论文部分内容阅读
摘要:页岩煤矸石空心砖是一种有着广泛应用前景的新型建筑材料,对节能减排有重要的实用价值。文章通过ANSYS软件对页岩煤矸石空心砖砌成的KP1型墙体进行整体建模,结合相关实验数据,分析求解,验证了其良好的抗震性能,并得出构造柱空心砖墙的破坏类型为圈梁受剪破坏。
关键词:煤矸石空心砖;抗震性能;极限荷载;ANSYS
中图分类号:TU502文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0113-02
我国是一个地震多发国家,特大地震产生的灾难有目共睹,尤其是2008年5.12汶川大地震,给国家、人民带来不可估量的损失。大量数据表明,地震之所以能够带来重大的灾害,其主要原因是建筑物及建筑设施结构不合理,传统建筑形式及建筑材料抗震性能差而造成的倒塌和破坏。因此,抗震减灾防灾的重点就是研究各种建筑物结构形式及建筑材料的抗震机理,研发应用新型的具有良好抗震性能的建筑材料及结构形式。
页岩煤矸石空心砖作为一种可替代传统粘土砖的新型砌块,取材方便,工艺简单,性能合理,有着广阔的应用前景和巨大的社会经济效益,在实际生产中已经得到大量的应用。本文将通过试验数据结合ANSYS模型有限元分析的方法,初步探讨带构造柱及圈梁的页岩煤矸石空心砖墙的破坏形式及其机理,以期为生产实践中进一步的研究探索提供依据和帮助。
一、软件概述
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,可以为用户提供集成化、模块化、可扩展的工程仿真解决方案,在结构分析上应用比较广泛,具有较强的线性和非线性分析功能以及强大的耦合场功能。软件主要分为前处理模块、分析计算模块和后处理模块,其分析过程通常包括定义单元类型、实常数、材料类型、网格划分、加载及求解等几部分。
二、单元选择与参数选取
在定义单元类型时,建筑结构上常采用Solid65单元。solid65是一个非常常用的单元,通常用来模拟钢筋混凝土。单纯模拟混凝土时,其参数主要包括:弹性模量 、泊松比 、张开与闭合滑移面的剪切强度缩减系数与抗拉与抗压强度与极限双轴抗压强度 、周围静水应力状态 、静水应力状态下单轴与双轴压缩的极限抗压强度与断裂发生时刚度乘子。其中,1～6是必须输入的,7～11或者不输入,都采用默认值,如果输入其中一个,其他的都需要输入;另外, 与 在0～1之间取值,具体如何取值是值得探讨的话题,但有一点是肯定的,不能将剪切缩减系数取的太小,否则,就很难收敛,分析一个梁的极限荷载时,剪切缩减系数的取值影响也不是很大。本文取值为常用分析的经验值,其中为了能快速收敛,关闭了压碎选项(UnCompSt=-1),具体数值见下表:
ANSYS对钢筋混凝土的处理方式有整体式与分离式建模。由于构造柱横纵配筋比较匀均,故本文对周围构造柱采用整体式模型。中间砌体部分,由于其只能承受抗压,所以也采用混凝土单元,两者分网后再把相应结点耦合在一起。
(一)荷载计算
本实验所用砖为KP1型页岩煤矸石空心砖,如图1所示,外形尺寸为240mm×115mm×90mm,截面20个直径为20mm的圆孔,分三排布置,空心率为22.75%,可用于承重墙体。
实验采用的空心砖为MU10,其抗压强度平均值经测定见表2:
实验采用在恒定竖向加载下进行水平往复作用加载的方式。如图1所示。构件采用带有构造柱和圈梁的墙体。底端地圈梁用螺栓固定。顶端用带有滚轴的油压千斤顶加分配梁施加均布荷载,大小为240kN。水平荷载由侧向的MTS电液伺服系统加载。构造柱顶端有两个百分表测顶端的水平位移,其余六个表测中部的水平和竖向位移。波形采用三角波形。90kN以前用力控制,之后用位移控制。
