A numerical simulation of the temperature cracking propagation process when pouring mass concrete

Mass concrete temperature cracking is an important problem for concrete foundation safety in civil engineering projects; this issue extends from the construction process of a concrete foundation to the operation period. This paper introduces a simulation method for the mass concrete temperature cracking propagation process using the Finite Element Method (FEM). To illustrate the concrete heat conduction problem, an example is simulated with FEM to study concrete surface cracks caused by temperature changes during the entire process of pouring concrete, and the example is discussed to demonstrate how the concrete cracking process results from temperature decreases. The results show that the finite element method can effectively simulate the development of concrete block cracks under temperature stress. The calculation results attribute the crack distribution law of mass concrete blocks to the uniform temperature drop on the basis of strong constraints.     

基于有限单元柔度法的钢筋混凝土空间框架非弹性地震反应分析

本文基于有限单元柔度法纤维模型梁柱单元理论,编制了钢筋混凝土空间杆系结构非弹性动力分析程序。通过对一个退台六层钢筋混凝土空间框架振动台试验结果与数值模拟分析结果的对比,对基于非线性有限单元理论和纤维模型的空间杆系分析模型进行钢筋混凝土空间框架非弹性地震反应分析的有效性进行了验证和评价。对地震振动台试验的模拟分析表明,纤维模型梁柱单元对中等以下损伤的结构地震反应具有很好的模拟能力,对于结构处于严重损伤的阶段,模拟所得的结构位移和损伤程度将会小于结构的实际位移和损伤程度,这可能是由于目前纤维模型梁柱单元尚不能考虑钢筋的粘结滑移以及将现浇楼板简单处理为刚性并未考虑楼板刚度实际会出现明显降低的现象所致。     

使用损伤钢筋混凝土柱高温作用下受力性能试验研究与有限元分析

为研究裂缝对火灾下钢筋混凝土结构性能的影响,设计4个足尺寸钢筋混凝土偏压柱试件,以裂缝宽度ω作为损伤指标,加载使其产生ω分别为0.05、0.10、0.15、0.20mm的裂缝,继而对不同使用损伤的柱试件进行四面受火试验。试验研究表明：受火后裂缝宽度发展约为受火前10倍,深度约为受火前3倍;使用损伤愈大,柱极限耐火时间愈短。假定火灾下裂缝宽度、深度开展与受火试验升温时间成正比,采用ANSYS软件对偏压柱截面进行温度场有限元分析。结果表明：有限元分析得出的截面温度与试验实测温度有较好的拟合性;沿柱截面高度方向温度分布存在一个温度畸变平台且使用损伤越大平台越长,导致截面高温下承载力显著退化;沿柱计算长度方向各截面温度分布发生变化,有限元分析中假设沿柱计算长度方向各截面温度分布相同的结论不再适用。提出考虑损伤平台的高温下混凝土柱承载力简化计算模型,显著提高了计算精度,证明了该方法的正确性和可靠性。     

钢-混凝土混合结构考虑温度荷载的有限元分析

分析了钢-混凝土混合结构在温度荷载作用下的实际工作状态,推导了混合节点中混凝土柱与钢梁中的自约束应力和外约束应力计算公式,采用三维有限元数值可视化模拟,研究了三种温度荷载工况下节点的应力分布状态。研究结果表明,由于节点构造的影响使得钢梁与混凝土柱中的温度应力无法释放,在节点区域出现了较大的应力集中现象。工程设计中应充分考虑温度应力对混合节点的不利影响,采取对混凝土柱端附加钢板箍进行加强或将钢梁底板上的锚固螺栓孔开成长圆孔的方法消除温度应力,防止混凝土柱开裂。     

