small-sized Hollow Concrete Block wall. The calculation results are compared with real test results. It is proved that the finite element model suggested by this paper could simulate the loading state and broking process. The precision of the model reach to the needed level. The numerical simulation method suggested in this paper is used to find the relationship between the bearing capacity, the stiffness and the restraint condition. The restriction includes the vertical grouted core and constructional columns and the horizontal steel composed beams . Some conclusions are obtained. The stiffness calculation method for the Small-sized Hollow Concrete Block wall is studied in the forth chapter. A method based on fiber composite materials is suggested to calculate the stiffness of the partially grouted walls. There are two fiber composite material models are advanced, the formula for each model is suggested. Based on this method, the asymmetrical partially grouted wall can be equaled to a symmetrical wall. So, the regular shear wall calculation method can be use to analyze the partially grouted Small-sized Hollow Concrete Block structures. Key words: Small-sized Hollow Concrete Block Walls；Numerical Simulation； Vertical Restriction；Horizontal Restriction；Fiber Composite Materials Model III湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 I硕士学位论文 第第 1 章章 绪论绪论 以粘土砖和石材为代表的传统砌体结构具有非常悠久的历史。我国古老的万里长城、造型优美的河北赵县安济桥（赵州桥） 、河南登封嵩岳寺塔、埃及金字塔，古罗马的斗兽场和君士坦丁堡的圣索菲娅大教堂，这些都是人类历史上辉煌的成就1。 传统的砌体结构以粘土砖为主要材料，不仅严重影响农业生产，而且对保持生态环境也很不利。我国是一个土地资源非常紧缺的国家，人均耕地占有量只有1006.7 平方米，仅为世界人均水平的 45%。根据我国墙体材料革新的目标： “十五”期间，我国人均占有耕地不足 533.3 平方米的城市和省会城市要全部禁止使用实心粘土砖，全国实心粘土砖的总量控制在 4500 亿块以内，节约土地 7.33 万公顷，节能 9000 万吨标煤，利用工业废渣 3 亿吨，使新型墙体材料在墙体材料总量中的比例占到 40%2。因此大力发展粘土砖的替代材料混凝土小型空心砌块就成了刻不容缓的任务。 1.1 混凝土小型空心砌块砌体结构的优势及应用现状 1.1.1 混凝土小型空心砌块结构的优势 同传统粘土实心砖相比，混凝土小型空心砌块砌体建筑的最大优势在于不毁坏耕地和能耗较低，是符合国家技术发展政策的新型建筑材料，这是混凝土空心砌块砌体结构得以发展的根本前提3。根据多年的实践证明其发展优势具体为： (1) 节约土地。土地是不可再生的宝贵资源，粘土实心砖和粘土多孔砖的使用造成了大量土地资源的破坏。我国目前每年烧制粘土砖约 4700 亿块，需要消耗耕田 1 万多公顷。以混凝土小砌块代替粘土砖则可以节省土地资源，对我国的可持续发展具有重大意义。 (2) 节约能源。砌块的能耗比粘土砖的能耗低 46%。用混凝土空心小砌块代替粘土砖可节约大量原煤。据估算，如果将现今生产的粘土砖减少一半，改用混凝土空心小砌块，则每年可节约原煤约 3000 万吨4。 (3) 就地取材，价格低廉，具有良好的经济效益。根据我国的房屋建筑实践，在高耸结构中，采用砌块结构比同类型的粘土砖结构建筑造价降低 10%左右3。与钢筋混凝土结构相比，它采用了工业化的砌块产品，不需要支模和模板，降低了建筑造价 10%20%，三材用量（钢材、水泥、木材）减少 30%50%。表 1.1列出了一些混凝土小型空心砌块砌体结构试点工程与混凝土框架剪力墙结构的经济比较1。 - 1 -混凝土小型空心砌块墙体数值模拟及刚度分析 表 1.1 砌块建筑经济对比 费用 广西 11 层试点建筑 辽宁省盘锦市 15 层试点建筑 上海 18 层试点建筑 钢材节省 38% 28% 42% 造价节省 18% 25% 7.4% (4) 自重轻，有利于地基处理和抗震。混凝土砌块标准块尺寸为 390mm190mm190mm，空心率为 46%左右。空心砌块砌体墙体的自重比 240 和 370 粘土实心砖墙分别减轻 30%和 50%，既减轻了基础的负载，易于地基处理，也减少了施工中的材料运输量，并且增大了结构的抗震可靠度4。 (5) 施工速度快，符合早建成、早投产、早见效的现代化要求。与粘土砖结构相比，混凝土小型空心砌块的块型尺寸大很多，单块砌筑的施工方法相似，施工速度可以加快 40%以上，如果采用组砌成大板、中块，进行吊装，则施工速度可以进一步提高。与普通的钢筋混凝土结构相比，混凝土小型空心砌块不需要支模、养护和拆