混凝土结构中考虑滑移效应的钢筋本构模型研究

以钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）结构中的钢筋滑移效应为研究对象,通过黏结应力分布简化模型,得到了钢筋应力-滑移关系,基于已有拉拔试验数据验证了该钢筋滑移关系的可靠性。结合塑性铰长度模型建立了可考虑滑移效应的钢筋应力-应变理论关系,分析了混凝土强度、钢筋直径和塑性铰长度等参数对该关系的影响,提出了考虑滑移效应的双线性钢筋本构模型。基于OpenSEES有限元平台,将该模型用于纤维截面的宏观单元模型中模拟RC柱的侧向荷载-位移反应,通过与已有试验结果、不考虑钢筋滑移效应的纤维模型计算结果及考虑钢筋滑移效应的零长度纤维模型计算结果进行对比分析,验证了本文模型的精度和可靠性,并对其适用范围进行了讨论。结果表明,基于本文钢筋本构的纤维模型可以更为准确地计算RC柱的荷载-位移曲线,且能够考虑由钢筋滑移变形引起的柱顶附加水平位移。     

钢筋混凝土柱冻融损伤模型研究

为研究冻融后钢筋混凝土柱在地震作用下的响应,根据冻融损伤在构件截面分布的不均匀性,基于纤维截面分析方法,提出可考虑该分布的混凝土强度退化模型,以及等效冻融循环次数的计算方法。根据8榀考虑冻融影响的钢筋混凝土柱拟静力加载试验数据,对该文提出的模型进行了验证,同时与既有考虑冻融的混凝土模型进行了对比分析。结果表明:与未考虑冻融损伤分布的既有模型相比,该文模型的计算承载力较小,与试验数据吻合更好,即能够更准确地模拟不同程度冻融损伤后钢筋混凝土柱的地震反应。     

冻融 RC 梁抗震性能与数值模拟方法

为分析冻融环境下钢筋混凝土（RC）梁在地震荷载作用下的响应,采用人工环境模拟方法对 4 件 RC 梁试件进行了快速冻融试验,进而对其进行拟静力加载试验。结果表明,随着冻融次数的增加,梁试件滞回曲线的捏缩现象越发明显,构件延性和耗能能力下降。同时,通过理论推导建立了可考虑冻融损伤的粘结滑移模型,采用有限元分析软件 OpenSEES 中的零长度截面单元,并基于可考虑冻融损伤分布的纤维截面模型,对 RC 梁试件的地震破坏过程进行了数值模拟。分析与试验结果对比表明,采用数值建模与分析方法得到的滞回曲线与试验数据基本相符,骨架曲线诸特征值误差较小,且较好地反映了冻融损伤引起 RC 梁滞回曲线的捏缩效应,从而验证了所提出的模拟方法的准确性。     

冻融损伤低矮RC剪力墙数值模拟方法

出于冻融环境下RC剪力墙结构抗震性能评估的需要,通过理论分析与试验回归相结合的方法对8榀冻融损伤低矮RC剪力墙拟静力试验结果进行分析,得到了综合考虑冻融损伤参数和轴压比影响的低矮RC剪力墙剪切恢复力模型,进而提出了考虑不均匀冻融损伤分布组合剪切效应的低矮RC剪力墙数值模拟方法。通过模拟结果与试验结果对比发现:采用该模拟方法得到各试件的滞回曲线、骨架曲线以及最终破坏时的累积耗能均与试验结果符合较好,表明该文所提出的数值模拟方法可较为准确地反映冻融损伤低矮RC剪力墙的力学性能和抗震性能,可用于严寒地区在役RC剪力墙结构的抗震性能评估。     

考虑粘结滑移的SRC梁柱单元宏观模型建模理论及方法研究

基于型钢混凝土组合结构粘结滑移机理,将型钢混凝土梁柱单元积分段中型钢纤维的轴向变形分为型钢的轴向变形和粘结滑移两部分,依据平截面假定,以此来描述型钢和混凝土变形的差异,从而反映粘结滑移效应。通过将粘结滑移本构引入到既有的型钢单轴本构模型中,推导出考虑粘结滑移效应型钢本构模型,并提出纤维状态的确定方法。利用OpenSEES有限元平台,将建立的材料本构模型植入到软件中,并应用该材料对SRC框架柱进行数值模拟分析。通过模拟结果与试验结果的对比,验证新材料的合理性和准确性。     

