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新型橫孔空心砌塊砌體局部受壓試驗研究
2019年06月05日 10:34         所屬學(xué)院： []          點擊：


湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃

項　 目　 申　 報　 表

 

項目名稱

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學(xué)院名稱

土木工程學(xué)院

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專      業(yè)

性 別

聯(lián)系電話

曾夢竹

201508020304

建筑工程

女

18773680951

牛俞潔

201508020401

建筑工程

男

13230088750

黃立翔

201510010432

建筑工程

男

15973123878

張美玲

201508020303

巖土工程

女

18229859845

指導(dǎo)教師

陳偉

職稱

講師

項目所屬

一級學(xué)科

土木工程

項目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

項目團(tuán)隊成員已學(xué)習(xí)了相關(guān)的數(shù)學(xué)與力學(xué)知識，包括高等數(shù)學(xué)、概率論、數(shù)理統(tǒng)計、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)等，較為扎實的數(shù)學(xué)與力學(xué)知識為本項目的開展奠定了基礎(chǔ)。

項目團(tuán)隊成員均有參加不同級別的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽，積累了豐富的結(jié)構(gòu)受力分析和有限元軟件（如Ansys）的應(yīng)用能力。同時項目組成員參與過指導(dǎo)教師自科項目的試驗工作，具備一定結(jié)構(gòu)試驗開展能力。這些為該項目的順利開展奠定了堅實基礎(chǔ)。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

本課題的指導(dǎo)教師長期從事砌體結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基本理論等領(lǐng)域研究，對橫孔空心砌塊砌體的局部受壓計算方法具有獨到的見解，目前共榮獲湖南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎1項，發(fā)表論文20篇，主編國家及省部級工法18項，獲授權(quán)發(fā)明專利4項、實用新型專利10項，參與國家及地方標(biāo)準(zhǔn)圖集編制4本，共主持或參與科研項目7項，積累了豐富的理論知識與實踐經(jīng)驗，對砌體結(jié)構(gòu)的試驗設(shè)計、數(shù)值模擬、和理論分析較為擅長，具備獨立指導(dǎo)該課題的能力。

主持和參與的國家級科研項目：

[1]國家自然科學(xué)基金青年項目（51408063），混凝土橫孔空心砌塊裝配式夾心墻體結(jié)構(gòu)抗震性能研究，25萬，2015.01～2017.12，主持。

[2]國家自然科學(xué)基金面上項目（51278179），新型單向預(yù)應(yīng)力雙向配筋混凝土疊合樓板的疲勞性能及計算理論研究，84 萬，2013.01～2016.12，陳偉為第4 參與人。

[3]國家自然科學(xué)基金面上項目（51378193），無砂漿配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能研究，80萬，2014.01～2017.12，陳偉為第5 參與人。

獲獎目錄

[1] 周緒紅、吳方伯、賀擁軍、陳偉、黃海林、何韶瑤、方志、胡鍔、江夫友、張波，新型混凝土橫孔連鎖空心砌塊干砌墻體應(yīng)用技術(shù)，湖南省政府， 湖南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎，一等獎，2010年（2011年頒發(fā)）

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

新型橫孔空心砌塊（如圖1所示）主要由頂板、支撐腿組成，其中頂板受兩支撐腿支撐，兩支撐腿之間設(shè)有加強(qiáng)肋，以頂板、兩支撐腿、加強(qiáng)肋為周邊形成砌塊空間，此外頂板上還設(shè)有兩條凸肋。新型橫孔空心砌塊是一種橫孔連鎖砌塊，砌筑墻體時，下皮砌塊的上部凸肋與上皮砌塊的下部凹槽正好契合，砌塊上下連鎖；每隔3-5皮砌塊可在頂板凹槽內(nèi)布置水平縱向鋼筋，形成水平鋼筋混凝土現(xiàn)澆帶；在砌塊橫孔內(nèi)部可以放置保溫材料，從而形成橫孔空心砌塊保溫墻體。這種砌塊墻體（如圖2所示）較豎孔砌塊墻體，其優(yōu)越性體現(xiàn)如下：(1) 施工速度快；(2) 保溫隔熱性能好；(3) 抗裂防滲性能好；(4) 方便布置管線；(5) 輕質(zhì)環(huán)保；(6) 抗震性能好；(7) 墻面平整、美觀。目前，依托項目研究成果，新型橫孔空心砌塊產(chǎn)品在我國部分地區(qū)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

