內(nèi)填不同材料生態(tài)復(fù)合墻體基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的非線性損傷分析.pdf

1、生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系是一種生態(tài)、節(jié)能、減震型住宅結(jié)構(gòu)新體系，是密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系的延續(xù)，其內(nèi)填材料根據(jù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)墻體材料的應(yīng)用可按因地制宜、就地取材原則選用，研究和發(fā)展適用于不同地區(qū)的適宜性生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，將對(duì)加速傳統(tǒng)建筑業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化升級(jí)產(chǎn)生重要作用。本文在課題組前期研究成果的基礎(chǔ)上，圍繞5榀不同內(nèi)填材料生態(tài)復(fù)合墻體開展研究工作，采取試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從損傷角度詮釋不同內(nèi)填生態(tài)砌塊生態(tài)復(fù)合墻體的非線性行為，重點(diǎn)

2、對(duì)生態(tài)填充材料的基本力學(xué)性能、不同內(nèi)填材料生態(tài)復(fù)合墻體抗震性能、生態(tài)復(fù)合墻體基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的彈塑性簡(jiǎn)化計(jì)算模型、生態(tài)復(fù)合墻體材料雙剪損傷本構(gòu)關(guān)系和生態(tài)復(fù)合墻體非線性損傷性能等方面進(jìn)行研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴概述目前課題組應(yīng)用及研制的五種生態(tài)填充材料的特點(diǎn)，并介紹砌塊的主要制備工藝及流程。通過力學(xué)性能試驗(yàn)，研究填充塊材的受力特點(diǎn)，得到材料的基本物理、力學(xué)性能參數(shù)。用線性回歸分析法擬合出材料的單軸受壓本構(gòu)方程，用兩段直線構(gòu)

3、造出4種材料的單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。由材料的單向彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線的局部斜率，求得與硬化參數(shù)有關(guān)的硬化函數(shù)表達(dá)式，推導(dǎo)出材料增量彈塑性剛度矩陣的表達(dá)式。⑵對(duì)5榀（內(nèi)填材料分別為：加氣混凝土砌塊、植物纖維生土基砌塊、植物纖維水泥基砌塊、再生EPS輕骨料混凝土砌塊和棉花秸稈砌塊）1/2比例模型同尺寸不同內(nèi)填材料的生態(tài)復(fù)合墻體進(jìn)行偽靜力試驗(yàn)，研究生態(tài)復(fù)合墻體的受力特點(diǎn)和破壞機(jī)制，對(duì)比不同內(nèi)填砌塊生態(tài)復(fù)合墻體的承載力、滯回特性、延性、強(qiáng)

4、度退化、剛度退化和耗能等抗震性能。結(jié)果表明，砌塊、肋格與外框能夠相互作用，共同受力，在試驗(yàn)的彈性階段、彈塑性階段、破壞階段依次發(fā)揮作用，生態(tài)復(fù)合墻體是具有多道抗震防線的承力構(gòu)件；內(nèi)填植物纖維水泥基砌塊的生態(tài)復(fù)合墻體發(fā)生“強(qiáng)板弱柱”彎曲型破壞，其余四榀墻體發(fā)生“強(qiáng)柱弱板”剪切型破壞；內(nèi)填砌塊的抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度、彈性模量和與肋格的粘結(jié)能力這幾個(gè)參數(shù)是影響生態(tài)復(fù)合墻體特征荷載和特征位移的主要因素；5榀生態(tài)復(fù)合墻體的抗倒塌能力都較強(qiáng)。⑶結(jié)合前

5、期框格和復(fù)合墻體的試驗(yàn)研究結(jié)果，分析生態(tài)填充砌塊與框格間的受力特性，提出生態(tài)復(fù)合墻體彈塑性階段帶塑性鉸剛架-斜壓桿簡(jiǎn)化計(jì)算模型。采用考慮中間主應(yīng)力σ2影響、拉壓性能不同且適用于各種材料復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論，推導(dǎo)簡(jiǎn)化計(jì)算模型中等效斜壓桿的寬度表達(dá)式，并同5榀墻體的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。分別建立一榀足尺生態(tài)復(fù)合墻體（內(nèi)填加氣混凝土砌塊）和5榀1/2比例不同內(nèi)填材料生態(tài)復(fù)合墻體的帶塑性鉸的剛架-等效斜壓桿數(shù)值模型，進(jìn)行非線性動(dòng)、靜力反

6、應(yīng)分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，斜壓桿寬度表達(dá)式可為生態(tài)復(fù)合墻體中填充不同生態(tài)塊材計(jì)算等效寬度提供統(tǒng)一形式解；數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，該簡(jiǎn)化計(jì)算模型可應(yīng)用于生態(tài)復(fù)合墻體的非線性動(dòng)、靜力反應(yīng)分析。⑷基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論，推導(dǎo)材料的雙剪損傷本構(gòu)模型，根據(jù)生態(tài)復(fù)合墻體所用材料的單軸彈塑性本構(gòu)曲線，確定損傷模型中的參數(shù)，用 FORTRAN語言按照ABAQUS有限元軟件規(guī)定的用戶材料子程序格式要求編寫該模型子程序語言，通過軟件提供的UMA

