砌体开裂过程数值试验 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:东北大学出版社

作者:王述红等

出品人:

页数:137

译者:

出版时间:2003-9

价格:15.00元

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isbn号码:9787810549400

丛书系列:

图书标签:

• 砌体结构
• 开裂机理
• 数值模拟
• 有限元
• 损伤力学
• 结构工程
• 岩土工程
• 裂缝扩展
• 力学分析
• 建筑工程

砌体结构开裂行为的精细化模拟研究：理论、方法与应用 引言 砌体结构作为一种古老而广泛应用的建筑形式，其耐久性和承载能力在很长一段历史时期内得到了充分的验证。然而，随着时间的推移，以及在地震、沉降、温度变化、材料老化等不利因素的影响下，砌体结构中常常会出现不同程度的开裂现象。这些裂缝不仅会影响结构的整体美观，更可能严重削弱其承载能力、抗震性能以及抵抗环境侵蚀的能力，从而引发安全隐患。因此，深入理解砌体结构的开裂机理，并对其开裂过程进行准确预测和评估，是保障砌体结构安全、延长其使用寿命的关键。 传统的砌体结构开裂评估方法多依赖于经验公式、宏观试验观察以及基于损伤累积的半经验半理论模型。这些方法在一定程度上能够反映结构的宏观受力性能，但难以捕捉开裂过程中复杂的细观力学行为，例如砂浆与砖石之间的相互作用、裂缝的萌生与扩展路径、应力集中点的演化等。这些细观层面的细节对于准确预测开裂的发生时机、裂缝的形态以及最终的破坏模式至关重要。 近年来，随着计算力学的飞速发展以及数值模拟技术的不断成熟，基于精细化数值模型的砌体结构开裂模拟研究逐渐成为该领域的研究热点。相较于传统的分析方法，精细化数值模拟能够更真实地反映材料的非线性特性、结构的复杂几何形态以及荷载的加载过程，从而提供对砌体结构开裂行为更为深刻和全面的认识。本研究正是致力于探索砌体结构开裂过程的精细化数值模拟方法，旨在建立一套能够准确捕捉砌体结构从微裂纹萌生到宏观破坏的全过程的计算框架。 研究目标与意义 本研究的核心目标是开发一套先进的、能够精细化模拟砌体结构开裂过程的数值分析方法。具体而言，本研究将着重解决以下几个关键问题： 1. 精细化本构模型的建立与完善： 传统的砌体结构本构模型往往采用简化处理，难以准确描述砂浆和砖石在拉、压、剪等不同受力状态下的复杂非线性行为，尤其是材料的损伤、脆性断裂特性。本研究将深入研究现有材料力学理论，结合实验数据，建立能够更精确反映砌体材料（砖、砂浆）各自以及复合体（砌体）的非线性变形和损伤演化规律的本构模型。这可能需要引入损伤力学、断裂力学等理论，并考虑材料的微观结构特性。 2. 数值离散化方法的选择与优化： 砌体结构的复杂性和开裂过程中裂缝的任意性给数值模拟带来了挑战。传统的有限元方法在处理大变形、几何突变以及裂缝追踪方面可能存在困难。本研究将探索和比较不同的数值离散化方法，如常规有限元法（FEM）、扩展有限元法（XFEM）、内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）等，并针对砌体开裂的特点，选择或优化最适合的数值方法。例如，XFEM能够无需重新划分网格即可模拟裂缝的出现和扩展，CZM则能直接在界面上模拟裂缝的张开和剪切，这对于模拟砂浆与砖石之间的粘结破坏尤为有效。 3. 开裂过程的数值模拟与验证： 在建立好精细化的本构模型和数值方法后，本研究将对不同类型的砌体结构构件（如墙体、柱、拱等）在不同荷载条件（如静力荷载、拟静力荷载、动力荷载等）下的开裂过程进行精细化数值模拟。模拟将关注裂缝的萌生位置、扩展路径、宽度、形态以及最终的破坏模式。为了保证模拟结果的可靠性，将积极寻求与现有实验数据（如室内加载试验、现场监测数据等）进行对比验证，以评估模型的准确性和预测能力。 4. 参数敏感性分析与影响因素研究： 通过数值模拟，本研究还将对影响砌体结构开裂的关键参数进行敏感性分析，例如砂浆强度、砖石强度、界面粘结强度、材料的泊松比、加载速率、应力集中系数等。深入研究这些参数如何影响开裂的发生和发展，有助于为砌体结构的加固设计、材料选择以及施工质量控制提供科学依据。 5. 工程应用潜力探讨： 本研究的最终目标是推动精细化数值模拟技术在砌体结构工程实践中的应用。研究成果将为评估既有砌体建筑的安全性、设计新型砌体结构、进行抗震性能分析以及制定合理的维护和修复策略提供有力的技术支撑。 研究内容概述 2.1 砌体材料精细化本构模型 砌体结构由砖（或石块）和砂浆两种主要材料组成，它们的力学性能差异显著。本研究将对砖和砂浆的各自本构模型进行深入研究，并在此基础上，重点关注砖墙这一复合材料的宏观本构行为。 