【博士】混合离散单元模型的砌体结构倒塌反应分析

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内容简介

　　地震作用下的倒塌是既有结构最为复杂的动力反应之一，对这一现象的分析具有深刻的　　理论意义，同时也是工程实践的迫切需要。对于砌体这种在地震中经常受到严重损坏甚至倒　　塌的结构形式，有关的研究还在起步阶段，大量的问题尚待解决。本文基于离散单元法的思　　想．提出了一种混合离散单元模型．探讨了其面向对象的程序实现方式，开发了相应的图形　　模块，对砌体结构的倒塌反应进行了计算机仿真分析，并用已有的振动台模型试验对仿真分　　析结果(三维图像、位移曲线、加速度曲线)进行了验证。　　离散单元法具有不同的实现方式，本文对其动态松弛求解过程进行了分析，强调了这种　　求解方式在结构分析中应用时所需解决的关键问题。针对砌体结构的特点，通过消隐单元定　　位的方式，对楼板、圈粱、构造柱等混凝土构件进行了离散和组装，并用同样的方式建立了　　局部碳纤维加固砌体结构的计算模型，初步实现了对“混合”结构形式的离散单元建模；在　　对单元的空间运动进行系统地矢量描述的基础上，将多面体单元的接触判断和接触力求解以　　及单纯形积分方法引入了结构倒塌反应分析中：提出了弹簧点的概念并解释了其在力学上的　　意义，为在倒塌分析中离散单元法和有限单元法的耦合做了理论上的准备；在多刚体一弹簧　　模型的基础上，实现了砂浆弹簧和块体接触两种不同本构关系的“混合”；为确定相关的参　　数，进行了灰缝砂浆的压剪试验研究，根据试验结果将Columb准则引入结构离散元倒塌分　　析中，用以描述灰缝砂浆材料在压剪复合应力状态下的脆性破坏行为。在以上工作的基础上，　　本文应用所提出的混合离散单元模型对准静力反应问题、简单的动力反应问题和振动台模型　　的倒塌反应进行了仿真分析，并从数学意义和物理意义上探讨了刚度、阻尼、时步等关键参　　数的耦合作用，提出了适用于倒塌分析的收敛准则。与相关解析计算结果或试验结果的对比　　说明本文提出的理论模型符合实际，在对倒塌这一复杂动力反应进行定量分析时可以达到一　　定的精度。　　离散单元法的工程应用必须借助高效率的计算软件来实现，而目前基于离散单元法的通　　用仿真软件尚未大规模出现，被国外著名软件垄断的局面还未形成，因此有关数据结构、算　　法和程序开发的研究是当务之急。本文对以上混合离散单元模型的程序实现进行了深入的探　　讨，设计了功能较为完善的数据结构和程序结构，借助三维图形标准开发了可用于动态演示　　计算结果的图形仿真模块．并以完整的仿真系统开发为背景研究了核心计算模块和后处理模　　块的接口方式。这些工作为仿真系统稳定性、可开发性和高效率提供了保证，力求改变程序　　开发工作缺乏延续性或只能应用于特定课题的状况。　　结合以上的研究内容，本文最后对结构倒塌反应分析这一课题中尚应继续深入的内容提　　出了相应的建议。　　　　

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