高智能非線性有限元課程報(bào)告

1、云南農(nóng)村民居云南農(nóng)村民居 竹筋夯土墻的試驗(yàn)研究竹筋夯土墻的試驗(yàn)研究- 高智能- 導(dǎo)師:楊曉東 高工 陶忠 教授-工程抗震研究所Experimental Study on Bamboo Rammed-earth Wall of Rural Traditional-Houses in Yunnan Province 論文選題 論文隸屬于“云南農(nóng)村民居地震安全工程”課題，論文工作為鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）村建筑抗震技術(shù)規(guī)程生土結(jié)構(gòu)房屋章節(jié)條文的制定提供依據(jù)， 由省建設(shè)廳專項(xiàng)基金資助，6萬(wàn)元 術(shù)語(yǔ)定義 竹筋夯土墻-在墻內(nèi)鋪設(shè)竹條，以改善其 受力性能的夯土（土筑）墻體 生土墻-土坯墻或土筑墻擬研究方法現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)研試驗(yàn)研

2、究理論分析數(shù)值模擬，對(duì)比分析應(yīng)用實(shí)際云南生土建筑類型生土墻承重，木屋架房屋土坯墻土筑墻生土墻承重，硬山擱檁房屋土坯墻土筑墻木構(gòu)架承重，生土墻圍護(hù)紅河州建水縣-土筑墻一角紅河州建水縣-土坯墻一角A Rammed-Earth House in Spain A Villa of Earth Building in Ethiopia 14 M.J.Delgado，I.C.Guerrero，Earth building in Spain，Construction and Building Materials，2006(20)：67969015 John Morris，Quintin Booysen，Ea

3、rth construction in Africa，Proceedings：Strategies for a Sustainable Built Environment，Pretoria，23-25 August， 2000福建南靖土樓“四菜一湯”云南省地震縱攬（1970年至今，6級(jí)以上15次）時(shí)間時(shí)間地點(diǎn)地點(diǎn)震級(jí)震級(jí)震中烈度震中烈度/ / 死亡死亡/ /人人倒房倒房/ /萬(wàn)間萬(wàn)間損失損失/ /億元億元70.01.05通海7.7 1015692 33.8 2.971.04.28普洱6.7 82 0.033 /74.05.11大關(guān)7.1 91423 2.80.976.05.29龍陵7.4 99

4、8 4.22.7779.03.15磨黑6.8 911 0.21.68485.04.18祿勸6.1 822 25.08688.11.06瀾滄-耿馬7.6,7.29748 75 20.593.01.27普洱6.3 8/0.7395.10.24武定6.5 958 2.6778 896.02.03麗江7.0 9309 35.82598.10.02寧蒗6.2 85 /400.01.15姚安5.9,6.5848417.9401.10.27永勝6.0 71 284.403.07.21大姚6.2 816 0.9343 1007.06.03寧洱6.4 83 24.22507.6.3寧洱地震生土房屋震害調(diào)研結(jié)果

5、生土結(jié)構(gòu) 磚木 磚混 框架 土坯墻震害比夯土墻嚴(yán)重，土坯墻的破壞程度山墻最為嚴(yán)重，后墻次之，山墻與后墻的轉(zhuǎn)角處更是普遍現(xiàn)象，這一特點(diǎn)和1996年麗江地震的情況類似。 墻倒架歪是典型破壞形式墻倒架歪墻倒架歪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角處處震震壞壞鋪設(shè)竹筋鋪設(shè)竹筋鋪鋪設(shè)設(shè)木木梁梁鋪設(shè)竹筋和木梁，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比來(lái)看，鋪設(shè)竹筋和木梁，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比來(lái)看，震害有所減輕震害有所減輕1996麗江7.0級(jí)地震：土木磚木磚混 From：文獻(xiàn)1注：平均震害指數(shù)=基本完好%0.0+輕微%0.3+中等%0.5+嚴(yán)重%0.7+倒塌%0.9國(guó)內(nèi)已有的相關(guān)研究 1、中國(guó)建筑科學(xué)研究院，木構(gòu)架承重土坯墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)足尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，2006；（文獻(xiàn)1） 2、