砖和砂浆的本构模型： 考虑到砌体材料的脆性特点，拟采用能够描述其弹塑性、损伤和断裂行为的本构模型。可能包括： 损伤力学模型： 用于描述材料内部微观损伤（如微裂纹）的累积和演化，进而导致宏观强度的降低和刚度的退化。 弹塑性模型： 描述材料在达到屈服点后的非线性变形行为。对于砌体材料，需要区分受压和受拉时的不同响应。 断裂力学模型： 描述材料在裂缝萌生和扩展过程中的能量耗散和应力奇异性。 砌体宏观本构模型： 考虑到砖与砂浆的相互作用，以及砌体的多孔性和各向异性，将研究以下建模策略： 微观模型： 直接模拟砖和砂浆的单元，通过界面单元（如内聚力模型）来描述砖墙界面（砂浆层）的粘结和滑移行为。这种方法能够最真实地反映开裂过程，但计算量巨大。 宏观模型： 将砖和砂浆视为连续介质，通过等效的宏观本构关系来描述砌体的整体力学行为。在这种情况下，需要发展能够反映砌体材料“等效”力学性能的本构模型，例如考虑等效弹性模量、等效泊松比、等效强度等。关键在于如何从微观力学行为推导出宏观的等效本构关系。 本研究倾向于结合使用这两种策略，即在部分关键区域采用微观模型进行精细化模拟，而在其他区域采用宏观模型以减小计算负担。 2.2 数值离散化方法与裂缝模拟技术 裂缝的出现和发展是砌体结构开裂过程的核心。本研究将重点研究能够有效处理裂缝的数值方法： 有限元方法（FEM）： 作为最常用的数值方法，FEM将结构离散化为有限个小单元。对于裂缝模拟，常规FEM需要在裂缝出现时进行网格重划分，这不仅复杂且容易引入数值误差。 扩展有限元法（XFEM）： XFEM通过引入特殊的形函数，能够在不改变现有网格的情况下，模拟裂缝的出现、扩展和贯穿。这大大简化了裂缝追踪的过程，提高了模拟效率。本研究将深入研究XFEM在砌体裂缝模拟中的适用性，以及如何针对砌体结构的特点进行算法优化。 内聚力模型（CZM）： CZM将材料界面（如砖与砂浆的界面，或材料内部的潜在裂缝面）离散化为一系列独立的内聚单元。这些单元在张开和剪切时会产生内聚力，并根据特定的退化准则（如损伤准则、断裂能准则）而失效。CZM非常适合模拟脆性材料的界面破坏和准脆性材料的整体断裂。本研究将深入研究如何将CZM应用于模拟砖墙的界面开裂和贯穿性裂缝的形成。 本研究将重点探索XFEM与CZM的结合应用，即在砖墙界面使用CZM来描述砂浆的粘结破坏，而在砖体内部采用XFEM来模拟裂缝的萌生和扩展。 2.3 砌体结构开裂过程模拟与案例分析 在完成本构模型和数值方法的开发后，将选取典型的砌体结构构件（如砌体墙体在侧向荷载下的表现，砌体柱在轴向荷载下的局部压碎与拉伸开裂，砌体拱在承受均布荷载下的开裂模式等）进行数值模拟。 不同荷载条件下的模拟： 静力荷载： 模拟慢速加载过程中裂缝的萌生、扩展和最终破坏。 拟静力荷载： 模拟地震作用下的滞回响应，关注荷载-位移曲线的演化以及残余变形。 动力荷载（可选）： 考虑加载速率对开裂过程的影响，例如高速撞击或地震动激励。 裂缝可视化与量化分析： 模拟过程中将对裂缝的几何形态、位置、长度、宽度等进行详细记录和可视化。通过定义合适的指标，对开裂的程度进行量化评估。 案例验证： 收集并分析相关的实验数据，包括材料参数、试件尺寸、加载方式、加载结果（裂缝形态、破坏载荷、位移等）。将模拟结果与实验结果进行对比，以验证模型的准确性和可靠性。 2.4 参数敏感性分析与影响因素研究 为了深入理解砌体结构开裂行为的影响因素，将进行参数敏感性分析。 主要敏感参数： 材料强度参数： 砖的抗压强度、抗拉强度、砂浆的抗压强度、抗拉强度、界面粘结强度。 几何参数： 砖的尺寸、砂浆层的厚度、墙体的高厚比。 加载参数： 荷载的幅值、加载速率、荷载组合。 损伤参数： 损伤阈值、损伤演化规律。 分析方法： 采用单因素变化或多因素耦合变化的方法，观察各参数的变化对开裂时机、裂缝形态、承载能力等指标的影响。 2.5 工程应用前景展望 本研究的成果将为砌体结构的安全评估和设计提供新的工具和方法： 既有砌体建筑的安全性评估： 通过精细化数值模拟，可以更准确地评估现有砌体建筑在各种荷载条件下的损伤状态和剩余寿命，为加固和修复提供科学依据。 新型砌体结构的设计优化： 在新砌体结构的抗震设计中，可以利用本研究的数值模型预测结构的开裂行为，优化结构形式和材料配比，提高结构的整体性能。 损伤机理的深入理解： 通过模拟，可以更直观地观察和分析砌体结构开裂的内在机理，为理论研究提供新的视角。 结论 本研究致力于通过精细化的数值模拟方法，深入研究砌体结构的开裂过程。通过建立先进的材料本构模型，选择和优化合适的数值离散化技术（如XFEM和CZM），并结合详细的案例分析和参数敏感性研究，旨在建立一套能够准确预测砌体结构开裂行为的计算框架。本研究的成果有望为砌体结构的设计、评估、加固和维护提供有力的技术支持，从而提高砌体结构的整体安全性和耐久性。

