砌体等效体积单元的试验研究与应用★

纪 政

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)



砌体等效体积单元的试验研究与应用★

纪 政

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

对砌体中的等效体积单元(Representative Volume Element，简称RVE)的适用性进行了分析,采用试验与数值模拟相结合的方法，通过砌体抗压及压剪试验，验证了RVE单元完整破坏准则用于砌体结构中的效果，解决了RVE单元适用性问题。

砌体，破坏准则，等效体积单元，试验，有限元

砌体因易于就地取材、有良好的耐火性和较好的耐久性等特性，极为广泛的应用于民用和工业建筑之中。但是因砌体是由块体、水平及竖向灰缝组成的一种非匀质材料，它与匀质材料相比，砌体具有明显的方向性。因此，建立完整、准确的破坏准则难度相当大。

传统的模型(连续体模型与离散式模型)[1,2]虽然能够用于分析结构性能。但是传统的模型具有自身的局限性：连续体模型不能针对砌体多样的失效机理作出详细解释；离散式模型虽然能弥补连续体模型的缺点，但仅适用于小型试验砌体性能的模拟。为解决该问题，L.Gambarotta提出等效体积单元 (Representative Volume Element，简称RVE)这一概念。它用一个重复单元来替代砌体中的几何形状和组合物的砌筑信息，然后对其进行叠加，从而反映砌体的力学性质。

文章基于匀质化理论 ，选取全顺式砌筑砌体中的等效体积单元RVE，对砌体材料抗压和压剪作用下的破坏准则进行了研究，并通过改变砂浆灰缝的厚度来研究对破坏准则的影响。并根据试验数据和Drucker-Prager准则，由压剪作用下砌体的抗剪强度曲线确定所需参数，对所选的砌体进行有限元模型的数值分析，来验证砌体等效体积单元 RVE的破坏准则能够适用于砌体结构之中。

1 试验概况

1.1 试件模型的制作

用M7.5砂浆和MU10的普通烧结砖对试件进行砌筑，并且砂浆灰缝厚度分别取8 mm和16 mm两种。试验选取砌体中的重复单元(见图1)，尺寸及选取方法与砌体等效体积单元 RVE一致，但考虑到水平对砖切割会造成较大损伤，所以本试验没有对砖沿厚度方向进行切割，如图1b)所示。试件按照GBT 50129—2011砌体基本力学性能试验方法标准砌筑试件。

1.2 具体方案

1)砌体抗压试验。完成砌体试件制作后，浇水养护28 d，对砌体试件进行抗压试验。试验之前，先对砌体试件尺寸进行测量，确定承压面大小。试验在SHT4106微机控制电液伺服万能试验机上进行，并读取压力荷载值。

2)砌体压剪试验。试验采用与砌体抗压试验中相同的砌筑方式的试件。根据砌体抗压试验结果及σy/fm比值的不同(σy为砌体竖向压应力，fm为砌体抗压强度平均值)，分为7组试验，每3个为1组，进行压剪试验。试验采用装置如图2所示，试验步骤如下：

a.垂直施加载荷。原理是利用预置式扭矩扳手将扭矩转换为拉力，通过螺栓和夹板对试件施加垂直载荷。

b.施加剪切载荷。将试件置于试验机上，通过参照砌体双剪试验，置放垫块；利用细砂确保试件与试验机物理对中；加荷方法选用匀速加载方式。试件破坏时，记录试件破坏特征并读取试件抗剪承载力值。

2 试验结果与分析

2.1 砌体抗压试验

由图3所示，在试件破坏时会出现大量的裂纹，呈粉碎性破坏，可以说材料强度得以充分发挥，因此试验结果要优于规范值，并且随砂浆灰缝厚度增大砌体试件的抗压强度将会减小(见图4)。

2.2 砌体压剪复合试验

压剪试验结果如图5所示，其中，fm为砌体的抗压强度；fv为砌体的抗剪强度。从图中可看出，根据σy/fm比值的不同，分为0～0.4，0.4～0.68和0.68～1.0三个区间，分别对应剪摩、剪压和斜压三种破坏形式。砌体的破坏准则受砌体灰缝的厚度的影响并不十分的明显。

3 模型的数值分析

DP准则是VonMises的修正准则，也是Mohr-Coulomb准则的近似。它可由粘聚力c、内摩擦角φ以及膨胀角几个参数确定。具体参数由试验确定或根据经验选取。由该试验可以确定：c=0.54 MPa，φ=60.57°，膨胀角取0。

为说明砌体等效体积单元 RVE的破坏准则能够适用于砌体结构之中，根据本文试验选取砌筑方式(见图1a))，通过选取1片缩尺墙体进行的伪静力压剪试验(见图6)，并建立如图7所示的数值模型进行分析对比。

具体：根据试验所得骨架曲线与砌筑试件对应的DP准则赋予有限元模型所得结果进行对比(见图8)。从图中可看出计算结果与试验结果基本吻合，说明砌体压剪复合试验确定单元完整破坏准则的参数，通过有限元模型能够很好的用于砌体结构之中。

4 结语

1)在一定范围内，砌体试件的抗压性能随砂浆灰缝的增大而减小；

2)由压剪试验结果可以看出，砌体RVE的破坏准则受砌体灰缝的厚度的影响并不十分的明显；

3)砌体RVE的破坏准则能够较好的适用于砌体结构之中。

[1]熊 峰,应付钊.非线性有限元法分析预应力砌体墙结构.四川大学学报(工程科学版),2000,32(3):16-20.

[2]苗吉军,顾祥林,张伟平,等.地震作用下砌体结构倒塌反应的数值模拟计算分析.土木工程学报,2005,38(9)：150-152.

[3]L.Gambarotta,S.Lagomarsino.Damage models for the seismic response of brick masonry shear walls.Part I:the mortar joint model and its applications.Earthquake Engineering And Structural Dynamics,1997(26):423-439.

[4]M.Mistler,A.Anthoine,C.Butenweg.In-plane and out-of-plane homogenisation of masonry.Computers and Structures,2007,85(1-4):1321-1330.

[5]JGJ 82—2011，钢结构高强度螺栓连接技术规程.

[6]DRUCKER D C,PRAGER W.Solid mechanics and plastic analysis or limit design.Quarterly of Applied Mathematics,1952,10(2):157-165.

[7]李英民,韩 军,刘立平.ANSYS在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究.重庆建筑大学学报,2006,28(5):90-96.

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 ★：国家自然科学基金项目(项目编号：51208300)

纪 政(1989- )，男，在读硕士

TU362

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