基于隐式梯度模型研究混凝土梁

研究了基于隐式梯度模型的混凝土梁,模拟结果表明,隐式梯度模型可以很好地消除网格敏感性及病态的应变局部化所带来的零能量损耗问题,能够准确描述破坏的根本力学机制,因此本文对于隐式梯度模型在混凝土断裂损伤数值模拟的研究有重要的理论意义及工程应用价值。     

基于扩展有限元的混凝土梁断裂破坏仿真研究

基于扩展有限元方法,模拟不同缝高比以及截面高度混凝土三点弯曲梁断裂破坏过程,构建了混凝土梁荷载-开口位移的数学模型,研究初始缝高比及构件尺寸对混凝土梁应力强度因子以及损伤耗能的影响发展规律。研究结果表明,混凝土梁三点弯曲的荷载-开口位移发展曲线可以分为线性上升、非线性上升与非线性下降三个阶段。混凝土梁抵抗断裂破坏的能力会随着初始缝高比的增大而减小,随着构件截面高度的增大而增强。相同荷载下混凝土应力强度因子会随着初始缝高比的增大而增大,随着截面高度的增大而减小。混凝土梁构件三点弯曲加载过程中的损伤耗能具有明显的三阶段发展演化规律。     

木材非线性受力行为的表征方法研究进展

木材非线性受力行为的表征方法对木结构构件和节点受力行为的有限元分析具有至关重要的影响。为此,从木材失效行为的判别依据和材料本构模型两方面对该领域的研究进展进行了梳理总结。结果表明,已有的强度准则各有其局限,难以全面地反映木材复杂的失效行为。在数值模拟中常需要结合不同强度准则以提高预测模型的计算精度。弹塑性本构模型能够合理反映木材在压应力作用下的硬化行为,并且能够描述木材出现的残余变形,但该模型难以描述木材在拉应力和剪应力作用下的刚度退化和强度软化行为。弹性损伤理论可在一定程度上反映材料的软化行为和反复加载过程中的刚度退化行为,但该理论不能考虑材料的塑性变形。基于上述理论建立的黏聚区单元的初始刚度和相邻单元长度对计算结果具有显著的影响。三维弹塑性损伤模型已经被应用于木结构构件和螺栓连接节点的有限元分析中,此类模型能有效反映构件和节点区域木材的损伤演化规律。随机损伤本构模型和非局部化损伤模型是未来的发展趋势。     

基于柔度法梁柱单元的自适应损伤扩展模型

在分析了柔度法钢筋混凝土梁柱单元的变形局部化问题以及现有的规则化技术的优势与不足的基础之上,基于柔度法梁柱单元,分析了钢筋混凝土梁、柱构件损伤及破坏特点,提出了自适应损伤扩展模型。结合范德蒙矩阵动态求解相应的积分点权重,实现了塑性铰长度动态变化,克服了数值计算中的积分敏感性问题。对简支梁、钢筋混凝土悬臂柱进行非线性分析可知,该模型不仅可以模拟构件的受力软化行为,还可以描述受力硬化行为的损伤扩展情况,且具有较好的计算精度。     

基于损伤塑性模型的混凝土双K断裂参数确定

利用混凝土损伤塑性模型,对混凝土三点弯曲梁(TPB beam)损伤-断裂过程进行数值模拟;再通过数值模型,从损伤起始临界时刻定义起裂荷载,由峰值荷载时刻损伤因子的分布确定裂缝失稳扩展时刻的临界等效有效裂缝长度,提出了确定混凝土起裂断裂韧度、失稳断裂韧度的新方法.研究结果表明:基于损伤塑性模型的混凝土三点弯曲梁数值模型,...     

