砌體等效體積單元的試驗研究與應用★

紀 政

(上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海 200093)

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砌體等效體積單元的試驗研究與應用★

紀 政

(上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海 200093)

對砌體中的等效體積單元(Representative Volume Element，簡稱RVE)的適用性進行了分析,采用試驗與數值模擬相結合的方法，通過砌體抗壓及壓剪試驗，驗證了RVE單元完整破壞準則用于砌體結構中的效果，解決了RVE單元適用性問題。

砌體，破壞準則，等效體積單元，試驗，有限元

砌體因易于就地取材、有良好的耐火性和較好的耐久性等特性，極為廣泛的應用于民用和工業(yè)建筑之中。但是因砌體是由塊體、水平及豎向灰縫組成的一種非勻質材料，它與勻質材料相比，砌體具有明顯的方向性。因此，建立完整、準確的破壞準則難度相當大。

傳統(tǒng)的模型(連續(xù)體模型與離散式模型)[1,2]雖然能夠用于分析結構性能。但是傳統(tǒng)的模型具有自身的局限性：連續(xù)體模型不能針對砌體多樣的失效機理作出詳細解釋；離散式模型雖然能彌補連續(xù)體模型的缺點，但僅適用于小型試驗砌體性能的模擬。為解決該問題，L.Gambarotta提出等效體積單元 (Representative Volume Element，簡稱RVE)這一概念。它用一個重復單元來替代砌體中的幾何形狀和組合物的砌筑信息，然后對其進行疊加，從而反映砌體的力學性質。

文章基于勻質化理論 ，選取全順式砌筑砌體中的等效體積單元RVE，對砌體材料抗壓和壓剪作用下的破壞準則進行了研究，并通過改變砂漿灰縫的厚度來研究對破壞準則的影響。并根據試驗數據和Drucker-Prager準則，由壓剪作用下砌體的抗剪強度曲線確定所需參數，對所選的砌體進行有限元模型的數值分析，來驗證砌體等效體積單元 RVE的破壞準則能夠適用于砌體結構之中。

1 試驗概況

1.1 試件模型的制作

用M7.5砂漿和MU10的普通燒結磚對試件進行砌筑，并且砂漿灰縫厚度分別取8 mm和16 mm兩種。試驗選取砌體中的重復單元(見圖1)，尺寸及選取方法與砌體等效體積單元 RVE一致，但考慮到水平對磚切割會造成較大損傷，所以本試驗沒有對磚沿厚度方向進行切割，如圖1b)所示。試件按照GBT 50129—2011砌體基本力學性能試驗方法標準砌筑試件。

1.2 具體方案

1)砌體抗壓試驗。完成砌體試件制作后，澆水養(yǎng)護28 d，對砌體試件進行抗壓試驗。試驗之前，先對砌體試件尺寸進行測量，確定承壓面大小。試驗在SHT4106微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，并讀取壓力荷載值。

2)砌體壓剪試驗。試驗采用與砌體抗壓試驗中相同的砌筑方式的試件。根據砌體抗壓試驗結果及σy/fm比值的不同(σy為砌體豎向壓應力，fm為砌體抗壓強度平均值)，分為7組試驗，每3個為1組，進行壓剪試驗。試驗采用裝置如圖2所示，試驗步驟如下：

a.垂直施加載荷。原理是利用預置式扭矩扳手將扭矩轉換為拉力，通過螺栓和夾板對試件施加垂直載荷。

b.施加剪切載荷。將試件置于試驗機上，通過參照砌體雙剪試驗，置放墊塊；利用細砂確保試件與試驗機物理對中；加荷方法選用勻速加載方式。試件破壞時，記錄試件破壞特征并讀取試件抗剪承載力值。

2 試驗結果與分析

2.1 砌體抗壓試驗

由圖3所示，在試件破壞時會出現(xiàn)大量的裂紋，呈粉碎性破壞，可以說材料強度得以充分發(fā)揮，因此試驗結果要優(yōu)于規(guī)范值，并且隨砂漿灰縫厚度增大砌體試件的抗壓強度將會減小(見圖4)。

2.2 砌體壓剪復合試驗

壓剪試驗結果如圖5所示，其中，fm為砌體的抗壓強度；fv為砌體的抗剪強度。從圖中可看出，根據σy/fm比值的不同，分為0～0.4，0.4～0.68和0.68～1.0三個區(qū)間，分別對應剪摩、剪壓和斜壓三種破壞形式。砌體的破壞準則受砌體灰縫的厚度的影響并不十分的明顯。

3 模型的數值分析

DP準則是VonMises的修正準則，也是Mohr-Coulomb準則的近似。它可由粘聚力c、內摩擦角φ以及膨脹角幾個參數確定。具體參數由試驗確定或根據經驗選取。由該試驗可以確定：c=0.54 MPa，φ=60.57°，膨脹角取0。

為說明砌體等效體積單元 RVE的破壞準則能夠適用于砌體結構之中，根據本文試驗選取砌筑方式(見圖1a))，通過選取1片縮尺墻體進行的偽靜力壓剪試驗(見圖6)，并建立如圖7所示的數值模型進行分析對比。

具體：根據試驗所得骨架曲線與砌筑試件對應的DP準則賦予有限元模型所得結果進行對比(見圖8)。從圖中可看出計算結果與試驗結果基本吻合，說明砌體壓剪復合試驗確定單元完整破壞準則的參數，通過有限元模型能夠很好的用于砌體結構之中。

4 結語

1)在一定范圍內，砌體試件的抗壓性能隨砂漿灰縫的增大而減小；

2)由壓剪試驗結果可以看出，砌體RVE的破壞準則受砌體灰縫的厚度的影響并不十分的明顯；

3)砌體RVE的破壞準則能夠較好的適用于砌體結構之中。

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The research and application about Representative Volume Element in selection of masonry★

Ji Zheng

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

This paper analyzed the applicability of Representative Volume Element(RVE) in masonry, using the combining method with the test and numerical simulation, through the masonry compression and shear pressure test, verified the effect applied the RVE unit complete failure criterion in masonry structure, solved the applicability problem of RVE.

masonry, failure criterion, Representative Volume Element， test, finite element

1009-6825(2015)01-0037-02

2014-10-24 ★：國家自然科學基金項目(項目編號：51208300)

紀 政(1989- )，男，在讀碩士

TU362

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