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我注意到这本书在理论阐述的同时，非常注重与实际工程案例的结合。虽然它本质上是一本偏理论和数值方法的专著，但作者似乎时刻没有忘记这些模型最终是要应用于解决现实世界问题的。书中提及的若干经典工程破坏案例分析，使得那些抽象的数值结果变得“有血有肉”。比如，书中对比了某类特定结构在模拟不同加载速率下的响应差异，并通过图表直观地展示了粘塑性效应如何影响最终的损伤模式，这对我正在进行的一个实际项目提供了非常及时的参考。这种理论与实践的紧密结合，避免了学术研究脱离实际的窠臼。它让我确信，书中所教授的分析工具是真正能在工程实践中发挥作用的“利器”，而不是仅仅停留在纸面上的漂亮公式集合。

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这本书的行文风格可以说是相当的“硬核”和严谨，丝毫没有为了迎合大众读者而刻意简化专业术语，这对于真正想深入研究的工程师或者研究生来说，简直是福音。它完全是站在一个专业研究者的角度来撰写的，每一个公式的推导都详尽无比，每一个假设的提出都有明确的理论支撑。我特别欣赏作者在讨论不同模型局限性时的坦诚态度，没有把任何一个方法描述得“万能”，而是客观地指出了它们各自适用的范围和潜在的误差来源。这种实事求是的态度，让整本书的论述充满了可信度。读这本书的过程，更像是在跟随一位经验丰富的大师进行一次深入的学术探讨，而不是简单的知识传授。书中的参考文献列表也非常庞大且具有代表性，足见作者在资料收集和学术积累上的深厚功力，为后续的深入研究指明了方向。

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坦白讲，这本书的阅读体验更像是在进行一场马拉松式的智力挑战。它的深度绝对不是那种“快餐式”的科普读物可以比拟的。我发现自己必须放慢速度，很多段落需要反复阅读，甚至需要对照着其他经典教材来相互印证。这并非是说作者的表达有问题，而是因为所讨论的主题本身就涉及极高的计算复杂度和材料科学的交叉点。特别是在涉及到非线性有限元分析的部分，作者对参数的选择和收敛条件的讨论极为细致，稍微不注意就可能在脑海中构建出错误的物理图像。不过，正是这种挑战性，让我在成功理解某个复杂概念时获得的成就感倍增。它强迫我跳出原有的思维定势，用更系统、更底层的视角去审视材料行为，对于提升个人的工程分析能力而言，其价值是无法估量的。这本书绝对适合已经具备一定基础，渴望迈向更高阶分析水平的读者。

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从装帧和排版的角度来看，这本书的制作水平确实体现了出版社对高质量学术著作的尊重。纸张的选择偏向哑光，这对于长时间阅读来说非常友好，有效减少了反光对眼睛的刺激。字体和行距的排布兼顾了信息密度和阅读舒适度，即便是那些充满数学符号和上下标的复杂公式，也能被清晰地区分开来。更值得称赞的是，书中对图表的编号和引用管理做得非常到位，正文提及的图表号与实际位置的对应关系精准无误，这在查阅资料或回顾特定细节时，极大地节省了时间。总的来说，这是一本从内到外都透露着专业气质的专业书籍，它不仅仅是一套知识的载体，更像是一件精心打磨的工具，值得在专业图书馆中占有一席之地。

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这本书的封面设计实在令人眼前一亮，那种沉稳的色调搭配着简洁的几何图形，一下子就抓住了我的注意力。拿到手里沉甸甸的，感觉内容一定非常扎实。我本来对这个领域了解不多，还担心会太晦涩难懂，但翻开目录后，发现作者的章节划分逻辑性很强，从基础原理到复杂的应用场景，一步步引导读者深入。尤其是前几章对基本概念的梳理，非常清晰，即便是初学者也能很快跟上节奏。书中穿插的插图和图表也制作得非常精良，很多关键的力学模型和受力分析图，都是通过这些直观的视觉元素来展现的，极大地降低了理解难度。我记得有一次，我被一个理论卡住了好几天，结果在这本书里找到了一个特别形象的比喻，一下子就茅塞顿开，这种体验真的非常棒。作者显然在内容组织上下了很大功夫，确保知识点的衔接自然流畅，读起来完全没有跳跃感，让人很愿意一口气读下去，探索下一个未知的领域。

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