岩土介质应变局部化问题的广义塑性梯度理论研究

进一步探索岩土介质的强度与变形机制，就必然要深入分析其细观变形和破坏性态。大量试验表明，由于试样的微细观层面上的不均匀性的影响，试样在破坏时常常出现狭窄带状高应变梯度区的应变局部化现象。研究应变局部化问题实质上是研究岩土工程的基本科学问题——岩土介质的一种真实破坏过程。基于传统连续介质力学的应变梯度理论难以反映岩土介质最基本的力学性质，如果能将广义塑性力学同应变梯度理论结合志来，应该能够得到一些新的启迪。 通过对宏观试验结果和CT试验结果的分析，提出一种可包含局部化变形的相当小而非无穷小的研究基元——塑性梯度体元，基于塑性梯度体元分析了应变局部化启动机制；建立起塑性应变的微分表达式后，随着硬（软）化模量从正值变为负值，变形模式将由均匀变形模式变为局部化变形模式。 进而，基于广义塑性力学的双屈服面模型和对塑性梯度体元的分析，构造由梯度依赖的双屈服面得到的塑性剪切应变和塑性体积应变的微分方程表达式，从而建立广义塑性梯度模型的理论框架，使其在反映岩土介质的基本力学性质的同时，也能反映介质的应变局部化特征，给出一种可能的梯度依赖的双屈服面的形式。阐述广义塑性梯度模型模拟局部化变形模式的机制。提出模型各个参数，尤其是其中局部化参数的物理意义和通过宏观可测量的物理量结合数值分析反推材料局部化参数的途径。 然后，在将位移进行离散的同时，也通过构造的C连续性的插值函数将塑性乘子在空间离散，得到一组以节点位移向量和节点塑性乘子向量为基本未知量的非线性方程组，从而建立广义塑性梯度模型的数值模型，给出了相应的边界条件处理方法和数值算法。 最后，编制二维FORTRAN90数值分析程序和VB后处理程序，并给出数值算例。算例显示塑性应变局限于局部处发生和急剧发展的过程；塑性剪切应变和塑性体积应变进入局部化变形模式后都主要集中在局部化带内，反映出岩土在一定条件下的剪胀机制；避免了病态的网格敏感性；且局部化带宽度受局部化参数影响。     

基于能量耗散的混凝土塑性-损伤模型

应用连续介质损伤力学和塑性流动理论,建立了基于能量耗散机制的塑性-损伤耦合模型。模型采用非关联塑性流动法则描述混凝土不可恢复变形的演化。模拟刚度退化的损伤变量演化函数则通过断裂能和应力-非弹性应变空间中的累积耗散能量建立。基于有限元程序ABAQUS,推导了增量格式的材料雅可比矩阵,构建了塑性-损伤模型的仿真分析程序。应用模型分析混凝土板平面内双轴受压试验、混凝土切口梁试验和钢筋混凝土梁受弯试验,计算获得的构件响应与试验结果吻合良好,能够反映多轴应力状态对混凝土抗压强度的影响,也能准确模拟损伤导致的构件非线性反应。     

基于CSC模型的UHPC构件侧向低速冲击分析

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)较普通混凝土具有更优异的强度、韧性和耐久性,广泛应用于桥梁墩柱和建筑承重柱,而上述构件存在车(船)、滚石等侧向低速冲击的潜在威胁,为此,针对UHPC梁/柱构件在侧向冲击下的损伤破坏和动态响应进行数值仿真分析。现有商用模型中广泛采用的混凝土动态本构模型均基于普通混凝土开发,如混凝土损伤(K&C)模型和混凝土连续面帽盖(CSC)模型等。基于作者前期开展的UHPC单轴拉/压、三轴压缩和Hopkinson杆动态拉/压试验,以及已有UHPC双轴等压和静水压试验数据,系统标定了UHPC材料CSC模型的强度面、帽盖、损伤、应变率和硬化参数,给出了一组适用于UHPC的CSC模型参数确定方法。进一步基于LS-DYNA商用有限元分析软件,对已有四组钢管UHPC梁和钢筋UHPC梁/柱构件的落锤冲击试验进行数值模拟,通过对比落锤冲击力、梁/柱动态挠度响应和破坏模式,验证了所提出的CSC模型参数计算方法的适用性和正确性。同时,对冲击过程中刚性落锤与构件之间的作用过程及能量耗散进行了讨论。结果表明：平头落锤冲击下构件经历了惯性抵抗、变形响应、构件回弹和脱离四个阶段;球头落锤冲击构件的惯性抵抗阶段不明显;随着冲击能量的提高,钢管(筋)耗能占比逐渐增大。     

循环载荷下纤维薄板增强RC梁的疲劳性能研究

通过建立循环载荷下碳纤维薄板(CFL)增强RC梁的累积损伤模型,并与增强梁的疲劳试验结果进行对比,研究增强构件的疲劳性能和损伤、破坏过程。试验发现CFL增强RC梁的疲劳损伤演化历程包括混凝土开裂、CFL与混凝土剥离、钢筋屈服等过程,具有明显的疲劳损伤成核、稳定扩展、失稳扩展三阶段发展规律,根据增强梁的载荷、挠度历程可以得到抗弯刚度演化历程。研究结果表明用CFL增强RC梁的剩余抗弯刚度来度量其疲劳损伤变量具有明确的物理意义,在此基础上建立的疲劳损伤演化方程能够准确模拟CFL增强RC梁的疲劳损伤破坏过程,进一步结合抗弯刚度可预测其剩余疲劳寿命。     

