基于结构受力状态的砌体墙片细胞自动机分析方法

摘要

由于砌体结构组成的复杂性及其自身的高度变异性，导致现有的分析方法在分析砌体结构时，计算的精度和算法的稳定性很难取得满意的结果，这在一定程度上制约了砌体结构的发展；与此同时，所进行的各种砌体结构试验，积累了大量的试验数据，却没有被现有的结构分析方法充分利用，而且其中蕴含的未知知识尚待揭示。另一方面，砌体结构工作行为的复杂性使之成为丰富的科学与工程研究问题的载体，砌体结构研究领域可谓结构分析概念、理论与方法发展的沃土，几乎所有的结构分析方法都可以在此领域展现其特有功能。因此，需要创新性地发展现有的砌体结构分析方法，使之能够较为精确地分析砌体结构复杂的承载性能及工作行为，促进砌体结构的发展，并为其它结构分析领域提供可借鉴的分析理念和方法。
　　本文基于结构受力状态概念进行以下研究工作：
　　（1）建立预测面外均布荷载作用下砌体墙片破坏模式的细胞自动机模型，并详细讨论该模型的重要组成部分——状态值和类似区域的匹配准则。一方面，根据状态值的构造方式将其分为构造型和受力型两类，并分别介绍这两类状态值的计算方法。通过引入尺寸影响系数和构造影响系数，对构造状态值的边界条件初始值和传递系数进行修正；对比分析两类状态值，并给出各自的优缺点。另一方面，讨论最小距离匹配准则（准则1），提出基于最大风险的结构类似区域的匹配准则（二次匹配准则——准则2）与基于最大相关系数的结构类似区域的匹配准则（准则3），算例分析表明3个准则均是有效的。
　　（2）应用改进的细胞自动机方法对不同尺寸、不同约束形式的实体和开洞砌体墙片的破坏模式进行预测。通过对不同尺寸、不同约束形式的实体砌体墙片的破坏模式预测，对比3个匹配准则的预测精度及各自的优缺点；分别以实体和开洞砌体墙片为基础墙片，以准则3来匹配结构的类似区域，对开洞砌体墙片的破坏模式进行预测，验证准则3在开洞砌体墙片破坏模式预测中的有效性；最后，根据准则2的预测结果，揭示砌体结构变异的确定性现象。
　　（3）应用结构的应变能密度来反映结构的受力状态，建立两个基于结构受力状态的预测面外均布荷载作用下砌体墙片失效荷载的新方法，算例验证两种方法的有效性，并与屈服线方法及有限元分析方法进行对比，探讨方法的通用性、网格尺寸对预测精度的影响以及基础墙片的选择。对两种方法进行对比分析，研究两种方法在预测失效荷载时的关联性。在已有研究成果的基础上，分析墙片的尺寸对失效荷载预测精度的影响，提出基于尺寸的修正方法，改善预测的精度和稳定性。最后，对面外均布荷载作用下开洞砌体墙片的失效荷载进行预测。
　　（4）基于结构受力状态的分析方法，以低周往复荷载作用下发生弯曲破坏的配筋砌体墙的试验数据为研究对象，探讨结构的受力状态与荷载之间的关系，提出配筋砌体墙失效判定准则。
　　总之，本课题所进行的研究工作在结构分析理论上具有开拓意义，期待在结构分析理论发展、结构试验和结构工程实践产生一定的效益。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 细胞自动机方法在土木工程领域的应用现状

1.3 砌体结构在国内外的研究现状

1.4 细胞自动机技术在砌体结构中的研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 细胞自动机模型与改进

2.1 引言

2.2 细胞自动机的理论简介

2.3 细胞自动机模型

2.4 细胞状态值

2.5 结构类似区域的匹配准则

2.6 本章小结

第3章 面外均布荷载作用下砌体墙片破坏模式预测

3.1 引言

3.2 预测结果的定量描述

3.3 实体砌体墙片破坏模式的预测

3.4 开洞砌体墙片破坏模式预测

3.5 砌体墙片破坏模式变异性探讨

3.6 本章小结

第4章 面外均布荷载作用下砌体墙片失效荷载预测

4.1 引言

4.2 应变能密度

4.3 受力状态模式

4.4 预测面外均布荷载作用下砌体墙片失效荷载的细胞自动机方法

4.5 基于归一化应变能密度预测面外均布荷载作用下砌体墙片失效荷载方法

4.6 待预测墙片应变能密度计算途径的适用性讨论

4.7 两种方法对比

4.8 尺寸效应修正

4.9 开洞砌体墙片失效荷载的预测

4.10 本章小结

第5章 配筋砌体墙片基于受力状态的失效准则

5.1 引言

5.2 相关试验介绍

5.3 配筋砌体墙片的受力状态模式分析

5.4 受力状态参数与荷载之间的关系

5.5 失效准则

5.6 本章小结

结论

附录A 墙片SB05各测点的水平位移

附录B

B.1 墙片W3-W6有效测点位置示意图

B.2 墙片W3-W6在不同荷载下的应变能密度分布模式

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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