基于压电主动传感技术的高温后PVA-ECC梁冲击损伤监测研究

研究了低速冲击荷载作用下具有高温损伤的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（PVA-ECC）梁的损伤特征,对比分析不同温度损伤与室温下的PVA-ECC梁,在同一跌落高度和落锤质量上进行了一系列的落锤低速冲击试验,模拟冲击能量对梁的影响结果。采用压电陶瓷智能骨料传感器的主动监测方法和扫频波信号,监测落锤低速冲击作用下PVA-ECC梁的裂纹产生、发展、断裂全过程与波衰减的规律。基于小波包能量法分析重复冲击试验下的PVA-ECC梁裂缝发展演化。建立了PVA-ECC梁三维有限元模型,通过有限元分析得出300 ℃高温加热后的PVA-ECC梁低速冲击裂纹开展全过程,并与实测结果进行对比。结果表明:高温损伤造成PVA-ECC梁的抗冲击性能减弱;室温下的PVA-ECC梁有一定抗冲击能力,但当温度达到PVA纤维的熔点（230 ℃）时,PVA-ECC梁中的PVA纤维消失,产生孔隙,形成素水泥砂浆梁,不具有抗冲击能力;高温损伤造成PVA-ECC丧失了高强度、韧性、耐疲劳的能力特性。     

Finite element analysis of concrete-filled circular steel tubular columns subjected to post-earthquake fire

为研究圆钢管混凝土柱经历地震损伤后的耐火性能,选取了合理的地震损伤指数及材料本构模型,采用有限元分析软件ABAQUS,对钢管混凝土柱在往复荷载和火灾等不同工况下的试验进行了数值模拟验证。在验证模型可靠性的基础上,利用ABAQUS中的数据传递功能,建立了震损后圆钢管混凝土柱耐火极限有限元计算模型。以圆钢管混凝土典型轴心受压柱为分析对象,对其先后经历地震和火灾作用下的破坏形态、损伤机理进行了分析,研究了损伤指数对圆钢管混凝土柱震后耐火极限的影响。结果表明：震损后圆钢管混凝土柱在高温下的破坏形态是在前期地震损伤基础上的发展和蔓延;地震损伤指数是影响圆钢管混凝土柱震后耐火极限的重要参数,随着地震损伤指数增大,圆钢管混凝土柱的耐火极限有所减小。     

钢框架梁柱节点焊缝损伤性能研究Ⅱ：理论分析和有限元模拟

采用断裂力学理论,依据9个钢框架全焊接梁柱节点局部试件的单向拉伸试验结果,对节点试件的焊缝损伤进行了理论分析和有限元模拟。理论计算表明,简化计算式能够简洁地反映节点开裂情况,但对约束条件、裂纹尺寸的简化会影响计算精度。有限元分析结果表明,焊接孔附近的应力集中和热影响区材料的退化导致节点焊缝断裂易发生在梁腹板焊缝位置和梁翼缘焊缝热影响区,两处开裂概率接近,与试验结果吻合;试件开裂位置由初始缺陷的尺寸、位置和材料断裂韧性共同决定;弹塑性有限元分析能够较准确分析试件开裂位置和启裂荷载,精度较高,为研究梁柱节点焊缝损伤性能提供了一种损伤判断方法和准则。     

基于环境振动测试的烟囱结构损伤检测研究

结合工程实例,介绍了基于环境振动测试的烟囱结构损伤检测方法及相关研究。首先在现场对烟囱的倾斜、配筋、几何参数及动力特性等相关项目进行检测,然后根据现场测试的资料,利用ANSYS有限元软件建立烟囱的有限元模型并进行模态分析。结果表明,有限元模型模态分析结果与现场动力特性测试数据间的误差很小,可用来进行后续的静动力响应、抗震性能等分析。     

气温骤降对薄壁混凝土结构温度应力的影响

采用有限单元法,对气温骤降时薄壁混凝土结构的温度场及应力场进行了仿真计算分析,结果显示,气温骤降会引起混凝土表面拉应力急剧增长,对施工期防裂十分不利,进一步论证了气温骤降时,对混凝土表面采取保温措施的必要性,该研究可为同类工程施工提供有益参考。     

ABAQUS用于约束钢柱抗火性能计算的验证

采用通用有限元分析软件ABAQUS对某试验工况中的约束钢柱和钢梁进行模拟计算,将试验测得的热电偶温度数据作为初始荷载进行热传导分析,得到整个约束钢柱和约束梁的温度场分布,并以此为输入温度场进行热力分析.通过将有限元分析软件计算所得的位移随温度变化关系同试验数据比较,验证了利用ABAQUS进行钢构件热力耦合分析的工具可靠,方法合理.     

