砌体匀质化过程的数值模拟方法与应用研究

摘要

砌体匀质化理论融合离散模型和整体连续模型的优点,对研究砌体结构力学模型至关重要。本文对砌体RVE匀质化过程的数值模拟方法进行分析与研究,得到RVE等效材料特性并将等效参数应用于分析砌体墙片的受力性能。本文主要研究成果如下:
　　 阐述了匀质化方法的基本假设、适用条件以及在有限元的实现方法。对匀质化方法的主要研究对象——等效体积单元的概念进行描述,从而说明分析研究RVE得到的等效参数可以推广表达整体的力学性能,为RVE力学模型的研究提供理论依据。
　　 考虑RVE各边的应变状态,建立了周期性边界条件,用约束方程推导论述了其在有限元分析中的实现过程。利用python脚本语言编制可用于ABAQUS有限元软件的二次开发程序,在有限元建模时,可实现自动添加周期性边界条件,为砌体RVE在有限元建模的前处理提供有价值的参考。
　　 采用ABAQUS软件并运行周期性边界条件python脚本,建立了砌体RVE的三维有限元实体模型,对RVE单轴、双轴、三轴以及剪压等复杂应力条件下的情况进行模拟分析,得到RVE各向受力特性。得到的RVE强度包络图可以说明砌体的破坏可以分为受压破坏、受拉破坏和剪切破坏。根据正交各向异性弹性矩阵计算得到砌体RVE等效弹性模量、剪切模量以及泊松比。对影响RVE弹性力学性质的因素进行分析,结果表明:加载方向、组元选取方式等均对其有一定影响。
　　 引入损伤因子,根据弹性余能等效原理对损伤因子取值进行推算,为建立匀质化的宏观损伤模型提供参数。
　　 基于ABAQUS软件对砌体墙片建立整体连续模型,采用RVE的等效参数,对试验砌体墙片进行拟静力分析,得到滞回曲线,墙体表现出一定的耗能能力。通过模拟分析可以发现,模拟墙体塑性拉伸应变的分布与试验墙体裂缝的位置较吻合,墙片的延性系数较试验结果偏大。对比分析表明:用匀质化方法建立的整体连续模型不但提供了自由划分网格的优点,同时在一定程度上能够模拟分析砌体墙的整体受力性能,可以采用此法取代部分试验。