经计算,墙体的设计承载力为113.6kN。为此,以下建模分析将以此值除以系数0.45(=252kN)来进行加载。
(二)ANSYS有限元模拟
分析采用整体式模型分析,对其中的弹性模量,抗拉强度,开裂应力,裂缝传递荷载系数等,采用面积加权的方法进行计算,采用四面体网格划分,并最终建立模型,分析结果如下图所示:
从上图看到,在竖向和侧向荷载的共同作用下,试件发生了很大的位移(41mm),最大应力(15N/mm2)分布在底部与底圈梁相接部位,为受剪破坏。横向最大位移为36mm(考虑了局压变形)。
三、结论
带构造柱的页岩煤矸石空心砖墙的破坏类型属于圈梁受剪破坏。
页岩煤矸石空心砖墙具有优秀的抗震性能,空心砖与圈梁和构造柱连成一起,形成较好的柔性,增强了墙体的延性和整体性,有利于抵抗地震所产生的倾覆力和水平剪力,是提高结构抗震能力的一种行之有效的构造措施。
KP1型页岩煤矸石空心砖墙的破坏方式为构造柱底部剪拉破坏。由于构造柱的加入,有效抵抗了地震水平荷载对墙本身的剪力,保护了墙体不受水平剪力破坏而发生倒坍。
参考文献
[1]阎开放.KP1型承重粘土空心砖墙片抗震性能试验研究[J].四川建筑科学研究院,1985,(1).
[2]江见鲸.钢筋混凝土非线性有限元分析(第1版)[M].西安:陕西科学技术出版社,1994.
[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
[4]李英民,等.ANSYS在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究[J].重庆建筑大学学报,2006,(10).
[5]劳裕华.砌块墙体裂缝ANSYS数值模拟方法的研究[J].苏州科技学院学报,2007,(9)
[6]ANSYS技术手册[S].
[7]砌体结构设计规范(GB50003-2001)[S].北京,2001.
作者簡介:王云正(1984-),男,陕西神木人,吉林大学建设工程学院硕士;邱建惠(1955-),女,吉林大学建设工程学院教授,硕士生导师。
关键词:煤矸石空心砖;抗震性能;极限荷载;ANSYS
中图分类号:TU502文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0113-02
我国是一个地震多发国家,特大地震产生的灾难有目共睹,尤其是2008年5.12汶川大地震,给国家、人民带来不可估量的损失。大量数据表明,地震之所以能够带来重大的灾害,其主要原因是建筑物及建筑设施结构不合理,传统建筑形式及建筑材料抗震性能差而造成的倒塌和破坏。因此,抗震减灾防灾的重点就是研究各种建筑物结构形式及建筑材料的抗震机理,研发应用新型的具有良好抗震性能的建筑材料及结构形式。
页岩煤矸石空心砖作为一种可替代传统粘土砖的新型砌块,取材方便,工艺简单,性能合理,有着广阔的应用前景和巨大的社会经济效益,在实际生产中已经得到大量的应用。本文将通过试验数据结合ANSYS模型有限元分析的方法,初步探讨带构造柱及圈梁的页岩煤矸石空心砖墙的破坏形式及其机理,以期为生产实践中进一步的研究探索提供依据和帮助。
一、软件概述
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,可以为用户提供集成化、模块化、可扩展的工程仿真解决方案,在结构分析上应用比较广泛,具有较强的线性和非线性分析功能以及强大的耦合场功能。软件主要分为前处理模块、分析计算模块和后处理模块,其分析过程通常包括定义单元类型、实常数、材料类型、网格划分、加载及求解等几部分。
二、单元选择与参数选取