防火涂料破损对钢构件温度分布的影响

采用有限元数值分析得出了防火涂料局部破损后钢构件的温度分布规律,提出了临界破损长度的概念。分析了柱长、防火涂料厚度、截面形状系数,以及标准火灾升温时间对防火涂料局部破损后钢构件温度分布的影响。给出了破损长度和其影响区域内温度分布的计算公式,可供结构抗火性能分析和设计参考。     

Thermography as a technique for monitoring early age temperatures of hardening concrete

The exothermal character of cement hydration reactions causes concrete to endure temperature changes during the first days after casting, with associated volumetric deformations that may induce undesired cracking. The capability to predict temperature evolution in concrete since casting is thus important to back decisions that avoid detrimental thermal cracking in concrete structures. Even though several approaches exist to model the early age behavior of concrete, the laboratory or in situ verification of numerical predictions is scarce, and mostly done with embedded temperature sensors, with limited sampling points. The present research intends to evaluate the performance of the thermography technique in the continuous monitoring of surface temperatures of a hydrating 0.40 × 0.40 × 0.40 m³ concrete cube, in which embedded thermal sensors are also used. By using thermography, simultaneous monitoring of the visible surfaces of the specimen is possible, thus providing comprehensive information regarding the evolution of surface temperatures. The temperatures monitored with the thermography, as well as with the embedded temperature sensors, are finally used as a benchmark example for validation of a 3D finite element numerical code for thermal analysis developed by the authors. The use of thermography images for validation of finite element results is rather more advantageous than the use of standard single point temperature measurements, in view of the large facility and wide range of comparison provided by the simultaneous visualization of temperature surface color maps (measured and simulated).     

防火涂料局部破损后约束钢柱的临界温度

为了研究防火涂料局部破损后钢柱的抗火性能,根据分段平衡微分方程,分别推导了两端铰支和固支的钢柱局部防火涂料破损后高温下的挠曲线方程,采用边缘屈服准则得出了局部防火涂料破损后轴向约束钢柱临界温度的计算方法。用有限元对高温下的挠度和轴向位移进行了验证,结果吻合较好。通过算例计算了两端铰支轴向约束刚度内力随温度的变化关系,并计算了临界温度。研究结果表明:轴向约束增加高温下钢柱的内力,降低钢柱的临界温度;破损长度越长、轴向约束刚度越大,临界温度越低。     

竖向荷载作用下柱列支撑体系受力性能试验研究及有限元分析

为研究柱列支撑体系的受力性能和验证有限元方法分析该问题的可靠性,对带有不同初始几何缺陷分布的单层和双层柱列支撑体系进行静力模型试验研究。研究结果表明:由于试验模型中柱和水平撑杆的初始几何缺陷的随机分布,水平撑杆受压力或拉力也是随机的;双层柱列支撑体系的极限承载力高于单层柱列支撑体系的极限承载力,且双层柱列支撑体系中的水平撑杆减小柱的计算长度超过柱高的一半;柱列支撑体系的失稳破坏是由于单柱失稳破坏引发的。采用有限元模型对试验进行了模拟验证,计算结果与试验结果吻合良好。     

基于PZT-SLDV测试系统的纤维复合板损伤识别研究

为对纤维复合板损伤识别进行研究,采用PZT-SLDV模态测试系统,以存在凹痕损伤四边固定约束的纤维复合板为例,对纤维复合板的损伤检测进行试验和数值模拟研究。通过表面黏贴压电陶瓷(PZT)片对纤维复合板进行激励,再利用SLDV测得其各阶位移模态,并应用中央差分法计算曲率模态进行纤维复合板的损伤识别;最后,利用ABAQUS有限元分析软件,建立含损伤的四边固定约束纤维复合板有限元模型,并对建立的有限元模型进行模态分析。研究结果表明：采用PZT-SLDV测试系统可以有效识别纤维复合板的凹痕损伤;对于频率越高的模态,采用曲率模态的方法识别损伤效果越明显;试验与数值模拟在四边固定约束边界各阶振型的吻合度较高,验证有限元计算模型的正确性。     

冷弯薄壁方钢管长柱轴压性能试验研究

进行了3组共9个试件冷弯薄壁方钢管受压长柱的试验研究与有限元计算分析,截面尺寸均为120 mm×120 mm×2 mm,考察长细比变化时,试件的破坏模式、荷载-位移曲线以及承载力等改变情况,并利用ANSYS软件进行了数值模拟计算,结果表明:1)对于轴心受压柱,在长细比λ≤36.4时,柱发生的是强度破坏,承载力较高;当长细比增大到λ≤65.5时,柱承载力降低近20%,破坏模式为整体破坏。2)有限元计算结果与试验结果较为接近,差值在12%以内,具有较高准确度。     

