基于内聚力模型的FRP复合桩水平承载性能数值分析

为了研究不同包裹方式和不同纤维材料的FRP复合桩（普通钢筋混凝土桩身包裹FRP布）水平承载性能以及FRP布-桩身界面黏结性能对FRP复合桩水平承载性能的影响,利用有限元软件,建立考虑FRP布-桩身黏结性能的FRP复合桩内聚力模型,并与试验结果和传统数值模拟结果相对比。结果表明：FRP复合桩的水平承载性能随着包裹层数的增加而提高,不同布材中CFRP布对FRP复合桩的水平承载性能提高效果较BFRP布和GFRP布的更优;随着FRP布-桩身黏结强度增大,桩顶水平位移逐渐减小,相同截面处的弯矩也随之减小;与传统数值模拟结果相比,考虑FRP布-混凝土界面黏结性能的内聚力模型结果与试验结果更加吻合,且误差范围更小,验证了该有限元模型的正确性。研究结果可为FRP复合桩的水平承载力设计提供参考。     

HB-FRP加固RC梁的精细有限元分析

为研究EB-FRP(externally bonded FRP)和HB-FRP(hybrid bonded FRP)加固梁的抗弯性能差异.基于3片室内模型梁的试验及精细化有限元数值模拟,选取了合适的材料模型,基于钝带裂缝模型,考虑钢筋与混凝土及FRP与混凝土的粘结滑移,对比分析试验数据,验证了数值有限元模型的有效性.结果表明:EB-FRP加固梁破坏形态为FRP端部剥离破坏,HBFRP加固梁为剪切破坏;与未加固梁相比,HB-FRP加固梁承载能力比EB-FRP加固梁增加约20%;HB-FRP加固梁破坏时,FRP的强度完全发挥;钢扣件有效提高了FRP的抗剥离能力.     

多铁性复合材料非理想界面的模拟及其影响

为研究多铁性复合材料中界面特性对磁电耦合的影响,建立一种采用界面内聚力单元的多铁性复合材料有限元分析模型.基于压电和压磁材料本构关系的模拟特性,采用压电有限单元模拟各单相材料;将内聚力模型用于表征界面上相间相互作用力和位移间断之间的关系,可描述非理想界面的刚度和强度,并通过相应的内聚力单元来实现.各种非理想界面状况可通过调节内聚力模型参数来表征,而理想界面可通过对界面刚度加强来模拟.具有理想界面的层状多铁性复合材料的算例分析结果与文献一致.采用本文的有限元模型分析了非理想界面的刚度对磁电耦合的影响,计算了相应的磁电耦合系数.结果表明,界面刚度对复合材料的磁电系数有重要影响,当界面刚度足够大时,界面特性接近于理想界面,磁电系数趋于恒定.本文方法和结果对理论和实际中界面处理、磁电耦合性能的预测具有参考意义.     

波纹钢板-混凝土界面黏结滑移性能试验

为研究波纹钢板-混凝土界面黏结滑移性能,综合考虑混凝土强度、保护层厚度及钢板埋置长度,设计了10个波纹钢板混凝土试件进行推出试验,研究其破坏形态、受力机理、应变分布、黏结强度与黏结滑移本构关系等关键问题。结果表明：波纹钢板混凝土组合构件主要发生黏结劈裂破坏和黏结锚固破坏,试件荷载-滑移曲线可分为微滑移段、滑移段、陡降段、缓降段及残余段;在荷载上升段,波纹钢板应变沿埋置长度呈指数分布形式,钢板自由端应变可能出现过零点现象;通过分析混凝土强度、保护层厚度及钢板埋置长度对波纹钢板-混凝土界面黏结强度的影响,线性拟合得出特征黏结强度计算式,理论值与试验值误差较小;基于波纹钢板-混凝土界面黏结滑移本构模型,通过ABAQUS软件对典型试件进行数值模拟,有限元模型曲线与试验曲线吻合度较高。     

中低速荷载下FRP与混凝土界面本构模型开发

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,简称FRP)常被用于加固钢筋混凝土结构,FRP与混凝土的粘结性能是确保加固效果的关键,但目前缺乏合适的考虑FRP与混凝土界面行为非线性和滑移速率效应的本构模型.本研究基于LS-DYNA子程序开发平台,进行了本构模型开发,该模型考虑了界面本构非线性关系及滑移速率效应对界面剪切模态断裂能G~(II)_f的影响,完整定义了中低速荷载(滑移速率为10~(-7 )～10~(-3 ) m/s)作用下FRP与混凝土界面的动态粘结-滑移关系.采用该模型对FRP与混凝土界面单元受中低速荷载作用的纯剪切模态进行有限元模拟,有限元计算结果表明,该本构模型可以准确反映中低速荷载作用下FRP与混凝土界面的动态粘结-滑移关系.     

