强震作用下砌体结构倒塌过程仿真分析

论文摘要

历次强烈地震中大量砌体房屋倒塌,造成巨大人员伤亡和财产损失。为研究和预防砌体结构震害,本文采用计算机仿真分析的方法着重研究砌体结构房屋在强震作用下的倒塌反应过程。首先,对已有砌体材料的本构关系和破坏准则进行了综合评述,然后应用砌体匀质化理论,探讨了砌体结构的建模过程。在此基础上,本文以仿真为手段,采用动力弹塑性有限法解决了有关结构倒塌的关键问题,主要为:(1)仿真分析基于显式积分求解非线性方程,使高度非线性问题得以实现;(2)采用三维实体单元模拟构件真实形状,可以准确的反映砌体构件的接触和碰撞关系及结构细部应力应变状况;(3)将损伤断裂计算引入材料模型,通过材料的指标超限定义单元的失效,使得砌体构件在一定条件下可以断裂,直至倒塌;(4)引入接触和碰撞算法,考虑计算构件之间的相互作用,合理的反映断裂构件与残余结构的碰撞关系,以及断裂构件的运动轨迹;(5)采用输入加速度的方法输入地震激励,直观模拟地震作用;(6)采用合理的后处理技术,以图形和动画等多种方式输出仿真分析结果,实现结果的可视化。最后,以一个三层砌体结构为研究对象,应用上述方法,再现了整个结构的倒塌过程,分析了峰值加速度及圈梁构造柱对砌体结构倒塌的影响,揭示了强震作用下砌体结构倒塌破坏规律。文中的仿真分析方法在一定程度上起到了“数值振动台”的作用。通过计算机中的“实验”可以了解砌体结构的易损性,确定其在强震作用下的薄弱环节及倒塌模式,为建立结构防倒塌机制提供了有力的技术支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.3 课题的使用价值和理论意义
• 1.4 本文研究主要内容
• 第二章 材料的本构关系和破坏准则
• 2.1 砌体的物理力学性能
• 2.2 砌体的本构关系
• 2.3 砌体的变形模量和泊松比
• 2.4 砌体的破坏准则和破坏机理
• 第三章 砌体结构有限元模型的建立
• 3.1 有限元方法的概述
• 3.2 非线性动力学有限元程序算法原理
• 3.3 砌体结构有限元模型的建立过程
• 3.4 小结
• 第四章 砌体结构地震反应全过程仿真分析理论
• 4.1 显式积分求解非线性动力方程及时间步长控制
• 4.2 应用三维实体单元建模
• 4.3 输入地震动
• 4.4 单元失效与结构倒塌模拟
• 4.5 接触和碰撞
• 4.6 仿真分析结果的可视化
• 4.7 小结
• 第五章 砌体结构地震倒塌全过程仿真分析实例
• 5.1 仿真分析方法基本步骤
• 5.2 多层砌体结构倒塌反应仿真
• 5.3 峰值加速度提高后砌体结构倒塌过程仿真
• 5.4 圈梁构造柱约束下砌体结构倒塌过程仿真
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及参与科研项目