 

 

 

圖1  混凝土橫孔空心砌塊及其墻體

1、研究目的

（1）砌體局部受壓是砌體結(jié)構(gòu)中一種常見的受力形式，因此，我們對新型橫孔空心砌塊砌體進(jìn)行了局部受壓力學(xué)性能試驗和有限元分析，提出了這種砌塊的局部受壓承載力計算公式和改善局部受壓性能措施，為砌體的設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

（2）通過本項目的開展，有助于學(xué)生增強(qiáng)對新型橫孔空心砌塊局部受壓的試驗研究以及設(shè)計方法的認(rèn)識，有利于增強(qiáng)即將走上工作崗位或科研崗位的學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的認(rèn)識。

2、研究內(nèi)容

（1）通過對中部、端部及角部這三種位置的均勻局部受壓試驗研究，分析該砌體均勻局部受壓時的工作機(jī)理，提出新型混凝土橫孔空心砌塊砌體局部受壓承載力計算公式。通過試驗研究與理論分析，研究改善新型混凝土橫孔空心砌塊砌體局部受壓性能的方法。

（2） 對試驗部分砌體試件進(jìn)行非線性有限元模擬，并將有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，研究新型橫孔空心砌塊砌體在均勻局部荷載作用下的應(yīng)力分布規(guī)律及受力機(jī)理和破壞機(jī)理。

3、要解決的主要問題

（1）通過對中部、端部及角部這三種位置的均勻局部受壓試驗研究，獲得裂縫的產(chǎn)生位置、裂縫的開展情況、橫向變形、豎向變形、初裂荷載和破壞荷載的大小等。

（2） 通過對試驗部分砌體試件進(jìn)行非線性有限元模擬，并將有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，得到新型橫孔空心砌塊砌體在均勻局部荷載作用下的應(yīng)力分布規(guī)律及受力機(jī)理和破壞機(jī)理。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

國內(nèi)學(xué)者對于再生混凝土砌塊砌體基本力學(xué)開展了一系列研究。1985年，張景吉、唐岱新[1]等通過對浮石混凝土空心砌塊砌體系統(tǒng)的局壓試驗，提出了局壓強(qiáng)度的計算方法及提高局部受壓承載力措施。2004年，孫偉民[2]等對頁巖模數(shù)多孔磚砌體進(jìn)行局部受壓試驗研究，并對試驗結(jié)果統(tǒng)計回歸得出了局部受壓強(qiáng)度提高系數(shù)。2007年，秦士洪、駱萬康[3]等對燒結(jié)頁巖多孔磚進(jìn)行了四種位置的局部受壓試驗研究，并對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，提出了局壓提高系數(shù)建議公式并與規(guī)范公式比較。2008年，張玉芬等[4~5] 進(jìn)行了8組不同砂漿強(qiáng)度和不同配筋率的網(wǎng)狀配筋磚砌體的局壓承載力試驗研究，文中對其破壞形態(tài)及承載力進(jìn)行了分析研究，并采用ANSYS軟件對試驗試件進(jìn)行模擬，電算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，也驗證了計算結(jié)果正確性。2011年，楊偉軍[6]等，采用有限元方法分析了砌體局部受壓時的主應(yīng)力和Mises應(yīng)力沿截面寬度和高度的變化規(guī)律。

湖南大學(xué)吳方伯教授項目組，從2004年3月至2012年4月，歷時8年，發(fā)明了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型橫孔空心砌塊，并成功開發(fā)出了新型橫孔空心砌塊墻體體系。課題組前期進(jìn)行了大量新型橫孔空心砌塊體系的試驗與理論分析研究工作。進(jìn)行了砌塊砌體抗壓強(qiáng)度試驗[7~8]：試件從加載到破壞，按照裂縫的出現(xiàn)、發(fā)展、破壞大致經(jīng)歷了三個階段，并得出了砌體的抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計公式；進(jìn)行了新型橫孔空心砌塊墻體的抗壓性能試驗[9]，試驗得出不同高厚比和不同受力狀態(tài)下的抗壓承載力、開裂荷載、破壞荷載及變形特征，并提出了抗壓承載力計算建議方法；以試驗為基礎(chǔ)結(jié)合數(shù)值分析，得到新型橫孔空心砌塊[7~8]、砌體[7~8]、墻體[9]的抗壓計算方法。但是，對于砌塊局部受壓并沒有做進(jìn)一步研究，而局部受壓是砌體結(jié)構(gòu)中一種常見的受力形式，因此，我們有必要對新型橫孔空心砌塊砌體進(jìn)行局部受壓力學(xué)性能研究，提出這種砌塊的局部受壓承載力計算公式和改善局部受壓性能措施，為砌體的設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