MPC黏结CFRP加固混凝土的抗折性能

为了解决传统有机胶黏结纤维布(fibre reinforced polymer/plastic,FRP)加固存在耐久性和耐火性不佳等问题,采用新型黏结材料磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement,MPC)和环氧胶(epoxy adhesive,EP)分别黏结碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)加固的混凝土试件并进行了抗折性能研究,分析了各类试件断裂类型、抗折强度等性能,得到了荷载-位移曲线、荷载-应变曲线,通过黏结界面破坏时形态机理的比较研究发现:MPC与CFRP复合加固混凝土抗弯试件能达到EP加固的效果,界面能发挥较好的抗剪黏结效果.     

直剪作用下再生混凝土黏结界面强度影响因素分析

为研究再生混凝土新旧黏结界面的剪切强度,对新旧混凝土进行了黏结强度直剪试验.考虑到新旧混凝土类型对新旧混凝土黏结界面强度的影响,设计了4组试验,共12个标准立方体试件,得到了各界面试件的破坏形态、剪切应力-名义应变曲线及损伤发展曲线,提取了峰值应力、峰值名义应变、初始剪切模量等特征值参数,对比分析了再生混凝土新旧黏结界面抗剪性能及损伤变化规律.结果表明:新旧混凝土类型对结合试件的破坏形态影响较小,试件均为结合面剪切破坏,且其黏结界面是剪切破坏的薄弱界面;新旧混凝土类型对结合试件的黏结强度和变形影响较大;所有试件的损伤曲线趋势基本相同,新旧混凝土类型均为再生混凝土时,其损伤相较于其他类型试件出现最早.     

考虑黏结-滑移效应的FRP筋混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法

由于纤维增强聚合物(FRP)筋的弹性模量较低,FRP筋混凝土梁的设计状态通常采用其在正常使用极限状态下的裂缝宽度来控制,故准确预测最大裂缝宽度对FRP筋混凝土梁的设计及应用至关重要。FRP筋混凝土梁裂缝宽度的计算公式依然沿用我国《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608—2010)中的半经验计算公式,计算结果偏小。相较于经验公式,基于应力传递的数值计算模型可以充分反映开裂混凝土和FRP筋之间应力重分布的复杂特性。因此,在综合考虑FRP筋与混凝土间的黏结-滑移效应、裂缝间混凝土拉伸硬化效应以及材料非线性本构关系等问题的基础上,建立了FRP筋混凝土梁裂缝宽度计算的数值模型。数值分析中采用了两种黏结应力-滑移本构模型,通过对比可得,本构模型的选取对计算结果具有较大的影响。将数值模型计算结果与试验结果和按规范中公式计算的结果进行对比后发现:试验梁纯弯区短期平均裂缝宽度的模型预测结果与试验结果较为接近,两者比值的均值为0.92;按修正后的公式计算,结果更精确。     

Matsuoka-Nakai破坏准则的拓展应用

Matsuoka-Nakai破坏准则有两个缺点: 一是没有考虑岩土类材料的内聚力对材料的强度贡献,二是它与子午面的交线是直线,基于此,提出了一个拓展的Matsuoka-Nakai破坏准则.该准则在保持Matsuoka-Nakai破坏准则优点的基础上,考虑了岩土类材料的内聚力对其破坏强度的影响,且在子午面上呈现为外凸的曲线形状,因而能更合理地模拟岩土类材料的强度特性.红砂岩的真三轴试验资料检测了该拓展的Matsuoka-Nakai破坏准则的有效性.最后借助该拓展的破坏准则,通过寻求试验强度与预测强度之间的误差函数最小值的方法,提出了一个评估试验中难以测准的岩土类材料抗拉强度的计算方法.     

