空心砌块作为一种节能的建筑墙体材料,在建筑工程领域得到了广泛应用,但在使用过程中发现,空心砌块存在中间断裂、空腔边角出现裂缝、结构强度差强人意等现象,这给空心砌块的推广使用增加了一定的困难。为解决这些难题,本文采用ANSYS有限元分析软件数值模拟和试验验证的方法,研究改变中间肋宽和空腔边角参数对空心砌块结构强度的影响。

　　 在ANSYS的参数化设计语言(APDL)界面中建模,直接创建的模型尺寸为390mm×200mm×115mm,具体结构如图1所示。该砌块为非承重砌块,砌块中无钢筋,模型为无筋三维实体模型。

　　 设定砌块模型所选用的混凝土强度等级为C20;ANSYS有限元分析中需要将模型划分为有限网格,求解其中的每一个实体单元,并将求解结果迭代。本文选用六面体Solid65实体单元 ^[1];混凝土的破坏准则采用Willam-Warnke五参数模型 ^[2]。Solid65实体单元破坏参数及含义见表1。

　　 选用Newton-Raphson迭代方法,选用以力为基础的收敛准则,初始子步数为100步,定义平衡迭代步数最大为50次,设置好所有参数,先进行非线性有限元计算,再进行post-pre处理。

　　 《轻集料混凝土小型空心砌块》(GB/T 15229—2011)对砌块肋宽进行了具体规定:对于非承重墙体,肋宽≥20mm;对于承重墙体,肋宽≥25mm。根据该规定要求,中间肋宽分别取值为40,35,30,25,20mm,且以中间肋宽40mm的砌块模型为基础,与其他砌块模型进行对比分析。

　　 砌块模型所承受的荷载主要来自上部砌块的重量,本文模拟时依据实际受力情况,约束砌块模型底部,在砌块模型顶部施加均匀荷载至8MPa后进行有限元非线性受力分析 ^[3]。模拟计算结果见表2。

　　 从表2中可以看出:

　　 (1)当中间肋宽从40mm逐步减到20mm时,砌块模型的空心率从41.3%增加到43.3%,von Mises最大等效应力从33.4MPa下降到29.8MPa,极限强度从3.47MPa下降到2.61MPa,砌块模型承受的开裂荷载从263kN下降到199kN。由此可见,中间肋宽对砌块抗压强度有显著影响。

　　 (2)当中间肋宽≥30mm时,砌块模型最先出现压裂现象的部位在边肋,而当中间肋宽<30mm时,最先出现压裂现象的部位转移到中间肋。

　　 中间肋宽40mm和20mm砌块模型的von Mises等效应力云图如图2所示、总变形云图如图3所示。

　　 从图2和图3中可以看出:

　　 (1)砌块模型von Mises最大等效应力产生在砌块的端部周边处,最小等效应力在中间肋和边肋处,当中间肋宽为40mm时,von Mises最大等效应力为33.4MPa,最小值为9.89MPa,表明中间肋与肋壁是非抗压部位,随着中间肋宽减小,中间肋的抗拉、抗压能力减弱。

　　 (2)根据图3,砌块模型的端部存在较大变形。如当中间肋宽为40mm时,最大变形为0.204 2mm,最小变形在砌块模型受压底面,其值为0。

　　 模型及模拟条件同第1章,分别定义空腔边角半径R值为0,3,6,9,12,15mm,且以R=0为基础模型,分别分析空腔边角半径对砌块模型结构强度的影响。

　　 砌块基础模型的应力集中分布情况云图如图4所示。在砌块受压过程中,肋部受到了因压应力产生的沿横向拉应力,从而使得空腔边角部位受到横向拉应力的影响,产生应力集中现象。

　　 当空腔边角半径R从0变化到15mm时,砌块模型的抗压、抗拉极限强度的变化曲线如图5所示。空腔边角半径R为0和15mm的砌块模型的拉应力云图如图6所示。

　　 从图5、图6可以看出:

　　 (1)砌块模型抗压、抗拉极限强度随着空腔边角半径R的增加而增强,当空腔边角半径R从0变化到15mm时,砌块抗压极限强度的增幅为41.67%,抗拉极限强度的增幅为58.33%。

　　 (2)与空腔边角半径R=0模型相比,虽然空腔边角半径R=15mm模型的空心率降低了0.57%,但拉应力分布区域趋于均匀,空腔边角部位的应力集中现象减弱。

　　 (3)随着空腔边角半径R的增加,空腔边角部位的拉应力也随之变大,砌块抗拉性能增强 ^[4]。

　　 依据数值模拟建立的模型制作砌块试件(图7)。试验选用强度为50MPa的高强石灰膏调整砌块试件的铺浆面与坐浆面(其中铺浆面的石灰膏厚度为2mm),在模具内用玻璃板磨平,并用水平尺调至水平,在15℃以上的不通风室内养护5d后开始试验。

　　 依据《混凝土小型空心砌块试验方法》(GB/T 4111—1997),取试验砌块试件10块一组。砌块抗压强度检测设备采用TYE-2000B压力试验机。试验时采用设备上的油压机加载,砌块放于承压面,启动试验机后,手动缓慢均匀加载,当试验机显示的压力数值大幅度回落时,标志着砌块试件已破坏,试验停止,记录显示屏内的最大破坏荷载P_max数值,并重复下一砌块试件的试验。

　　 试件破坏的情况如图8所示。观察试验过程中出现裂缝情况,得到结论如下:

　　 (1)随着加载压力的增加,当中间肋宽≥30mm时,第一条裂缝出现在边肋部位,然后是空腔边角部位,同时在砌块试件的肋壁部位大片砌块材料脱落。这说明边肋、空腔边角和肋壁抵抗横向拉应力的能力比较弱,导致砌块试件被拉坏。

　　 (2)当中间肋宽<30mm时,第一条裂缝出现在中间肋部位,然后是空腔边角部位。

　　 (3)在同一砌块的空腔里分别设置圆角空腔和方角空腔,试验中发现方角空腔的角落出现裂缝时圆角部位完好无损,说明砌块边壁与肋采用弧形连接,其抗压、抗拉强度会有所加强,且弧度越大越好。

　　 将试验结果和通过ANSYS软件计算的结果进行对比分析,见表3。

　　 从表3可以看出:除个别数据有差异外,试验结果与数值模拟整体结果很接近,极限强度和开裂荷载的变化规律一致。即随着中间肋宽的减小,砌块结构强度逐步降低。

　　 本文采用ANSYS软件模拟和试验论证的方法,研究了中间肋宽和空腔边角参数变化对空心砌块结构强度的影响,得到了以下结论:

　　 (1)中间肋的宽度从20mm增加到40mm时,砌块的空心率下降2%,但砌块的极限强度增加33%。表明增加中间肋的宽度能有效增加空心砌块结构强度。

　　 (2)空腔边角的半径从0增加到15mm时,砌块的空心率下降0.57%,但其抗拉和抗压极限强度分别增加58.33%和41.67%。

　　 (3)将空腔方角改为圆角能有效增加空心砌块结构强度。