植物纤维增强砌块砌体力学性能试验研究与有限元分析

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混凝土砌块具有节地节能、利废环保、价格低廉、强度高、延性好等优点。符合可持续发展的国策,代表了砌体结构材料的发展方向。然而,传统砌块在发展过程中仍存在“热、裂、渗”,热工性能差,吊挂承载力低及砌体强度指标存在缺陷等问题。植物纤维增强工业灰渣混凝土砌块(本文简称“植物纤维增强砌块”)是以植物纤维为纤维(增强)材料,以水泥基材料为胶结料,以工业灰渣为集料或磨细工业灰渣为掺和料,经搅拌、振动、加压成型的混凝土空心砌块,是一种绿色环保的墙体材料,具有质量较轻、热工性能较好、隔音效果好、吊挂性能优良、居住空间更舒适等特点,对传统砌块的不足进行了较多的改善。特别是其大量利用农林废弃物为原料和可作为承重墙体用于多层建筑的特点,使其在我国的小城镇建设中极具开拓意义和应用前景。但是国内外较少见关于此类砌块的研究资料,规范更是少有涉及,缺乏具体可靠的技术指标,大大阻碍了其推广应用。针对这些问题,本文对该类砌块的基本物理性能、砌体力学性能和吊挂力性能进行了系统全面的试验研究和有限元分析,并提出了合理的建议。主要研究方法和成果如下:(1)本文首先简述了混凝土砌块的发展历史、现状、研究动向以及本课题的研究背景与意义,并对植物纤维增强砌块做了简要介绍。(2)本文对该类砌块的物理力学性能进行了较为全面的试验研究,得出各项指标,并分析其相互关系,初步得出其自身规律及对砌体力学性能的影响。(3)本文对该类砌块砌体的轴心抗压、通缝抗剪和弯曲抗拉等力学性能进行了系统全面的试验研究,得出了其在各种不同受力模式下的破坏机理、可靠的力学指标及相关影响因素。通过对比试验研究,阐明了不同约束方法对其轴心抗压强度的影响:深入分析了抗剪强度试件在区别砂浆性能、吸水率和砌筑工艺等不同工况时的破坏机理,并阐述了这些因素对其抗剪强度的影响。(4)本文针对该类砌块砌体墙片的单点吊挂性能与其它砌块进行对比试验。深入研究了不同类型砌块砌体在单点吊挂力作用下的破坏机理,得出了其极限强度值,通过对比,阐明了该类砌块砌体单点吊挂的安全性以及优势。(5)基于现行砌体力学性能试验方法规范,本文在砌体弯曲抗拉强度试验和砌体单点吊挂力试验方法方面做出了有益探索和补充。(6)基于试验研究,本文利用有限元理论及ANSYS软件,建立分离式模型,对不同约束条件下的该类砌块砌体轴心抗压强度进行数值模拟和非线性对比分析,深入研究了其承载力水平、裂缝发展、应力应变分布及位移变形情况,特别是其微观层面的裂缝演化机制,从理论上深入分析了其破坏机理,阐明了砌体各组成材料间的相互作用及其影响,得出了其受力薄弱区,并得出了横向拉应力不足和弹性地基作用是其破坏根本原因的结论。同时,本文有限元计算结果与试验结果基本一致,对砌块砌体结构合适数值模拟方法的确定进行了有效的探索。(7)最后,本文对完成的研究工作进行了总结,并基于此成果提出了合理的建议,同时,对课题需要进一步深入研究的问题提出了自己的看法。本文研究成果为合理生产、设计、施工和应用,以及相关规范的确立提供依据,并为类似研究所借鉴。
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