7、T子程序接口將雙剪損傷本構(gòu)模型植入到現(xiàn)有的軟件材料庫中，用算例驗(yàn)證模型和程序的有效性。結(jié)果表明，雙剪損傷本構(gòu)模型為生態(tài)復(fù)合墻體材料多樣性提供了統(tǒng)一形式解；編制的程序驗(yàn)證結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，雙剪損傷本構(gòu)模型具有一定的精確性與實(shí)用性；只要參數(shù)b、α值確定，即可確定適用于各種材料的統(tǒng)一的屈服準(zhǔn)則；該本構(gòu)模型可用于不同結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力數(shù)值計(jì)算分析。⑸運(yùn)用編制的材料雙剪損傷本構(gòu)模型，建立5榀不同內(nèi)填材料生態(tài)復(fù)合墻體的數(shù)值模型并進(jìn)行非線性損傷分析

8、，得出結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷場(chǎng)的分布狀態(tài)，用損傷指數(shù)分別衡量結(jié)構(gòu)局部和整體的損傷程度，并選取每榀墻體內(nèi)填砌塊、框格和外框典型部位區(qū)域的損傷值進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果，構(gòu)造一類描述結(jié)構(gòu)延性性能的新型損傷指標(biāo)-荷載變化曲線，依次獲取各榀墻體的損傷延性指標(biāo)以及損傷延性面積，并提出一種新的基于損傷的生態(tài)復(fù)合墻體延性系數(shù)計(jì)算方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件延性設(shè)計(jì)的要求，得出生態(tài)復(fù)合墻體內(nèi)填材料強(qiáng)度指標(biāo)的合理范圍。結(jié)果表明，生態(tài)復(fù)合墻體的損傷區(qū)域主要集中在中間層砌塊、肋

9、梁肋柱相交處和外框柱腳和柱頂處，不同部位的砌塊損傷破壞存在差異，局部和整體損傷指數(shù)時(shí)程變化規(guī)律一致，在變形累積效應(yīng)下表現(xiàn)出非減特性；損傷延性指標(biāo)和損傷延性面積揭示了生態(tài)復(fù)合墻體損傷延性與結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；計(jì)算得出5榀生態(tài)復(fù)合墻體的損傷延性系數(shù)與傳統(tǒng)方法計(jì)算的延性系數(shù)基本接近，損傷延性在構(gòu)件宏觀延性性能與微觀損傷演化之間搭建起連接橋梁；生態(tài)復(fù)合墻體內(nèi)填材料的抗壓強(qiáng)度在0.5~2.5Mpa時(shí)，墻體的延性系數(shù)可達(dá)到3.0~5.0。

10、
　　本研究創(chuàng)新之處在于：⑴結(jié)合框格試驗(yàn)和墻體試驗(yàn)的研究結(jié)果，提出生態(tài)復(fù)合墻體彈塑性階段帶塑性鉸剛架-斜壓桿簡(jiǎn)化計(jì)算模型，基于雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論，推導(dǎo)出簡(jiǎn)化計(jì)算模型中等效斜壓桿的寬度表達(dá)式。斜壓桿寬度表達(dá)式可為生態(tài)復(fù)合墻體中填充不同生態(tài)塊材計(jì)算等效寬度提供統(tǒng)一解形式。此簡(jiǎn)化計(jì)算模型可應(yīng)用于生態(tài)復(fù)合墻體的非線性動(dòng)、靜力反應(yīng)計(jì)算分析。⑵基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論，推導(dǎo)材料的雙剪損傷本構(gòu)模型，根據(jù)生態(tài)復(fù)合墻體所用材料的單軸彈塑性本構(gòu)曲線，確定損傷模

11、型中的參數(shù)，用FORTRAN語言按照ABAQUS有限元軟件規(guī)定的用戶材料子程序格式要求編寫該模型子程序語言。該本構(gòu)模型考慮了中間主應(yīng)力σ2及材料拉壓性能不同的影響，只要參數(shù)b、α值確定，即可確定適用于各種材料的統(tǒng)一的屈服準(zhǔn)則。該模型可用于不同結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力數(shù)值計(jì)算分析。⑶建立5榀不同內(nèi)填材料生態(tài)復(fù)合墻體的數(shù)值模型進(jìn)行非線性損傷分析，根據(jù)分析結(jié)果，構(gòu)造描述結(jié)構(gòu)延性性能的新型損傷指標(biāo)-荷載變化曲線，依次獲取各榀墻體的損傷延性指標(biāo)以及損傷延性