钢筋混凝土长柱快速轴心受压试验与模拟研究

为了研究钢筋混凝土长柱在快速轴心受压加载下应变率和惯性效应对其性能的影响,开展了钢筋混凝土长柱快速轴心受压加载试验和动力有限元模拟研究。设计了两组共6根构件,长细比分别为12和22,快速加载试验中实测混凝土材料应变率达到10-3/s数量级。试验结果表明,与准静载相比,快速轴心受压下构件承载力及对应的轴向变形均有不同程度的提高,并且动力增大系数随长细比增大而增大。将CEB-FIB模式规范的混凝土材料动态应力-应变关系引入混凝土塑性损伤模型,在ABAQUS中建立了钢筋混凝土长柱快速轴心受压下力学性能分析的显式动力有限元模型,数值模拟结果与试验结果吻合良好。最后,运用所建立的有限元模型分析快速加载下构件承载力动力效应的形成机制。分析结果表明,构件长细比较小时其惯性效应可以忽略,动力增大系数可以主要由应变率效应来描述,随长细比增大,惯性效应对动力增大系数的贡献越来越明显,而应变率效应仍不可忽略。     

基于纤维模型的钢筋混凝土柱应变率效应研究

该文基于钢筋混凝土柱构件的快速加载试验数据,分别采用CEB规范和Kulkarni和Shah建议的考虑应变率效应的混凝土动力本构关系,运用纤维模型建立了其动力纤维单元模型,并对单调快速加载下的构件的恢复力特性进行了数值模拟。与试验结果的比较表明所采用的两种动力本构模型均能够反映钢筋混凝土柱承载力随加载速率的提高而提高的特...     

考虑反复加载时混凝土损伤积累的RC平板及剪力墙的有限元分析模型的开发

反复荷载作用下的混凝土、钢筋的本构模型是评价和分析钢筋混凝土(RC)结构的承载力-变形特性关键,旨在开发适用于反复荷载作用下RC平板、剪力墙的2维非线性有限元分析的材料本构模型,探讨并推出了反复荷载作用下在混凝土的本构模型中考虑混凝土损伤积累的方法;并对RC平板和剪力墙进行了反复加载的2维有限元模拟。分析结果与实验结果的比较表明,采用所建议的考虑损伤积累的2维非线性有限元分析模型由加载至最大承载力前能很好的模拟反复加载时RC平板、剪力墙的非线性特性。     

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。     

考虑箍筋约束效应的快速轴压加载下钢筋混凝土短柱性能数值分析

为了研究在地震作用下应变率效应对约束钢筋混凝土轴压短柱力学性能的影响,该文建议了同时考虑应变率效应和箍筋约束效应的混凝土塑性模型等效单轴受压本构曲线,建立了分析约束钢筋混凝土轴压短柱在快速加载下动力行为的有限元模型。通过模拟结果与文献中试验研究结果的比较,表明该模型可有效描述约束钢筋混凝土短柱在地震作用下考虑混凝土材料应变率敏感性时的力学性能,建议的等效单轴受压本构曲线是合理的。利用该有限元模型,分析了配置箍筋构形、箍筋间距和纵筋配筋率这三个可影响约束效应的参数对约束钢筋混凝土短柱在考虑率效应时的力学性能的影响。结果表明随应变率的提高,轴压短柱的承载力明显提高,但延性降低,力-轴向变形曲线下降段变陡。箍筋构形、间距以及纵筋配筋率对约束钢筋混凝土轴压短柱的动力力学性能具有重要的影响。     

加载速率及其突变对混凝土压缩破坏影响的数值研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,探讨了加载速率及其突变对混凝土压缩破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,从细观角度出发将混凝土看作由骨料、砂浆基质及过渡区界面组成的三相复合材料。采用耦合应变率效应的塑性损伤本构关系模型来描述砂浆基质及界面的动态力学行为;认为骨料不产生断裂破坏,为弹性体。采用Monte Carlo法建立了混凝土二维随机骨料模型,首先对Dilger等混凝土动态压缩试验进行数值模拟,数值与试验结果的良好吻合证明了方法的可行性及细观参数选取的准确性。进而探讨了细观组分应变率效应的影响,对比了混凝土非均质模型与宏观均匀模型的应变率效应,最后分析了软化阶段加载速率突变对混凝土破坏模式及宏观应力-应变关系的影响,并得到了一些有益结论。     

基于应力三轴度的钢框架循环加载损伤分析

为了研究在低周大应变循环作用下钢材损伤对钢构件及钢框架抗震性能的影响,该文在Bao-Wierzbicki的等效塑性应变与应力三轴度路径的基础上,提出了符合钢材微观机制的应力三轴度起始损伤准则。随后通过10组Q235钢板拉伸试验确定了钢材的损伤演化准则。为了验证这些准则在描述钢构件及框架损伤破坏方面的正确性与适用性,该文采用有限元软件ABAQUS对一组型钢梁、钢框架梁柱节点及一榀钢框架的典型循环加载试验进行了损伤模拟分析。分析结果显示,考虑损伤准则的有限元曲线与试验曲线吻合一致,能较为准确的描述钢构件及钢框架在循环加载下承载力与刚度退化的现象,并能直观地模拟各结构的损伤部位及损伤程度。该文研究为分析钢构件及钢框架在低周大应变循环作用下的性能退化提供较为便捷的方法。     