几何缺陷对双向偏压作用下矩形钢管混凝土柱受力性能影响分析

矩形钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁具有便捷的连接方式和节点构造,被广泛用作现代建筑中的结构柱,其常常处于双向压弯状态。考虑组合柱中的相互作用和截面扭转变形的影响,建立了精细化的矩形钢管混凝土柱双向偏心受压作用下力学性能分析的有限元模型,计算结果与已有双向偏压矩形钢管混凝土柱试验结果吻合较好。文章重点分析了初始几何缺陷对构件受力性能的影响。分析结果表明,初始几何缺陷会减小构件沿强轴变形的刚度,增强沿弱轴变形的刚度;几何缺陷控制在构件长度的1/1000以内时,其对极限承载力的影响可忽略。     

盾构隧道管片接头破坏特征及损伤特性试验研究

破坏特征和损伤特性是管片接头失效分析和承载性能研究的重要内容,对于确保其受力安全具有重要意义。文章开展了正负弯矩下管片接头抗弯破坏试验,对接头混凝土裂纹和压溃、螺栓受力和变形及接头位移等宏观破坏特征进行了总结,采用声发射技术对接头混凝土损伤演化过程和分布范围等细观损伤特性进行定量分析。研究结果表明：高轴压下管片接头破坏特征为4条主裂纹、微裂纹和缝面压溃区,随后受压区混凝土压溃;螺栓变形模式以弯曲为主,负弯矩下螺栓形变更加明显;接头破坏过程中声发射计数和能量存在显著峰值,该峰值出现时刻对应破坏现象为接缝面微裂纹向可见裂纹发展,说明此时接头承载状态发生了显著变化;接头损伤垂直于接缝面的分布范围为缝面两侧各0.855h(正弯,h为接头厚度)和0.584h(负弯),沿幅宽方向的分布范围为螺栓两侧各0.2b(b为单颗螺栓所占管片幅宽,即管片幅宽除以接头处螺栓颗数)。     

基于跨尺度精细方法的面板坝面板损伤演化尺寸效应分析

中国面板坝建设规模正突破200~300 m级跨越,研究地震面板损伤破坏对特高坝抗震性能和安全控制具有重要意义。引入Quadtree跨尺度建模和非线性SBFEM-FEM耦合分析方法,联合土体广义塑性模型、弹塑性接触模型和混凝土塑性损伤模型,研究了高面板坝面板地震精细损伤演化过程。研究表明：面板损伤区主要发生在高程0.6H~0.9H区间附近;随顺坡向网格细化,损伤越趋局部化,越能合理地反映面板顶部的损伤破坏现象,建议顺坡向面板尺寸取0.5~1.0 m。面板大部分区域法向划分2层或1层网格可满足计算精度,但对顶部局部区域,可考虑分3层网格。基于Quadtree-SBFEM-FEM的跨尺度分析方法,实现了面板的精细化损伤演化规律研究,可为工程地震薄弱区域的精准定位和抗震安全控制方法的有效性分析提供重要参考和指导。     

钢筋混凝土平板-T形柱结构的等效梁法计算模型研究

为了解决现有的钢筋混凝土板柱结构计算模型存在的问题,运用ETABS分析程序对不同柱网尺寸、不同楼层总高度的典型的钢筋混凝土平板-T形柱结构采用等效梁方法进行简化建模分析,并将分析结果和运用ETABS分析程序的杆壳单元模拟的相应结构模型的分析结果进行比较,对这种简化方法进行了评价,并提出了能够反映在水平荷载和竖直荷载共同作用下板柱结构受力变形特征的计算模型。分析表明,现有等效梁方法能够反映板柱结构的受力变形特征,只是模拟结果不稳定且绝大部分结果偏刚;等效梁的宽度取值主要与所考察受力方向的结构跨度、结构层高和总高度有关。     

岩样单轴压缩塑性变形及断裂能研究

首先研究了应变软化阶段岩石试件轴向塑性变形。假设局部化开始于峰值强度而轴向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切带的相对塑性剪切位移与应力水平及剪切带宽度有关，剪切带宽度由梯度塑性理论确定。剪切带的相对塑性剪切位移在轴向的分量为轴向塑性压缩位移。研究结果表明：剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率有一定的影响；若剪切带倾角存在尺寸效应，不同高宽比试件的相对应力-塑性变形曲线不是一条严格直线，而是一个狭窄的区域，类似“马尾”。但是，剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率的影响是有限的，峰后应力-塑性变形曲线的斜率基本上是常量，这与前人的一些试验现象相符。然后，研究了单轴压缩条件下岩石试件全部断裂能的尺度律。全部断裂能由峰前断裂能及峰后断裂能两部分构成。在峰值强度前，采用Scott模型描述了材料的非线性弹性特征，得到了峰前断裂能的解析解。结果表明：峰前断裂能与试件的高度有关。在峰值强度后，材料的剪切应力-塑性剪切应变的本构关系为线性应变软化，采用梯度塑性理论计算了由于剪切带塑性剪切变形而消耗的断裂能。目前提出的关于全部断裂能尺寸效应的解析解的正确性被前人的试验结果的线性回归结果验证。增加试件高度，全部断裂能增加。增加弹性模量，全部断裂能降低。若不考虑剪切带倾角及抗压强度的尺寸效应，全部断裂能存在尺寸效应的原因是：峰前的均匀塑性变形。     