本項目在已有的研究基礎(chǔ)上，對砌體局部受壓進(jìn)行了試驗研究及有限元分析。設(shè)計了11組共33個試件的中部、端部、角部三種位置的均勻局部受壓試驗，考慮了A/Ac、試件高度對局部受壓承載力影響；本項目還設(shè)計了1組共3個加墊梁砌體試件與3組共9個帶現(xiàn)澆帶砌體試件的中部均勻局部受壓試驗，以及推導(dǎo)了帶構(gòu)造柱砌體試件中部均勻局部受壓承載力計算公式，研究加墊梁、現(xiàn)澆帶及構(gòu)造柱措施對改善局部承壓性能影響；此外還采用非線性有限元分析方法模擬了中部和端部這兩種均勻局部受壓試驗情況，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比。

因此，通過本項目的開展，有助于學(xué)生增強(qiáng)對新型橫孔空心砌塊局部受壓的試驗研究以及設(shè)計方法的認(rèn)識，并可增強(qiáng)即將走上工作崗位或科研崗位的學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)

[1] 張景吉,唐岱新,陳蔭. 浮石混凝土砌塊砌體在局部荷載下的工作特性. 哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報. 1985(2):38-43

[2] 孫偉民,楊興富,葉燕華. 頁巖模數(shù)多孔磚局部受壓性能研究. 新型墻體材料與施工. 2004(9):3-5

[3] 秦士洪,劉小勤,駱萬康. 燒結(jié)頁巖多孔磚砌體局部均勻受壓試驗研究. 建筑結(jié)構(gòu). 2006.11(11):73-90

[4] 張玉芬，趙均海，寧育國. 網(wǎng)狀配筋磚砌體在局壓荷載作用下的承載力研究. 四川建筑科學(xué)研究. 2008.10(5):25-28

[5] 張玉芬, 閆亮. 水平配筋砌體墻局部受壓性能有限元分析. 鐵道建筑.2007(12):107-109

[6] 楊衛(wèi)忠,王博. 砌體局部受壓有限元分析. 四川建筑科學(xué)研究. 2011.37(5):74-77

[7] 王先麗.PK多功能混凝土空心砌塊試驗研究:[湖南大學(xué)碩士論文] .長沙:湖南大學(xué),2008,1-57

[8] 陳海龍．一種新型承重砌塊砌體基本力學(xué)性能研究：[湖南大學(xué)碩士論文]．長沙：湖南大學(xué)，2008，1-61

[9] 蔣文．新型橫孔空心砌塊砌體有限元分析與抗壓試驗研究：[湖南大學(xué)碩士論文]．長沙：湖南大學(xué)，2011，1-57

本項目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

 

 

 

 

項目的創(chuàng)新點和特色

（1）本項目的特色

本項目研究對象是一種新型結(jié)構(gòu)。項目組從原有普通混凝土橫孔空心砌塊研究基礎(chǔ)上（研究成果獲得2010年湖南省科技進(jìn)步一等獎），提出了橫孔空心局部受壓這一課題，通過大量有限元計算與試驗對比研究，解決這種新型墻體的受力性能和設(shè)計難題。

（2）本項目的創(chuàng)新

①通過大量有限元計算，對試驗中部和端部均勻局部受壓砌體試件進(jìn)行了有限元分析，并將其與試驗結(jié)果對比。

②得到了新型混凝土橫孔空心砌塊砌體局部受壓承載力計算公式和改善局部受壓承載力及性能的措施。

項目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

項目擬采用如下技術(shù)路線：①技術(shù)準(zhǔn)備階段—調(diào)研與文獻(xiàn)收集，確定研究的具體步驟及相關(guān)的研究內(nèi)容。②試驗研究階段—按表1 和表2的要求制作試件和材性試驗試件，根據(jù)前述試驗內(nèi)容，對試件進(jìn)行靜力試驗、材性試驗。③建立非線性有限元分析模型—確定各種材料的單元類型及本構(gòu)模型，提出非線性有限元分析的基本假定，建立砌體的非線性有限元分析模型，并對其進(jìn)行有限元分析。④對比分析階段—將有限元分析與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，以此為基礎(chǔ)，提出該砌體的局部受壓承載力計算公式和改善砌體局部受壓性能的方法。

