基于匀质化理论与薄板能量变分原理的砌体墙平面外性能研究

At present, there are little studies on the out-of-plane characteristics of masonry structure in the existing research and design code. But the out-of-plane damages are common. Therefore, it is indispensable to make deep researches on the calculation and analysis theory of the out-of-plane behaviours of masonry structure. In this project, investigations of the out-of-plane deformation and stability of masonry wall will be carried out based on homogenization theory and energy variation principle of thin plate. Masonry wall composed with blocks and mortar will be homogenized based on the homogenization theory. In the process of homogenization, theory of regular tessellation will be leading in to surface decollate and element deconstruct, which supplies theoretical basis of geometric dividing to homogenized element. Anisotropic inhomogeneous masonry wall will be transformed into anisotropic homogenized wall by applying the homogenized element analytical results to the entirety; Thin plate models of different homogenized masonry walls will be carried out based on Kirchhoff hypothesis; Based on energy variation principle of thin plate, calculation method of out-of-plane deflection of homogenized wall with different boundary conditions will be investigated ;Based on energy variation principle of thin plate, critical buckling loads of homogenized masonry walls without openings and with openings will be obtained, and then the computational methods of height-thickness ratio limits of walls without openings and with openings will be proposed. Through this study, the calculation and analysis theory of the out-of-plane characteristics of masonry wall will be improved. It can provide references for further work and code revision.

在目前的设计规范和既有研究中，考虑砌体结构平面外性能的还非常少，而砌体结构经常发生平面外的破坏，因此有必要对其平面外性能计算分析理论展开研究。本项目基于匀质化理论与薄板能量变分原理对砌体墙的平面外变形及稳定问题展开研究。基于匀质化理论，将由块体和砂浆组成的砌体墙进行匀质化，在匀质化过程中，引入契合理论，对不同砌筑模式墙体进行平面分割解构，为匀质化单元几何分割提供理论依据，将匀质化单元的分析结果应用于整个墙体后将各向异性非匀质砌体墙匀质化为各向异性匀质体；基于Kirchhoff假定，构建不同形式匀质化砌体墙的薄板模型；基于薄板能量变分原理，建立不同边界条件匀质化砌体墙的平面外挠度计算方法；基于薄板能量变分原理，分别求得无洞口和有洞口匀质化砌体墙的压屈临界荷载，提出无洞口和有洞口匀质化砌体墙的高厚比限值计算方法。项目研究成果可完善砌体墙的平面外性能计算分析理论，供后续研究及规范修编参考。

对砌体墙进行平面外性能研究，完善砌体墙平面外性能计算分析理论非常必要。承受垂直于墙面的风载、水平地震作用等平面外荷载的砌体墙，本质上相当于不同边界条件下承受横向荷载的竖向薄板，所以可以把由块体和砂浆组成的砌体墙进行匀质化，构建砌体墙的薄板模型，从而借助薄板理论来研究其平面外性能。那么如何将各向异性非匀质的砌体墙匀质化为各向异性匀质体，从而构建其薄板模型以及怎样利用薄板理论来研究匀质化后的砌体墙的平面外性能是关键问题。本项目即围绕此关键问题展开研究。. 项目的主要研究内容为：各向异性非匀质砌体墙的匀质化研究；基于薄板能量变分原理的匀质化砌体墙平面外变形研究；基于薄板能量变分原理的匀质化砌体墙稳定问题研究。. 在项目执行期间，项目组取得了一定的研究的成果，发表了《不同砌筑方式下砌体严格匀质化方法研究》、《页岩多孔砖与砂浆黏结滑移本构模型研究》、《砂浆单轴抗压强度尺寸效应律研究》、《基于薄板稳定问题的砌体墙板高厚比限值》、《开洞对RC框架填充墙平面外受力性能的影响》、《既有建筑砌体抗压强度的贝叶斯推断》、《再生混凝土横孔空心砌块墙体局部受压性能试验研究》等期刊论文。得到了三种常见砌筑方式的砌体结构的代表性体积单元；运用板理论研究匀质化后的砌体墙板的力学性能，推导出匀质化墙板的压曲临界载荷计算公式，进而建立了墙板高厚比限值的计算公式，为弥补现行规范中高厚比缺乏相应的理论体系和计算方法的不足提供了一种解决方法，可供后续研究及规范修编参考。同时将研究成果进一步拓展到新型材料砌体结构和砌体可靠性评估领域。