阶谱块体单元法及其在配筋砌块墙体开裂模拟中的应用

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阶谱块体单元法是在块体单元法的基础上提出的数值模拟方法,但比块体单元法有更好的计算精度、数值稳定性和计算效率。阶谱块体单元法中“块体—结构面—块体”的单元分布构型,和配筋砌块墙体“砌块—砂浆—砌块”的组合方式在几何上有着相似性。阶谱块体单元法可以充分研究结构面和块体的力学特征,若应用到配筋砌块墙体中,可以充分反映出砌块和砂浆层的变形能力。鉴于此,本文应用阶谱块体单元法实现配筋砌块墙体的数值模拟分析。本文将配筋砌块墙体简化为平面应力问题来分析,在建立墙体的数值分析模型时,需要考虑墙体中钢筋的作用效应和墙体与其他构件连接处的模拟分析。对此,本文提出了考虑钢筋作用的阶谱块体单元法计算模型,实现了在不增加整体刚度矩阵维数的情况下,将钢筋的作用效应按刚度叠加的方式,耦合到墙体的整体刚度矩阵中,并用算例验证了此模型计算程序的合理性和可行性。通过在墙体和构件连接处设置过渡元,应用有限单元和阶谱块体单元的耦合模型实现了连接处的模拟。根据已有的砌块材料和砂浆材料的试验分析,本文认为这两种材料在破坏时表现出明显的脆性性质,因此应用基于损伤力学的本构模型来描述砌块和砂浆的材料特性,并且提出了适用于本文的砂浆和砌块的开裂准则。在此基础之上,应用MATLAB语言编写了配筋砌块墙体的开裂模拟程序。基于K.C.Voon对配筋砌块墙体的试验,应用墙体的开裂模拟程序对水平配筋分布和数量均不同的的三块墙体实现了从开始加载到构件破坏的全过程模拟,并绘制出每步加载下的墙体裂缝图。试验开裂过程和模拟开裂过程的对比分析验证了本文开裂模拟方法的合理性和可行性。此外,由模拟得到的水平配筋数量和分布的不同对墙体的开裂形式造成差异,与试验结果也是相符的。
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