模拟混凝土滞回行为的各向异性损伤模型

该文引入相互独立的拉损伤、压损伤演化规律,分别描述受拉开裂和受压破碎导致的混凝土损伤行为,然后采用非线性卸载．线性重加载模拟滞回行为,建立了改进的各向异性损伤模型。该文还建议了模型关键参数的率定方法。应用该模型模拟混凝土受拉和拉一压往复加载试验,计算获得的应力-应变曲线与试验曲线具有良好的可比性,能够反映损伤导致的刚度...     

陶瓷纤维混凝土冲击力学响应及统计损伤本构模型试验研究

采用Φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对陶瓷纤维混凝土的动态力学性能进行研究,并验证了试验结果的有效性;基于IPBS模型(修正平行杆模型),建立考虑应变率效应的混凝土单轴受压统计损伤本构模型,模拟陶瓷纤维混凝土的动态损伤破坏过程。结果表明:陶瓷纤维对普通硅酸盐混凝土的增强增韧效果明显,尤其是在高应变率范围内;SHPB试验过程中应力均匀性和恒应变率加载条件得到了较好地满足;动态损伤本构模型提供曲线与试验曲线吻合较好,能够较为准确地描述陶瓷纤维混凝土破坏前的应力应变关系。     

基于能量的弹塑性损伤实用本构模型

建立一个实用的弹塑性损伤本构模型。在有效应力空间采用经验公式计算塑性变形,能将模型塑性部分与损伤部分解耦,降低模型的数值处理复杂性,同时大大简化模型塑性应变的计算。结合不可逆热力学理论,基于损伤能量释放率建立损伤准则,损伤能量释放率由修正后的弹性Helmholtz自由能导出,模型中将弹性Helmholtz自由能分解为应力球量部分和应力偏量部分,将其应力球量部分产生的损伤取为零,同时根据应力状态引入折减系数对其应力偏量部分进行修正,使得模型能较为准确的模拟混凝土材料在双轴加载下的本构行为。将应力张量谱分解为正、负两部分以分别定义材料受拉、受压损伤演化,并采用受拉损伤变量、受压损伤变量分别模拟混凝土材料在拉、压加载下的本构特性。引入一个加权损伤变量使得模型能较准确的反映混凝土材料的“拉-压软化效应”。最后该文给出初步试验验证,证明了该文模型的有效性。     

考虑强度和刚度退化及捏拢效应的钢筋混凝土桥墩滞回模型及其参数识别

为了有效地模拟强震作用下桥梁结构的非线性地震反应,需要确定钢筋混凝土（RC）桥墩非线性力-位移滞回关系。基于Bouc-Wen模型,给出了一种考虑RC桥墩强度和刚度退化以及捏拢效应的改进非线性滞回模型,确定了影响该滞回模型的控制参数,并在Matlab/Simulink里实现对RC桥墩各种破坏模式非线性滞回性能预测。同时,通过对1/3比尺的RC桥墩分别在压弯、扭转和弯剪作用下的往复荷载试验研究,试验得到的力-位移关系滞回曲线与本文提出的改进滞回模型预测结果吻合较好,验证了本文提出改进模型的正确性和有效性。并采用汶川地震波对绵州市回澜立交桥匝道桥的RC桥墩的滞后性能进行了数值模拟,分析结果和桥墩的震害一致,证实了采用本文提出的改进滞回模型可以较准确的预测RC桥墩在强震作用下的非线性滞后性能。在此基础上,运用无迹卡尔曼（UKF）方法对Bouc-Wen模型进行参数估计,模拟结果和误差分析表明,该方法能够精确的估计出改进的Bouc-Wen模型的参数。     

Experimental study and numerical simulation of the damage mode of a square reinforced concrete slab under close-in explosion

Terrorist attacks using improvised explosive devices on reinforced concrete buildings generate a rapid release of energy in the form of shock waves. Therefore, analyzing the damage mode and damage mechanism of structures for different blast loadings is important. The current study investigates the behavior of one-way square reinforced concrete (RC) slabs subjected to a blast load through experiments and numerical simulations. The experiments are conducted using four 1000 mm × 1000 mm × 40 mm slabs under close-in blast loading. The blast loads are generated by the detonations of 0.2–0.55 kg trinitrotoluene explosive located at a 0.4 m standoff above the slabs. Different damage levels and modes are observed. Numerical simulation studies of the concrete damage under various blast loadings are also conducted. A three-dimensional solid model, including explosive, air, and RC slab with separated concrete and reinforcing bars, is created to simulate the experiments. The sophisticated concrete and reinforcing bar material models, considering the strain rate effects and the appropriate coupling at the air–solid interface, are applied to simulate the dynamic response of RC slab. The erosion technique is adopted to simulate the damage process. Comparison of the numerical results with experimental data shows a favorable agreement. Based on the experimental and numerical results, the damage criteria are established for different levels of damage. With the increase of the explosive charge, the failure mode of RC slab is shown to gradually change from overall flexure to localized punching failure.     