震损钢筋混凝土柱剩余能力的数值模型

基于PEER数据库中公开的钢筋混凝土(RC)框架柱试验资料和已有地震损伤指数模型,总结了RC框架柱在产生不同损伤等级时对应的破坏特征,提出了相应的损伤等级评定标准。研究了RC框架柱在地震损伤过程中混凝土和钢筋的损伤演化规律,分别建立了震损RC框架柱损伤区不同位置处混凝土和钢筋的损伤演化方程,提出了考虑震损RC框架柱初始损伤的混凝土模型和钢筋模型。基于OpenSEES平台和纤维模型,建立了一种直接基于材料本构关系的震损RC框架柱的数值模型,该模型考虑了损伤区不同位置处截面材料的损伤差异以及同一截面不同位置处材料的损伤差异。任意选取已有的13根RC框架柱试验资料对震损RC框架柱的数值模型计算结果进行校验。结果表明该文模型能够较为准确的预测震损RC框架柱的剩余抗震能力。研究结果为震后RC结构的性能评估和加固决策提供分析模型。     

钢筋混凝土粘结滑移研究综述

钢筋混凝土(Reinforced concrete, RC)作为近现代土木工程领域中最重要的组合材料,在实际工程中得到了大量应用。钢筋与混凝土之间良好的粘结性能是保证RC结构服役性能的关键,影响着RC结构生命周期不同阶段的力学性能。然而,由于钢筋混凝土界面粘结滑移关系十分复杂,且涉及多种变量,因而实际结构分析中一般忽略了粘结滑移对RC结构整体力学性能的影响,即认为二者间完全粘结,忽略了二者间的相对滑移,从而导致分析结果与实际存在较大偏差。 迄今为止,国内外学者基于大量试验研究,综合考虑影响钢 筋混凝土粘结性能的多种因素,建立了相应的粘结滑移本构关系及模型。在此基础上,一些学者则结合试验研究与理论分析,建立了钢筋混凝土粘结滑移的理论模型和数值模拟方法,通过将其带入结构分析以考虑粘结滑移效应,从而提高了对结构响应的模拟精度。因此,准确揭示钢筋与混凝土间的粘结失效机理及其影响因素,表征各因素对钢筋混凝土粘结性能的影响规律,建立相应的粘结滑移本构关系和数值模拟方法,并将其应用于实际结构分析中,是提高分析结果精度、改善整体结构受力性能的前提。 鉴于此,本文综合国内外相关研究成果,分别从粘结机理、试验研究、理论和数值模型三个角度出发,对钢筋混凝土粘结滑移研究现状展开了详细综述。首先,在粘结滑移关系表征及其破坏机理方面,简要分析了粘结应力计算方法、粘结滑移本构关系建立及粘结破坏模式。在试验研究方面,详细描述了国内外相关试验研究和基于试验建立的粘结滑移本构关系,并对影响粘结性能的各种因素进行了归纳总结。在模型分析方面,具体介绍了粘结滑移的理论模型及数值模型,并将数值建模方法划分为直接模拟法和间接模拟法,进而简要分析了两种方法的优缺点和适用性。最后,对该研究方向中存在的不足以及进一步研究的趋势进行了分析,指出考虑钢筋锈蚀、冻融循环等环境因素耦合作用影响的粘结滑移问题是未来钢筋混凝土粘结滑移研究的重点方向,在后续工作中需要借助更加广泛的试验研究及理论分析来丰富该领域研究,以期进一步完善混凝土基本理论体系,并为实际工程结构的耐久性提供参考。     

考虑损伤效应的弯曲破坏型腐蚀RC柱恢复力模型

出于氯盐腐蚀钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）结构弹塑性分析的需要,对6根RC框架柱试件进行加速腐蚀试验,而后进行拟静力试验,观察人工气候环境下锈蚀钢筋的表观损伤,并分析不同腐蚀程度和轴压比对RC框架柱破坏形态和抗震性能的影响。在此基础上,引入双参数损伤模型,确定模型参数取值,进而定量化揭示腐蚀RC框架柱损伤发展规律。此外,通过理论分析与试验回归相结合的方法,建立考虑腐蚀与轴压比影响的RC框架柱骨架曲线模型。引入基于损伤的循环退化指数,提出能够反映加载、卸载、再加载、下降四阶段性能退化的滞回规则,进而建立弯曲破坏型腐蚀RC框架柱恢复力模型,并验证其有效性。结果表明,骨架曲线计算值与试验值误差总体在10%以内,累积耗能计算值与试验值误差总体不超过20%;由于计算再加载曲线线性特征,再加载阶段与试验结果存在一定误差,但滞回曲线整体上吻合较好、误差较小,说明建立的恢复力模型能够较为准确地反映弯曲破坏型腐蚀RC框架柱抗震性能。     