上述技術(shù)路線充分考慮了結(jié)構(gòu)試驗、理論分析、設(shè)計方法和工程應(yīng)用各個環(huán)節(jié)，思路完整清晰，其研究方案是切實可行的。

具體技術(shù)路線如下：

（1）試驗?zāi)Ｐ椭谱?/span>

砌體試件每組做3個，本次試驗分成15組，共制作了45片砌體，其中27片中部均勻局部受壓砌體試件，12片端部均勻局部受壓砌體試件，6片角部均勻局部受壓砌體試件，砌體試件的高度采用625mm、1025mm兩種，試件的寬度為1050mm、750mm、450mm三種。其中主砌塊的尺寸為290mm×200mm×190mm，輔砌塊尺寸為140mm×200mm×190mm，砌體試件均采用同一強(qiáng)度的砌塊和砂漿砌筑。

（2）試驗加載與量測

本項目采用加載能力為300kN的手動泵液壓千斤頂分級加載，其他用到得設(shè)備儀器主要有；500kN長柱材性試驗機(jī)、剛性大梁、反力門架、型號KD4030應(yīng)變傳感器、型號TS3860靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、百分表、千分表、磁性表座、鋼卷尺、10mm厚的皮墊、30mm厚的鋼板等。

正式加載時，初始以每級5kN逐級進(jìn)行加載，每級荷載在1分鐘內(nèi)均勻加完，恒載2~3分鐘后施加下一級荷載；當(dāng)接近預(yù)估開裂荷載時，以每級2.5kN逐級進(jìn)行加載；當(dāng)加載至預(yù)估計破壞荷載的80%后，按每級5kN連續(xù)加載，至試件破壞。每級荷載下，待儀表指針穩(wěn)定后讀數(shù)并記錄。試驗過程中仔細(xì)觀察和捕捉第一條受力的細(xì)微裂縫，并記錄開裂荷載。當(dāng)荷載加至預(yù)估破壞荷載的80%時，撤去百分表、千分表，然后連續(xù)加載直至試件破壞，記錄極限破壞荷載值。

   （3）有限元分析

擬采用有限元軟件ANSYS，通過分離式建模方法建立中部、端部兩種局壓形態(tài)試驗試件足尺模型，模擬試驗情況并進(jìn)行計算。其中砌塊和砂漿采用SOLID65單元以及在凸肋與頂板接觸位置、豎向砌塊與砂漿接觸位置引入接觸單元，并對其進(jìn)行非線性有限元分析。

（4）局部受壓承載力計算公式和改善局部受壓承載力及性能的措施

在試驗和有限元分析的基礎(chǔ)上回歸出了各種局壓形態(tài)下的局壓強(qiáng)度提高系數(shù)與開裂時局壓強(qiáng)度系數(shù)，然后將3種局壓強(qiáng)度提高系數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到了新型混凝土橫孔空心砌塊砌體局部受壓承載力計算公式。由變形結(jié)果及荷載-應(yīng)變曲線分析研究得到該砌塊砌體的橫豎向變形特點及規(guī)律。通過試驗研究與理論分析，研究了改善新型混凝土橫孔空心砌塊砌體局部受壓性能的方法。

預(yù)期成果：

（1）新型橫孔空心砌塊砌體局部受壓的試驗研究報告；

（2）在省級刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文1~2篇。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

本項目預(yù)計從2018年3月到2020年3月兩年內(nèi)完成。

2018.3~2018.5：收集研究資料，制定研究計劃。

2018.5~2018.12：局部受力性能試驗試件的設(shè)計與制作，加載裝置的設(shè)計與制作，儀器設(shè)備標(biāo)定與調(diào)試，完成局部受力性能試驗。

2018.12~2019.6：完成理論分析與試驗結(jié)果的對比分析，調(diào)整有限元模型參數(shù)，對各種不同參數(shù)條件下的砌體進(jìn)行非線性有限元分析。

2019.6~2020.3：在大量有限元分析的基礎(chǔ)上，提出新型砌體局部受壓的承載力計算理論。

指導(dǎo)教師意見

 

 

 

 

 

立項有意義，方案可行。

 

 

 

 

 

簽字：          日期：2018年4月27日