RVE在砌体结构力学性能研究中的应用

摘要

砌体结构是世界各国所广泛采用的一种古老的结构形式，它以其独特的优势在我国现有的工业与民用建筑中占了相当大的比例，而且在今后很长的一个时期内，大量的建筑(特别是住宅建筑)都将是以砌体结构为主。然而，由于砌体材料物理性质不均匀，承受外荷载时各组成相间的受力关系复杂，砌体结构的理论研究工作落后于砌体工程的实践，这阻碍了砌体在工程上的应用。本文基于砌体的均质化理论，利用试验研究、微观力学模型和有限元模拟三种方法对砌体组成相到砌体代表性体积单元(RVE)的等效过程进行了详细的分析，并使之运用到砌体结构力学特性的研究中，主要在以下几个方面展开工作：
　　 1.综述了我国砌体结构的现状，包括砌体结构的历史、发展和优缺点等，简要介绍了目前用于砌体结构研究的各种方向和方法，其中重点介绍了本文所采用的砌体均质化方法的原理及其应用；
　　 2.基于现有的试验条件做了混凝土普通砖和砂浆的力学性能试验、砌体RVE的三向单轴抗压强度试验和砌体RVE的剪压复合受力试验，对试件的破坏特征及裂缝开展情况进行了详细的描述，并总结了砌体RVE受压破坏的各个阶段以及剪压复合的各种破坏形态，找出了剪压复合相关曲线的发展规律，为数值计算分析提供依据；
　　 3.利用砌体的均质化微观力学模型对选取的基本组元(1/4RVE)进行分析，考虑砌体RVE组成相间的协同效应，得出了基本组元的等效弹性特性(弹性模量、泊松比和剪切模量等参数)，其结果与有限元模拟结果相近；
　　 4.基于ANSYS有限元分析软件，对砌体RVE进行了多种荷载工况下的应力—应变关系模拟，得出了砌体RVE的等效弹性特性、在应力不变量空间内的强度包络图和宏观层面上的弹塑性本构关系矩阵，描述了RVE在不同应力状态下的失效形态，并将其屈服条件进行了近似的公式化表达；
　　 5.用累叠RVE的方法，验证了尺寸效应对RVE有限元模拟的影响，结果表明本文采用的强制位移荷载法更符合均质化理论的假设前提，能够有效地减少RVE等效过程中复杂约束和施力形式对等效结果的不利影响；
　　 6.将试验研究、力学模型和有限元分析得到的RVE等效参数进行对比以后，把均质化理论应用到实际试验的有限元分析中，其结果基本上与实际试验情况相吻合，说明砌体材料在均质化以后归入整体结构可以在一定程度上反映原砌体结构的受力性能，为进行大型砌体结构的有限元分析提供了更加简洁有效的方法。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1引言

1.2砌体结构的历史及发展

1.3砌体结构的特点及性能

1.4砌体结构的研究现状

1.4.1近代砌体结构的研究方向

1.4.2砌体结构的研究方法

1.5本文的研究目的和主要内容

第二章砌体均质化理论

2.1二维周期性材料的描述

2.2周期性应力和应变周期性位移

2.3均质化的实现

2.4均质化理论的应用

第三章砌体RVE的试验研究

3.1砖和砂浆的力学性能试验

3.1.1混凝土普通砖

3.1.2砂浆

3.2砌体RVE的轴心抗压试验

3.2.1试验目的

3.2.2试件设计与制作

3.2.3试验装置

3.2.4试验现象

3.2.5试验结果及分析

3.3砌体RVE的剪压复合试验

3.3.1试验目的

3.3.2试验装置及加载制度

3.3.3试验现象

3.3.4试验结果及分析

3.4本章小结

第四章砌体RVE的微观力学模型

4.1微观力学模型的发展

4.2微观力学模型的公式化表述

4.2.1力学模型描述

4.2.2 RVE的能量等效

4.2.3扬氏模量和泊松比

4.2.4剪切模量

4.3砌体RVE的力学等效弹性特性

4.4本章小结

第五章砌体RVE的有限元模拟

5.1分析方案

5.1.1 RVE几何模型

5.1.2单元类型

5.1.3材料本构

5.1.4屈服准则

5.2数值模拟

5.2.1应力—应变关系

5.2.2砌体的等效材料特性

5.2.3 RVE的破坏及失效模式

5.2.4 RVE的数值模型

5.2.5 RVE的尺寸效应

5.3砌体均质化过程的试验验证

5.3.1算例的试件制作

5.3.2算例的试验装置和加载制度

5.3.3算例的有限元模拟

5.3.4算例总结

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