有限元法在砌体结构分析中的应用_VIP免费

��收稿日期:2005-05-10基金项目:国家十五科技攻关课题(2002BAB806-4);东北大学博士后基金项目作者简介:王茂龙(1976-),男,博士后,主要从事结构工程及新材料研究.文章编号:1671-2021(2006)01-0040-05有限元法在砌体结构分析中的应用王茂龙1,2,刘�明2,朱浮声1,2,李�宁3(1�沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168;�2�东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110004;3�沈阳市城乡建设委员会,辽宁沈阳110013)摘�要:目的研究有限元法在空间砌体结构分析中应用的可行性,并提出模拟砌体带裂缝损伤状态的有限元建模及分析方法.方法进行砌体结构模型拟静力试验及脉动测试,并采用等效体积单元法对空间砌体结构模型进行有限元分析.在对有限元模型的优化更新研究中,以损伤状态下的识别刚度作为目标函数,根据结构位移、抗侧移刚度及外荷载三者的内在关系,通过调整弹性模量优化有限元模型来模拟砌体带裂缝工作状态,并对比拟静力试验及动态测试识别结果进行理论分析.结果利用所提出的有限元建模及分析方法很好地模拟了砌体结构完好及带裂缝损伤状态下的工作特性,有限元模型计算分析结果与实测值具有良好的一致性.结论采用等效体积单元(RVE)可以准确模拟空间砌体结构的材料特性.利用动态测试数据结合反演理论进行结构模型的优化更新方法可有效模拟砌体结构的带裂缝工作状态,并有效地考虑砌体材料的离散性问题.关键词:有限元法;砌体;等效体积单元;参数互补校正法;匀质化;振动反演理论中图分类号:TU36���文献标识码:A���0�引�言由于砌体结构是由砂浆和块体两种性质截然不同的材料砌筑而成的二相复合材料,所以在有限元建模过程中单元模拟困难,导致砌体结构的有限元分析发展缓慢.笔者在综合分析基础上,把理论研究和工程实际紧密联系在一起,进行了砌体结构模型的拟静力试验及动态测试研究.并应用等效体积单元(RVE)进行空间砌体结构的线性和非线性分析,探讨了模拟砌体结构带裂缝工作状态下的有限元分析方法.1�等效体积单元在砌体结构有限元分析中的应用��在砌体结构有限元建模过程中,通常采用离散性和连续性两种模型,两种模型都能用于结构的线性和非线性分析.主要区别是离散性模型分别考虑砂浆和块体的不同单元属性,并利用接触单元进行单元间连接;而连续性模型是把砌体材料作为连续介质来分析,需要将砌体材料匀质化得到与其工作特性及破坏形式都相同的新材料.这是一种基于微观力学和微观结构的匀质技术,得到的等效体积单元(RVE)能包括砌体所有的几何与组成信息,但需要确定一些在微观水平上的参数[1-2].1�1�等效体积单元的特点砌体结构的等效体积单元具有如下特性:(1)所有的砌体材料特性;(2)连续性的介质材料;(3)介于连续模型与分散模型之间提供单元划分模式.简言之,就是把砌体材料等效为一种各项异性的匀质连续单元体.其优点在于:属于连续性模2006年1月第22卷第1期�沈阳建筑大学学报(自然科学版)JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience)�Jan.�2006Vol�22,No�1型,并考虑了砂浆和块体的特性,避开了离散模型考虑不同单元建模的难题;同时考虑了砂浆和块体的作用及相关信息.等效体积单元的本构关系:砌体结构通常被看作各向异性的材料,在平面应力-应变条件下砌体等效体积单元的弹性应变关系可以表示如下:�xx�yy�xy=E111-�12�21E11�211-�12�210E22�121-�12�21E221-�12�21000G�xx�yy�xy(1)弹性模量可以通过3种不同的特定位移边界条件下的应力-应变关系曲线得到:(1)�xx�0,�yy=�xy=0;(2)�yy�0,�xx=�xy=0;(3)�xx=�xy=�yy=0;根据这些荷载情况可利用式(2)、(3)、(4)求出等效体积单元的弹性模量及剪切模量:�21=�(2)xx/�(2)yy,�12=�(2)yy/�(1)xx(2)E11=�(1)xx(1-�12�21)/�(1)xx,E22=�(2)yy(1-�12�21)/�(2)yy(3)G=�(3)12/�(3)12(4)实际应用过程中,由于求解弹性模量需要测量几个在微观水平上的参数,实验比较烦琐,而且误差受实验条件影响较大,所以常常采用直接测量荷载和变形的方法确定弹性模量.1�2�等效体积单元的破坏及失效模式砌体结构从受力直到破坏,大部分非线性变形主要发生在砂浆部分,通常只有在压应力很大的时候,砌体中的块体才...