地震作用下砌体结构破坏倒塌的数值模拟和分析
本文选题:砌体结构 切入点:数值仿真 出处:《太原理工大学》2017年硕士论文
【摘要】:本文在前人工作的基础上,对地震波的数值处理和频谱特性、砌体结构离散化模型的建立方法、砌体单墙在循环载荷下的破坏变形模式、砌体结构建筑在地震载荷下的开裂倒塌行为开展了模拟和研究,主要完成了以下工作:1、阐述和说明了砌体结构的历史沿革、我国砌体结构发展现状以及我国地震灾害频发的事实,讨论了砌体结构在地震作用下的破坏形式和力学机理,调研了砌体结构数值方法的研究现状,从而提出本文所研究的问题,内容和目的。2、介绍了有限元动力学方法基本原理,阐述了显式时间积分的数值特性和收敛条件。鉴于离散化砌体结构模型复杂的拓扑关系和大量的单元数目,以计算精度和计算效率为目的,选择三维减缩积分单元进行计算,对单元的零能模式和其控制方法进行了说明。介绍了主流的商业有限元软件,选择以显式非线性计算著称的LS-DYNA作为计算工具进行模拟和分析。3、由于环境和人为因素影响,原始地震波加速度信号中通常夹杂有噪声信号,导致地震计算结果不可信。本文依据地震波处理基本原理,采用带通滤波和回归分析对汶川地震波地面加速度进行处理,并通过计算得到地面速度和地面位移。结果表明,经过处理后,地震波的基线漂移现象得到了校正,符合地面运动的实际情况。为了探究数值处理前后地震波性质的变化,对处理前后的地震波进行了反应谱计算。结果表明,经过处理后的信号与原始信号对结构造成的响应相近,可以认为,本文所采用的处理方法对地震波加速度信号的频谱特性影响很小。4、考虑了砌块和砂浆的材料特性,选取合适的本构关系描述两者的力学行为,给出了具体的材料参数。建立了组砌方式为一顺一丁的砌体单墙有限元模型,对其在面内循环载荷作用下的力学行为进行了模拟和分析。结果表明,墙体的变形模式和裂缝开展形式与实验结果吻合度较高,证明了离散模型的有效性。对砌体单墙的滞回曲线进行分析发现,虽然砌体结构的强度和刚度较低,但其在循环载荷作用下表现一定的延性性质和耗能能力。将连续墙体和开洞墙体对比后发现,开洞设计会使砌体单墙更早进入刚度退化和破坏开裂阶段。5、建立了三种不同加固措施(无加固、仅一层加固、双层加固)的砌体结构二层建筑离散化模型,对其在地震作用下的力学响应和开裂倒塌行为进行了模拟和分析。结果表明,无加固措施的砌体结构抗震能力明显较差,较低的强度和刚度导致砌体建筑在地震作用下不能维持结构的整体性,易产生开裂和整体倒塌。对结构一层设置构造柱加固后,结构整体刚度提高,抗震能力增强,没有发生整体倒塌,但一层墙体发生了面外方向的局部倒塌。由于砌体结构的延性性质和耗能能力,结构一层耗散了部分地震波能量,使结构二层的开裂破坏程度有所降低。在此基础上,将结构上下两层都设置构造柱加固,并对砌体进行配筋,结构强度和刚度有明显提高,在地震作用下砌体建筑仅有局部砂浆和砖块失效,没有发生整体倒塌和局部倒塌现象,结构表现出良好的抗震能力。
[Abstract]:In this paper , based on the work of predecessors , the numerical and spectral characteristics of seismic waves , the building method of the discrete model of masonry structure , the damage deformation mode of masonry structure under cyclic loading are simulated and studied . The mechanical response and the cracking collapse behavior of masonry structures under seismic action are simulated and analyzed . The results show that the structural integrity of masonry structures can not be maintained under the action of earthquake due to the low strength and rigidity of masonry structures .
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P315.9;TU311.3
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