基于OpenSees的钢筋混凝土梁粘结滑移数值分析

粘结滑移性能的数值分析是钢筋混凝土结构研究的热点,该文在总结现有粘结滑移本构关系的基础上,采用分离式思想在OpenSees中建立粘结滑移精细化分析模型,并通过拉拔试件与RC梁构件的数值分析研究梁中钢筋与混凝土的粘结滑移作用,同时考虑箍筋量对构件滑移分布的影响。经过该文分析可知,该数值分析模型具有一定的合理性,能较准确的反映出粘结应力、滑移等分布的规律;通过梁构件数值分析可知,其整体性能受到粘结性能、钢筋滑移量大小及箍筋配置等的影响,箍筋的配置对构件局部滑移会产生一定的影响,但对滑移的整体分布影响并不显著。     

应变速率型RC梁柱显式分析单元及其在ABAQUS软件中的实现

为准确、高效地分析钢筋混凝土(RC)梁柱结构在强动载作用下的损伤破坏甚至倒塌,建立了能够描述大变形、大应变的空间纤维Timoshenko梁单元,并将其与考虑率相关效应的钢筋、混凝土材料模型相结合,通过用户显式单元子程序在ABAQUS中实现。基于所建立的应变速率型3D纤维梁显式单元,借助ABAQUS的前后处理及求解功能,对爆炸荷载作用下的RC梁柱构件的动态响应和破坏模式及RC框架结构的连续性倒塌进行分析。结果表明:建立的应变速率型3D纤维梁柱单元能够合理描述RC构件的变形特性及钢筋、混凝土的应变速率效应;可以模拟爆炸作用下RC构件的弯曲、弯剪及直剪破坏模式,以及RC框架的连续倒塌过程;将纤维梁柱单元与率相关模型相结合于ABAQUS软件提供了一种强动载作用下高效、精确的RC结构非线性分析方法。     

考虑锈蚀黏结退化的钢筋混凝土桥墩抗震性能分析

受氯离子腐蚀作用影响,钢筋混凝土结构的抗震性能在其服役期内会发生退化。以钢筋混凝土桥墩为例,采用OpenSees有限元软件模拟了非锈蚀足尺桥墩的振动台试验以及锈蚀缩尺桥墩的拟静力试验结果,后者引入了氯离子腐蚀作用模型,同时考虑了桥墩的纵筋力学性能衰减以及粘结退化问题。随后基于概率地震需求模型对足尺桥墩的三种纵筋腐蚀工况进行了易损性分析。研究结果表明:采用非线性梁柱单元与零长度截面单元串联方式建立的数值模型能够有效模拟钢筋混凝土桥墩的足尺振动台试验结果和缩尺锈蚀拟静力试验结果;当纵筋腐蚀率较小时,纵筋的性能退化对墩顶最大位移影响不大,但基底剪力和基底弯矩下降明显;轻微破坏状态下,桥墩的抗震性能受纵筋锈蚀的影响不明显,随着破坏程度的加深,纵筋锈蚀对桥墩抗震性能的影响逐渐显著,较小的腐蚀率能导致桥墩的破坏概率发生较为明显的提高。研究内容可为考虑全寿命周期内性能退化的钢筋混凝土结构抗震设计提供参考。     

考虑拉伸刚化效应的FRP筋/混凝土轴拉构件变形计算方法

考虑拉伸刚化效应是精确计算纤维增强树脂复合材料(FRP)筋/混凝土构件变形和裂缝的基础。提出了考虑拉伸刚化效应的FRP筋/混凝土拉伸构件变形计算的解析方法。首先,对修正Eligehausen黏结滑移模型(修正BPE模型)进行简化提出四线性黏结-滑移模型。根据该模型推导了拉伸构件在不同拉伸荷载阶段的FRP筋、混凝土应力和变形及黏结力和滑移量的分布表达式。结合混凝土开裂判别方法,提出了FRP筋/混凝土拉伸构件的全过程变形计算方法。通过与已有文献试验结果对比验证了本文方法的准确性。对影响拉伸刚化的一些参数进行了敏感性分析。结果表明,混凝土强度和配筋率对拉伸刚化效应影响不大,FRP筋弹性模量是影响拉伸刚化效应的主要因素。      

