应用RVE均质化方法的砌体非线性分析

摘要

砌体结构是结构工程中最常使用的几种结构形式之一，随着新型砌体材料及新式砌体施工方法的出现，加之砌体本身造价低廉、易于取材、维护方便等优势，在目前的建筑工程中正在得到越来越广泛的应用。然而，砌体的理论研究工作却落后于砌体的工程实践，现在主要的砌体结构分析方法是，在通过试验掌握砌体整体力学性能的基础上，直接建立砌体的力学模型，这种方法比较多地依赖于试验数据的支持。新发展起来的砌体均质化理论，源于复合材料力学，它以砌体各组成相(材料)的力学性能为基础，以分析它们之间的混合效应为主，得到砌体代表性体积单元RVE(RepresentativeVolumeElement)的各种力学特征，再将代表性单元应用到整体结构中，来表达整体结构的力学性能。砌体均质化理论的主要任务是建立一个从微小单元到整体结构等效过程的理论体系，形成从砌体组成相的性质等效至微小砌体RVE，再反映至整个结构的一条完整理论路径，从而可以简化砌体的试验研究工作。 但是，由于发展时间不长，描述这一等效过程的理论体系还主要处在弹性阶段。针对这个事实，本文采用了弹塑性有限元模拟的方法，探索了一下该方法应用于砌体均质化理论的可行性。本文所做的有限元分析工作主要是砌体RVE单向受力下的力学性能模拟；RVE的等效弹性模量和泊松比的求取；砌体RVE在单向剪压复合受力情况下的力学性能模拟；所取RVE大小对力学性能的影响；以及如何克服有限元模拟时，复杂的约束条件和施力形式对RVE等效结果产生的不利影响。通过对分析结果与实际砌体受力情况的对比，说明了有限元法可以用于砌体RVE的均质化等效过程。同时，由于砌体RVE在其定义上与有限单元有类似之处，本文考虑再一次将有限元法应用在砌体RVE描述整体结构的过程中，为此本文用砌体RVE的等效参数，使用有限单元模拟了由重庆大学骆万康教授等人[1]所做的一个三层砖房模型，结果表明这一数值模拟是比较切合实际的，从而说明了用砌体RVE作为其组成相的替代，来描述整体结构是合理的、有效的，也从侧面反映了有限单元法与砌体均质化理论在某些方面有相通之处，为大型砌体结构的力学分析找到了新的道路。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1引言

1.2近代砌体的发展和研究现状

1.2.1材料学方向

1.2.2工程学和力学结合方向

1.2.3工程学方向

1.2.4力学方向

1.3本文的研究目的和主要研究内容

1.4本文采用的研究工具和方法

2混凝土和钢筋的本构关系及砌体的研究方法

2.1引言

2.2混凝土和钢筋的本构关系

2.2.1混凝土的本构关系

2.2.2钢筋的本构关系

2.3砌体的研究方法

2.3.1二维周期性复合材料的描述方法

2.3.2周期性应力和应变周期性位移

2.3.3均质化

2.3.4均质化理论的应用

3 ANSYS单元及原理介绍

3.1 ANSYS简介

3.2单元类型和部分原理

3.2.1 SOLID45单元——3D实体结构单元

3.2.2 SOLID65单元——3D加筋混凝土单元

3.2.3 Link8 3D杆(桁架)单元

3.3非线性分析方法及部分原理

3.3.1 ANSYS中的弹塑性

3.3.2率无关塑性的原理

4砌体RVE的有限元模拟

4.1 RVE

4.1.1 RVE的选取

4.1.2本文的RVE研究对象

4.1.3 RVE的强度模拟

4.1.4 RVE的等效弹性常数

4.1.5复杂施力条件和约束形式对有限元RVE模拟的影响

4.2总结

5实际砌体结构算例的有限元分析

5.1算例的选取

5.1.1算例的尺寸和配筋情况

5.1.2算例的受荷及约束情况

5.1.3组成试验模型的材料性能

5.2算例的有限元模型

5.2.1采用的单元类型

5.2.2参数确定

5.2.3网格的划分

5.2.4约束和荷载施加方法

5.3结果分析

5.3.1 FE模型的承载力

5.3.2 FE模型的受力和破坏形态

5.3.3 FE模型荷载-水平位移关系

5.4总结

6结语

致谢

参考文献