6、長(zhǎng)安大學(xué)，生土結(jié)構(gòu)房屋的墻體受力性能試驗(yàn)研究，2006。(文獻(xiàn)5)建科院的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 該論文對(duì)木構(gòu)件承重土坯墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采取抗震措施，進(jìn)行足尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。 并應(yīng)用SAP2000，對(duì)有抗震措施模型，和無(wú)抗震措施模型進(jìn)行對(duì)比分析。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)足尺模型模型平面：模型平面：3.72m5.14m 地震臺(tái)面：地震臺(tái)面：6m6m沒(méi)有抗震措施的SAP2000分析結(jié)果有抗震措施的SAP2000分析結(jié)果試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比1、SAP2000較好模擬了有抗震措施模型在地震作用下（輸入地震加速度峰值0.2g）的位移，計(jì)算結(jié)果與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果較為接近。2、有抗震措施的位移，在測(cè)量點(diǎn)上，只是無(wú)抗震措施的52.8%，5

7、7.8%，71.3%，這充分說(shuō)明了采取抗震措施是抵抗地震作用的重要手段。其研究成果 1 通過(guò)采取提高房屋整體性整體性和加強(qiáng)各節(jié)點(diǎn)連接節(jié)點(diǎn)連接等 抗震措施，使此類原本在7度（0.1g）地震作用 下即可產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的房屋，到8.5度（0.35g） 依然未發(fā)生嚴(yán)重破壞； 2 抗震構(gòu)造措施對(duì)墻體開裂有很強(qiáng)的約束作用； 3 屋架、梁柱節(jié)點(diǎn)、墻柱連接節(jié)點(diǎn)抗震效果良 好，達(dá)到預(yù)期效果。我的試驗(yàn)研究工作 試驗(yàn)材料主要包括兩種：原料土和竹材。二者均來(lái)自昆明近郊的嵩明縣，初步計(jì)算得知：原料土的用量約4.8t;竹筋的需求數(shù)量： 水平竹筋，截面為3mm8mm，8根； 水平竹筋，截面為4mm10mm，60根； 豎向竹筋

8、，截面為5mm5mm，96根。23加載裝置與荷載估計(jì)24水平作用力反力墻加載帽反力架圖圖3.1 改進(jìn)后的試驗(yàn)裝置改進(jìn)后的試驗(yàn)裝置Fig.3.1.Improvement of Loading Equipment 豎向應(yīng)力的估計(jì)： 每個(gè)豎向千斤頂分擔(dān)的力為： 根據(jù)以往的試驗(yàn)估計(jì)，水平力大概為：2531.21.21.21.2 1.61 9.8 5.1 100.1FghAghAAMpa310.1 300 160010242vFkN40 80kNkN試件的設(shè)計(jì)與測(cè)點(diǎn)布置夯土墻片的尺寸：1600900300（mm），數(shù)量定為6片水平竹筋的配筋率確定：先初步估算配筋量的最大值與最小值，再依據(jù)這個(gè)范圍來(lái)定豎向

9、竹筋的確定：采用150mm長(zhǎng)的短豎筋，要求上下搭接26墻片編號(hào)竹筋的鋪設(shè) 水平竹筋的配筋率/% A素土墻片0B水平竹筋0.2C水平竹筋 + 豎向竹筋 0.08D水平竹筋 + 豎向竹筋0.2E水平竹筋 + 豎向竹筋0.4F水平竹筋，且端部錨固于墻內(nèi) 0.227表表3.1 試件設(shè)計(jì)試件設(shè)計(jì)Tab.3.1.Design of Specimens竹筋夯土墻最小配筋率的計(jì)算 參照抗震設(shè)計(jì)規(guī)，抗震墻分布筋最小配筋量0.2%，等強(qiáng)度代換計(jì)算得：280.2%235 1.60.2%0.03%188 13.4ysysccSysyycscyccf Af Af Af AAAf Aff fAf AAf ff最大配筋率的

10、計(jì)算29F中點(diǎn)中點(diǎn)竹筋層竹筋層Lbh圖圖3.2 竹筋夯土墻單元層示意圖竹筋夯土墻單元層示意圖Fig.3.2.Sketch of Unit Layer of Rammed Earth Wall with Cane1212220.3 80020.6%188 200yssysyFf ALFbFFLAbfLAbhf h圖圖3.3 墻墻A測(cè)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)布置Fig.3.3.Test Points Layout of Wall-A 圖圖3.4 墻墻B墻墻F測(cè)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)布置Fig.3.4.Test Points Layout of Wall-BWall-F30竹筋夯土墻試件制作與養(yǎng)護(hù)31墻墻體體加加筋筋示示意意

11、圖圖端部彎鉤 墻體水平荊條約50約60150250水平荊條墻體豎向荊條水平荊條荊條綁扎荊條綁扎水平荊條豎向荊條墻體墻體豎向荊條水平荊條荊條綁扎圖3.5 素土墻片A部分制作圖片F(xiàn)ig.3.5 Parts of Production Pictures of Wall A 33圖3.6 墻片B部分制作圖片F(xiàn)ig.3.6.Parts of Production Pictures of Wall B KMUST抗震所34圖3.7.墻片C部分制作圖片F(xiàn)ig.3.7.Parts of Production Pictures of Wall C KMUST抗震所35圖3.8.墻片D部分制作圖片F(xiàn)ig.3.8.