单调轴向荷载下钢筋混凝土拉伸损伤本构研究

在已有的连续损伤理论基础上,研究综合考虑混凝土损伤、钢筋混凝土粘结滑移、以及受拉刚化效应等因素的钢筋混凝土拉伸本构模型,所提出的模型可以由其中各元件的本构特性推导出钢筋混凝土受拉损伤本构。该模型可以表征混凝土损伤、配筋等参数与钢筋混凝土试件受拉特性之间的量化关系,可以用于分析配筋受拉试件的初裂荷载、裂缝宽度等。通过与试验数据的对比得出了一些很有意义的计算与分析结果。     

内爆作用下不同类型填充墙对RC框架结构的影响

为了研究内爆作用下不同类型填充墙对RC框架结构的影响,减轻RC框架结构在爆炸荷载作用下的破坏程度,采用ANSYS/LS-DYNA软件对已有的RC框架结构、碳纤维布加固砌块填充墙爆炸试验进行数值模拟。通过模拟结果和试验结果的对比分析,验证了采用的数值模拟方法及参数设置是合理和适用的。在此基础上,通过数值模拟研究2层L型RC框架结构在相同内爆条件下,分别设置普通混凝土砌块填充墙、碳纤维布加固砌块填充墙、加固泄爆组合填充墙时构件的损坏程度。研究结果表明:在相同内爆作用下,设置不同类型填充墙的RC框架结构的破坏程度和破坏形态有明显差异,填充墙体对内爆作用下RC框架结构的影响不容忽视;全面采用碳纤维布加固砌块填充墙虽可减少爆炸引起的墙体碎片飞溅,但会使内爆作用下的RC框架结构产生较为严重的破坏,顾此失彼;与其他两种填充墙相比,采用加固泄爆组合填充墙可以有效减轻内爆作用下RC框架结构的破坏程度,减少爆炸引起的墙体碎片飞溅。     

不同加载制度下RC框架梁抗震性能试验研究

为了研究不同加载制度下RC框架梁的抗震性能,分别采用4种加载制度对RC框架梁试件进行拟静力试验。结果表明:峰值位移（峰值荷载对应的位移）出现的越早,RC框架梁破坏时剪切变形成分越大,试件的最大裂缝宽度越大,塑性铰转角和延性系数越小,但塑性铰高度基本不变;随着循环位移幅值和循环次数的不同,框架梁的刚度、强度退化也有差异,表现为:在滞回曲线软化段,经历较大位移幅值循环（或较多次循环）后的RC框架梁比经历较小位移幅值循环（或较少次循环）后的RC框架梁刚度和强度退化快;同时,不同加载制度下RC框架梁的耗能能力存在差异,峰值位移出现早的框架梁其耗能能力较差。     

管道承插式接口轴向力学性能试验研究与数值模拟

通过球墨铸铁供水管线承插式接口抗拉静载力学性能试验,分析管道接口轴向的拉伸力学性能和破坏模式,并建立相应管道接口受力分析的有限元数值模型。在外部无覆土、加压注水条件下,对球墨铸铁输水管道承插式接口进行拟静力拉拔试验,模拟其在地震作用等往复荷载下的轴向受力与变形特征。试验结果表明,加载方式以及管道内部水压等对接口的轴向抗拉力学性能和破坏方式的影响不大,抗拉极限位移达到60 cm。基于OpenSees计算平台建立管道接口有限元模型,并对试验结果进行了模拟,结果表明建立的管道接口有限元模型能够较好地模拟管道接口在轴向往复荷载作用下的刚度退化和耗能等力学特征,为埋地管道在复杂轴向荷载作用下的受力分析和性能评估提供了必要的试验数据和计算模型。     

钢筋混凝土剪力墙基于变形和滞回耗能非线性组合的损伤演化分析

为研究钢筋混凝土结构的损伤演化规律,提出一种基于变形和滞回耗能非线性组合的钢筋混凝土构件损伤模型。通过引入组合参数考虑不同损伤状态下构件变形与滞回耗能的权重,该损伤模型能很好的反映变形和滞回耗能的相互影响,有效评估构件在不同破坏状态下的损伤程度。对4片钢筋混凝土剪力墙的拟静力试验进行数值模拟分析,结果表明:该损伤模型计算的损伤值与试验破坏形态吻合较好,能很好的描述钢筋混凝土剪力墙的损伤演化过程,且能够定量确定构件不同破坏程度的损伤界限;对钢筋混凝土剪力墙进行地震作用下动力时程分析,结果表明,该损伤模型能很好的描述不同峰值加速度作用下剪力墙构件的损伤演化规律,剪力墙损伤在峰值加速度出现时段内发展迅速,并且随着地震强度的增大而增大,损伤值超过限值时构件失效。