预应力FRP布加固混凝土梁的承载能力分析

基于连续损伤理论，考虑胶层的剪切效应，建立了FRP加固修补混凝土结构的高阶剪切弯曲与面内变形耦合的非线性有限元分析模型。FRP加固修补的缺陷在于失效，失效主要是混凝土的破坏和胶层的失效，纤维布的性能并没有得到充分的发挥，采用将纤维布进行初始拉伸后贴于梁的下表面的方法对梁进行修补，可以改善加固修补效果；将纤维布预先进行3mm和5mm的拉伸并对加固过程进行了非线性有限元分析模拟，并与试验结果进行了对比，证明了此方法加固的有效性。     

超宽桥面部分斜拉桥施工控制

柳州三门江大桥主桥为(100 160 100)m 双塔双索面三跨部分斜拉预应力混凝土箱梁桥,桥面宽41m,居同类型桥梁国内第一。介绍该桥悬臂施工中采用的控制方法和施工控制主要内容,重点介绍了施工过程中主梁变形、斜拉索索力的测试和控制及主梁截面应力、索塔变形的监测。工程实践表明,该施工控制方法合理,取得了满意的控制结果,为同类型桥梁的施工控制提供了参考。     

预应力FRP布加固混凝土梁的承载能力分析

基于连续损伤理论,考虑胶层的剪切效应,建立了FRP加固修补混凝土结构的高阶剪切弯曲与面内变形耦合的非线性有限元分析模型。FRP加固修补的缺陷在于,失效主要是混凝土的破坏和胶层的失效,纤维布的性能并没有得到充分的发挥,采用将纤维布进行初始拉伸后贴于梁的下表面的方法对梁进行修补,可以改善加固修补效果;将纤维布预先进行3mm和5mm的拉伸并对加固过程进行了非线性有限元分析模拟,并与试验结果进行了对比,证明了此方法加固的有效性。     

骨料级配对橡胶混凝土梁损伤分形分析的MATLAB实现

分形维数能够表征自然形态的某些特征,利用MATLAB的简单操作可以快速计算出原图形的盒维数;利用MATLAB计算三种不同级配粗骨料橡胶混凝土梁破坏状态的盒维数得知,CRC小为最优级配;分析试验梁各级荷载下的盒维数发现构件损伤演化过程是一个增维的过程,从某种意义上揭示了橡胶混凝土构件损伤及其演化发展的特性,推动了橡胶混凝土结构的损伤研究。     

基于竖向加载法的隧道衬砌受力分析

应用有限元分析手段,采用地层结构法和工程类比法的方法,参照某隧道工程实例,研究了不同初始地应力对隧道衬砌受力的影响,指出在高地应力地区,应用地层结构法加载初始地应力可以较为准确地模拟在相同地应力条件下衬砌的受力情况。     

大直径钢管混凝土柱-H形钢梁节点设计研究

在传统内环板节点的基础上,提出一种适用于大直径钢管混凝土柱的梁柱节点。为了避免内环板宽度过大造成混凝土浇筑困难、用钢量较大的问题,在内环板焊接拉结钢筋,既可以减小钢材用量又便于在钢管柱内设置钢筋笼。为避免与钢梁翼缘焊接处的钢管表面发生层状撕裂,局部加大梁端翼缘宽度,并通过分析合理确定梁端扩翼宽度与扩翼角度。采用非线性有限元软件,对节点构造与应力分布、变形性能的关系进行分析。通过对比分析得到梁端的刚域长度,并对刚域长度与框架梁抗弯刚度的关系进行研究。为了验证该类节点设计的合理性,进行钢管混凝土柱-H形钢梁缩尺模型试验。有限元分析与缩尺模型试验结果表明,节点拉结钢筋可以提高内环板传力的有效性,有效减小节点区柱壁应力,当梁端扩翼宽度为1.5倍梁翼缘宽度、扩翼角度为1∶6时,节点区柱壁应力明显低于H形钢梁的应力,满足“强节点弱构件”的抗震设计理念。节点刚度对钢管混凝土柱-H形钢梁框架结构的侧向刚度影响显著,当梁端刚域长度约为钢柱直径的0.4倍时,框架梁的抗弯刚度可增加40%以上。节点抗震性能良好,可以实现“强节点弱构件”的抗震设计理念。