混凝土局部损伤裂缝带模型研究

为消除混凝土开裂使有限元分析结果对单元网格尺寸产生的依赖性,在基于局部本构模型的材料非线性有限元分析中,建立了混凝土局部损伤裂缝带模型。结果表明：该模型所采用的三参数幂函数型拉伸损伤演化方程,可满足不同单元网格尺寸下应力-应变关系调整的需要;在局部损伤本构模型中引入断裂能和与单元网格尺寸相关的裂缝带宽度,可在保证断裂能客观性的前提下依据初始应力-开裂应变关系推导不同单元网格尺寸下的应力-开裂应变关系;提出基于异步粒子群智能算法的优化反演方法,可实现在有限元分析中依据应力-开裂应变关系自适应,从而确定不同单元网格尺寸下的模型参数。在ABAQUS软件平台上采用所建立的模型对算例进行了数值模拟,验证了模型的有效性与程序编制的正确性。     

Local damage and crack band model for concrete

为消除混凝土开裂使有限元分析结果对单元网格尺寸产生的依赖性，在基于局部本构模型的材料非线性有限元分析中，建立了混凝土局部损伤裂缝带模型。结果表明：该模型所采用的三参数幂函数型拉伸损伤演化方程，可满足不同单元网格尺寸下应力-应变关系调整的需要；在局部损伤本构模型中引入断裂能和与单元网格尺寸相关的裂缝带宽度，可在保证断裂能客观性的前提下依据初始应力-开裂应变关系推导不同单元网格尺寸下的应力-开裂应变关系；提出基于异步粒子群智能算法的优化反演方法，可实现在有限元分析中依据应力-开裂应变关系自适应，从而确定不同单元网格尺寸下的模型参数。在ABAQUS软件平台上采用所建立的模型对算例进行了数值模拟，验证了模型的有效性与程序编制的正确性。     

Design of high strength steel columns at elevated temperatures

The main objective of this paper is to study the behaviour and design of high strength steel columns at elevated temperatures using finite element analysis. In this study, equations predicting the yield strength and elastic modulus of high strength steel and mild steel at elevated temperatures are proposed. In addition, stress-strain curve model for high strength steel and mild steel materials at elevated temperatures is also proposed. The numerical analysis was performed on high strength steel columns over a range of column lengths for various temperatures. The nonlinear finite element model was verified against experimental results of columns at normal room and elevated temperatures. The effects of initial local and overall geometrical imperfections have been taken into consideration in the analysis. The material properties and stress-strain curves at elevated temperatures used in the finite element model were obtained from the proposed equations based on the material tests. Two series of box and I-section columns were studied using the finite element analysis to investigate the strength and behaviour of high strength steel columns at elevated temperatures. Both fixed-ended stub columns and pin-ended slender columns were considered. The column strengths predicted from the finite element analysis were compared with the design strengths predicted using the American, European and Australian specifications for hot-rolled steel columns at elevated temperatures by substituting the reduced material properties. In addition, the direct strength method, which was developed for the design of cold-formed steel columns at normal room temperature, was also used in this study to predict the high strength steel column strengths at elevated temperatures. The suitability of these design rules for high strength steel columns at elevated temperatures is assessed. Generally, it is shown that the American and European specifications as well as the direct strength method conservatively predicted the column strengths of high strength steel at elevated temperatures. The European Code predictions are slightly more conservative than the American Specification and the direct strength method predictions.     

桁架柱支承网架结构动力性能试验及有限元分析研究

以某桁架柱悬吊体育馆网架结构为研究对象,对其进行了较系统的动力试验和有限元分析,动力试验包括环境激励情况下钢网架的动力特性、固定外荷载振动钢网架的动力特性、非固定外荷载振动钢网架的动力特性;系统动力分析及动力响应分析采用ANSYS通用有限元程序;根据得出的计算结果,与实测结果对比分析,可对现状网架的损伤及安全工作性能作出判断,同时可为同类既有网架结构的检测设计作为参考。