考虑钢筋锈蚀的复合受扭混凝土箱梁时变承载力研究

对考虑钢筋锈蚀的复合受扭钢筋混凝土箱梁时变承载力进行研究。针对复合受扭混凝土箱梁中混凝土开裂面与钢筋斜交的情况,推导了综合考虑钢筋混凝土粘结滑移效应及正交配筋效应的钢筋修正本构模型。引入钢筋和混凝土材料的时变劣化模型,结合复合受扭钢筋混凝土箱梁的修正板-桁架模型,编制了复合受扭钢筋混凝土箱梁时变承载力的计算程序。与纯扭锈蚀构件和复合受扭构件的试验对比,验证了所提出钢筋修正本构模型的适用性较好。算例结果表明:在假定的一般大气环境和受力条件下,考虑钢筋锈蚀的复合受扭钢筋混凝土箱梁构件100年后抗扭强度降低约15%。     

拱坝横缝钢筋与混凝土相互作用研究

本文在总结了钢筋与混凝土相互作用研究现状的基础上，建议了一个计算钢筋滑移量、钢筋粘结受力段长度的数值模型，该模型考虑了混凝土保护层厚度、截面混凝土应力分布的影响，并引用有关试验结果进行验证。文末在假定截面应力分布型态和临界混凝土保护层厚度条件下，将模型用于计算小湾拱坝横缝钢筋的滑移量、钢筋临界应力、钢筋受力段长度，计算结果表明用横缝钢筋控制横缝开度的这一工程措施基本可行，且建议的保护层厚度、横缝钢筋布置等均有一定工程参考价值。     

Experimental study of bond-slip of GFRP bars in concrete under sustained loads

The structural behaviour of reinforced concrete (RC) elements depends heavily on the bond performance between the concrete and the reinforcing material. Bond behaviour under short-term testing has been extensively analysed for steel reinforcement and many studies have been carried out for fibre reinforced polymer (FRP) reinforcement. However, there has only been limited investigation of the long-term effects of this interaction. Several factors can affect the long-term bond behaviour of these elements, the most important being bond length and the immediate and time-dependent properties of reinforcement and concrete (concrete grade, creep, shrinkage and stiffness). This time-dependent behaviour is likely to cause changes and redistributions in bond stresses not properly considered in the limited existing literature. In this experimental study, the bond performance of GFRP RC under sustained load is investigated through pull-out tests. A total of 12 pull-out specimens were tested for a period of between 90 and 130 days. Two concrete strengths (35 MPa and 50 MPa), two bond lengths (5 and 10 times the diameter of the reinforcing bar) and two reinforcing materials (glass fibre reinforced polymer (GFRP) and steel) were used. Experimental results regarding immediate and time-dependent slip are presented and analysed here. In addition, some specimens were instrumented, with internal strain gauges in the reinforcing bar to provide data on the reinforcement strain, thus allowing the distribution of bond stresses and their evolution during sustained loading to be also presented and analysed.     

钢筋混凝土矩形空心桥墩抗震性能

针对钢筋混凝土(RC)矩形空心桥墩基于性能抗震设计所需要的性能量化参数和抗震性能问题,该文对高宽比、轴压比、纵向和横向配筋率不同的12个约束良好的RC矩形空心桥墩,开展了恒定轴力作用下的水平循环荷载试验研究,并把试验观测到的桥墩主要损伤状态与工程设计参数联系起来,以满足基于性能抗震设计所需要的量化指标。在此基础上,基于OpenSees软件平台,采用纤维模型对试件体桥墩的滞回性能进行数值模拟,模拟结果与试验数据吻合良好。结果表明:使用累积概率曲线,可以较好地把混凝土开裂和剥落等主要损伤状态与混凝土压应变和纵向钢筋拉应变等工程极限状态联系起来,为基于性能的桥梁抗震设计提供量化指标。试件体桥墩的延性系数在3.71~8.29,等效粘滞阻尼比在0.19~0.31,延性系数和耗能指标均满足结构抗震设计要求。该横向配筋构型的RC矩形空心桥墩,可以作为当前我国公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)矩形空心截面横向配筋构型的一种补充。     

预应力碳纤维条带加固混凝土圆柱的地震损伤模型

为了研究预应力碳纤维条带加固混凝土圆柱的地震损伤性能,利用包括对比柱在内的13根混凝土圆柱试验数据,对修正的Park-Ang损伤模型进行改进,建立了预应力碳纤维条带加固混凝土圆柱的地震损伤模型;根据试件的轴压比、纵向配筋率、考虑了预应力碳纤维条带及箍筋的双重横向约束作用对组合参数进行非线性回归分析,得到了该文推荐模型中组合参数的经验表达式;基于所提出的地震损伤模型,计算出了不同损伤状态的特征点所对应的地震损伤指标,据此给出了预应力CFRP加固混凝土圆柱的抗震分级标准;有限元分析得到的CFRP加固混凝土圆柱的损伤指标与试验结果基本符合,证明了该损伤模型以及加固柱的抗震等级划分标准的合理性。