12、Parts of Production Pictures of Wall D KMUST抗震所36圖3.9 墻片E部分制作圖片F(xiàn)ig.3.9.Parts of Production Pictures of Wall E KMUST抗震所37圖3.10 墻片F(xiàn)部分制作圖片F(xiàn)ig.3.10.Parts of Production Pictures of Wall F KMUST抗震所38養(yǎng)護(hù)文獻(xiàn)4：夯土墻的最佳養(yǎng)護(hù)溫度、相對(duì)濕度分別為25、6039日期早中晚天氣 溫度/相對(duì)濕度 （/）0808年年4 4月月2121日日24/48 28/34 -晴晴22日日23.5/65 25.5/60 28/54

13、 晴晴23日日22/82 21.5/66-晴晴24日日17/86 -陰陰25日日15.5/87 20/67 -陰陰27日日-21/62 -晴晴28日日17/61 20/47 18/67小雨小雨29日日17/84 18/85 18/88 小雨小雨30日日16/92 21/72 -陰陰0808年年5 5月月3 3日日-26.5/52 28/34小雨小雨4日日20/100 21/62 -小雨小雨5日日17/82 18/84 19/80小雨小雨6日日18/94 22/67 -陰轉(zhuǎn)晴陰轉(zhuǎn)晴7日日20/8227/4828/42晴晴8日日22/7729/4529/40晴晴9日日23/70-晴晴10日日19/

14、6020/54-陰陰11日日19/5823/4427/37陰陰12日日21/7023/5424/50陰陰13日日21/5822/52-小雨小雨14日日20/7220/8022/72小雨小雨各項(xiàng)均值各項(xiàng)均值19.7/74.2 22.7/58.5 24.1/56.4-總體均值總體均值22.2/63.0表表3.2 3.2 實(shí)驗(yàn)室溫濕度記錄實(shí)驗(yàn)室溫濕度記錄Tab.3.2.Records of Temperature and Humidity of Laboratory40圖3.11 養(yǎng)護(hù)前的6片墻片試件Fig.3.11. Six Wall-Specimens Before Curing 41Wall-

15、AWall-BWall-CWall-DWall-EWall-F竹筋的抗拉試驗(yàn) MTS試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的竹筋抗拉強(qiáng)度均值為： 188Mpa42NONO面積面積mm mm 力力N N位移位移mmmm抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度MPaMPa局部應(yīng)變局部應(yīng)變彈模彈模MPaMPa155.513409.814.0241.60.01813423.3245.010114.312.5224.80.01514984.2378.09847.515.5126.30.00621041.74110.413691.817.5124.00.01012402.0577.717383.118.5223.70.0504474.4表表3.3 竹筋抗拉

16、強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)竹筋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3.3.Data of the Tensile Strength Test夯土的含水率試驗(yàn)由擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得：夯筑最優(yōu)含水率為21.8，由含水率試驗(yàn)測(cè)得“手握成團(tuán)，落地開花”的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為23.7，結(jié)果是接近的43墻片Wall-AWall-BWall-BWall-BWall-BWall-B夯筑時(shí)/%22.326.824.123.425.120.4養(yǎng)護(hù)后/%2.84.24.24.75.34.6表3.4 含水率Fig.3.4.Percent Moisture Content 直剪試驗(yàn)與擊實(shí)試驗(yàn)直剪試驗(yàn)與擊實(shí)試驗(yàn)是在昆明理工大學(xué)土工試驗(yàn)室做的，其中直剪試