在定义单元类型时,建筑结构上常采用Solid65单元。solid65是一个非常常用的单元,通常用来模拟钢筋混凝土。单纯模拟混凝土时,其参数主要包括:弹性模量 、泊松比 、张开与闭合滑移面的剪切强度缩减系数与抗拉与抗压强度与极限双轴抗压强度 、周围静水应力状态 、静水应力状态下单轴与双轴压缩的极限抗压强度与断裂发生时刚度乘子。其中,1～6是必须输入的,7～11或者不输入,都采用默认值,如果输入其中一个,其他的都需要输入;另外, 与 在0～1之间取值,具体如何取值是值得探讨的话题,但有一点是肯定的,不能将剪切缩减系数取的太小,否则,就很难收敛,分析一个梁的极限荷载时,剪切缩减系数的取值影响也不是很大。本文取值为常用分析的经验值,其中为了能快速收敛,关闭了压碎选项(UnCompSt=-1),具体数值见下表:
ANSYS对钢筋混凝土的处理方式有整体式与分离式建模。由于构造柱横纵配筋比较匀均,故本文对周围构造柱采用整体式模型。中间砌体部分,由于其只能承受抗压,所以也采用混凝土单元,两者分网后再把相应结点耦合在一起。
(一)荷载计算
本实验所用砖为KP1型页岩煤矸石空心砖,如图1所示,外形尺寸为240mm×115mm×90mm,截面20个直径为20mm的圆孔,分三排布置,空心率为22.75%,可用于承重墙体。
实验采用的空心砖为MU10,其抗压强度平均值经测定见表2:
实验采用在恒定竖向加载下进行水平往复作用加载的方式。如图1所示。构件采用带有构造柱和圈梁的墙体。底端地圈梁用螺栓固定。顶端用带有滚轴的油压千斤顶加分配梁施加均布荷载,大小为240kN。水平荷载由侧向的MTS电液伺服系统加载。构造柱顶端有两个百分表测顶端的水平位移,其余六个表测中部的水平和竖向位移。波形采用三角波形。90kN以前用力控制,之后用位移控制。
经计算,墙体的设计承载力为113.6kN。为此,以下建模分析将以此值除以系数0.45(=252kN)来进行加载。
(二)ANSYS有限元模拟
分析采用整体式模型分析,对其中的弹性模量,抗拉强度,开裂应力,裂缝传递荷载系数等,采用面积加权的方法进行计算,采用四面体网格划分,并最终建立模型,分析结果如下图所示:
从上图看到,在竖向和侧向荷载的共同作用下,试件发生了很大的位移(41mm),最大应力(15N/mm2)分布在底部与底圈梁相接部位,为受剪破坏。横向最大位移为36mm(考虑了局压变形)。
三、结论
带构造柱的页岩煤矸石空心砖墙的破坏类型属于圈梁受剪破坏。
页岩煤矸石空心砖墙具有优秀的抗震性能,空心砖与圈梁和构造柱连成一起,形成较好的柔性,增强了墙体的延性和整体性,有利于抵抗地震所产生的倾覆力和水平剪力,是提高结构抗震能力的一种行之有效的构造措施。
KP1型页岩煤矸石空心砖墙的破坏方式为构造柱底部剪拉破坏。由于构造柱的加入,有效抵抗了地震水平荷载对墙本身的剪力,保护了墙体不受水平剪力破坏而发生倒坍。
参考文献
[1]阎开放.KP1型承重粘土空心砖墙片抗震性能试验研究[J].四川建筑科学研究院,1985,(1).
[2]江见鲸.钢筋混凝土非线性有限元分析(第1版)[M].西安:陕西科学技术出版社,1994.
[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
[4]李英民,等.ANSYS在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究[J].重庆建筑大学学报,2006,(10).
[5]劳裕华.砌块墙体裂缝ANSYS数值模拟方法的研究[J].苏州科技学院学报,2007,(9)
[6]ANSYS技术手册[S].
[7]砌体结构设计规范(GB50003-2001)[S].北京,2001.
作者簡介:王云正(1984-),男,陕西神木人,吉林大学建设工程学院硕士;邱建惠(1955-),女,吉林大学建设工程学院教授,硕士生导师。