17、驗(yàn)提供了嵩明土的抗剪強(qiáng)度，擊實(shí)試驗(yàn)提供了夯筑的最優(yōu)含水率試驗(yàn)結(jié)果：在0.1Mpa的豎向壓力下，抗剪強(qiáng)度約0.3Mpa；嵩明土夯筑的最優(yōu)含水率為21.844451 1 確定測(cè)點(diǎn)位置、確定測(cè)點(diǎn)位置、描初裂縫描初裂縫2 吊運(yùn)就位3 加砂找平4 放置L型頂部加載鋼帽5 布置豎向千斤頂6 布置水平千斤頂7 支百分表8 豎向預(yù)壓11 水平加載12 直至破壞、描裂縫、拍照9 水平預(yù)壓10 豎向加載圖圖4.1 4.1 試驗(yàn)流程試驗(yàn)流程Fig.4.1. Test Procedure試驗(yàn)現(xiàn)象 縱觀6片墻，裂縫都是從加載端向斜下方發(fā)展的，最終裂縫將墻片的薄弱部位貫通起來(lái)。46圖4.1 六墻片西面的裂縫Fig.4.1

18、.the Cracks of Six Walls in Westside Wall-AWall-BWall-CWall-DWall-EWall-F47試驗(yàn)結(jié)果48墻片編號(hào) 豎向荷載Pv/kn 屈服荷載Py/kn屈服位移y/mm極限荷載Pu/kn極限位移u/mm延性系數(shù) 側(cè)移角Wall-AWall-BWall-CWall-DWall-EWall-F48484848484838443846404012.323.322.727.117.923.158544552485029.633.743.639.229.740.72.41.41.91.51.71.81/341/301/231/261/341/25

19、表4.1 試驗(yàn)結(jié)果Tab.4.1 Test Results圖4.2 六墻片的力與位移曲線Fig.4.2. the Force-Displacement Curve of Six Walls（圖中：橫軸代表水平力/kn；縱軸代表水平位移/mm） Wall-AWall-BWall-CWall-DWall-EWall-F49010203040506070-10010203040 x1x2x3x4x5x6x7x80102030405060-10010203040 x1x2x3x4x5x6x7x8010203040500204060X1X2X3X4X5X6X7X802040600204060X1X2X3

20、X4X5X6X7X80102030405060-10010203040X1X2X3X4X5X6X7X80102030405060-200204060X1X2X3X4X5X6X7X8X方向應(yīng)力云圖 Y方向應(yīng)力云圖 第一主應(yīng)力云圖 第三主應(yīng)力云圖 ANSYS：擬定承載力計(jì)算公式 竹筋夯土墻抗側(cè)承載力，影響因素包括三部分三部分：土的抗剪土的抗剪、豎向壓應(yīng)力豎向壓應(yīng)力、竹筋的抗拉竹筋的抗拉 借用砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范-無(wú)筋砌體抗剪承載力計(jì)算公式，初步構(gòu)造出竹筋夯土墻的抗剪承載力計(jì)算公式：12013()bbVaaAa f A結(jié) 論1、和傳統(tǒng)素土夯土墻相比，竹筋夯土墻可以提高抗剪承載力，尤其是屈服荷載提高明顯，

21、還可以提高抗震耗能能力；2、通過(guò)三種不同水平竹筋配筋率夯土墻（0.08、0.2、0.4）的對(duì)比試驗(yàn)，得知：0.2配筋率的墻片不論是在抗剪強(qiáng)度上，還是在反應(yīng)耗能能力的延性上都比其它二者要好；3、對(duì)水平竹筋采取一定的豎向固定措施（比如布置豎向竹筋、端部錨固等）可以較好的改善延性；524、竹筋夯土墻片的原土宜選用粘性好的土，和砂性土相比，粘性土更不容易出現(xiàn)“界面滑移”現(xiàn)象，且布筋應(yīng)適量，竹筋的粗細(xì)應(yīng)適當(dāng)；5、極限荷載取決于夯土本身。53存在問(wèn)題1、養(yǎng)護(hù)期墻片開裂嚴(yán)重2、屈服荷載與極限荷載的確定有些模糊3、試驗(yàn)數(shù)量有限，離散性大 4、應(yīng)進(jìn)行更深入的理論分析 劉穎-土坯墻砌體等效體積單元分析 RVE（Representative Volume Element）數(shù)值模擬至關(guān)重要的一點(diǎn)是：將砌體材料均質(zhì)化后模擬得到與原砌體性質(zhì)相同，且破壞模式一樣的材料當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)砌筑方式砌筑方式 RVE模型模型 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分:采用三維8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元C3D8R對(duì)模型進(jìn)行離散，單元尺寸為101010，整個(gè)RVE共離散成42160個(gè)單元。施加荷載和邊界條件：施加荷載和邊界條件：在頂在頂面施以均布面荷載，約束住面施以均布面荷載，約束住底面底面3個(gè)方向的個(gè)方向的6個(gè)自由度。個(gè)自由度。 13%受壓極限荷載受壓極限荷載 73%受壓極限荷載 100%