Matsuoka-Nakai破坏准则的拓展应用

Matsuoka-Nakai破坏准则有两个缺点：一是没有考虑岩土类材料的内聚力对材料的强度贡献,二是它与子午面的交线是直线,基于此,提出了一个拓展的Matsuoka-Nakai破坏准则.该准则在保持Matsuoka-Nakai破坏准则优点的基础上,考虑了岩土类材料的内聚力对其破坏强度的影响,且在子午面上呈现为外凸的曲线形状,因而能更合理地模拟岩土类材料的强度特性.红砂岩的真三轴试验资料检测了该拓展的Matsuoka-Nakai破坏准则的有效性.最后借助该拓展的破坏准则,通过寻求试验强度与预测强度之间的误差函数最小值的方法,提出了一个评估试验中难以测准的岩土类材料抗拉强度的计算方法.     

胶黏钢-混凝土组合梁的界面行为数值分析

根据推出的试验测试数据,将黏胶/混凝土界面的剪切-滑移行为用具备损伤本构关系的弹簧单元来模拟,建立胶黏钢-混凝土组合梁的三维非线性有限元模型.基于模拟结果,揭示了组合梁黏胶/混凝土界面的黏结应力分布规律及脱胶剥离过程.分析结果表明:弹性模量小的黏胶剂更有利于界面的剪力均匀传递,但会引起混凝土板和钢梁间产生大的相对滑动,导致结构整体承载力降低.胶黏组合梁的界面脱胶剥离是一个突发的典型脆性破坏过程,会产生灾难性后果,在设计过程中需引起足够重视.     

基于改进内聚力模型的沥青超薄罩面层间失效行为分析

为了准确预测沥青超薄罩面层间失效行为,在考虑层间黏结应力与摩擦效果耦合作用的基础上,引入改进内聚力模型表征界面接触特性,基于沥青超薄罩面直剪试验进行数值模拟,描述沥青超薄罩面层间失效行为演化特征,通过直剪试验验证改进内聚力模型的可靠性. 研究结果表明：层间黏结应力和层间摩擦系数由摩尔?库伦理论拟合直剪试验结果得到;沥青超薄罩面界面的切应力与剪切位移的关系分为切应力应变弹性强化、切应力应变软化及残余应力应变阶段;选择临界断裂能作为评价沥青超薄罩面层间失效行为的指标,该指标的数值随正向应力的增大而增加;数值模拟结果与试验结果一致度较高,验证了使用改进内聚力模型进行沥青超薄罩面层间剪切破坏行为研究的可行性.     

纤维分布与界面强度对复合材料横向压缩性能影响分析

建立了纤维随机分布代表性体积单元微观力学模型,采用随机扩张算法生成纤维随机分布模型,微观有限元模型中采用内聚力单元和Drucker-Prager弹塑性准则分别对界面和基体的力学行为进行描述,分析研究了纤维分布形式与界面强度对复合材料横向压缩性能的影响。结果表明纤维随机分布是引起复合材料横向压缩强度不稳定的一个因素;基体剪切塑性损伤而不是界面损伤在复合材料横向压缩破坏过程中起主导作用,因而采用无界面单元模型可以简化建模、不需要考虑界面强度取值,并能很好地预测复合材料横向压缩强度与压缩损伤破坏形貌。     

CFRP粘接加固正交异性钢桥面板界面破坏机理研究

对碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)粘接加固正交异性钢桥面板界面性能进行了研究。采用考虑损伤因子的疲劳内聚力模型建立CFRP粘接加固正交异性钢桥面板有限元模型,采用二次名义应力准则判断界面损伤起始位置,根据幂法准则判断界面损伤破坏。以安庆长江公路大桥正交异性钢桥面板为研究背景,通过有限元模拟研究CFRP粘接加固正交异性钢桥面板界面破坏情况和应力分布。结果表明：CFRP粘接加固正交异性钢桥面板在盖板-U肋焊缝处首先发生界面破坏,随着荷载循环次数的增大,胶层破坏逐渐向纵肋和桥面板两端延伸,且界面破坏经过弹性阶段、软化阶段和界面破坏阶段3个阶段。     

各向异性导电胶膜损伤破坏试验与数值分析

各向异性导电胶膜粘接结构是微电子封装中广泛应用连接形式.粘接结构在外载荷的作用下,粘接界面容易出现损伤与破坏从而使得结构失效.运用内聚力模型(cohesive zone model))用有限元方法模拟了各向异性导电胶膜粘接结构在剥离测试中的粘接界面损伤与破坏的过程.通过与相应的试验数据比较,验证了内聚力模型对于导电胶膜粘接界面损伤破坏数值模拟的可行性.模拟计算分析了粘接界面损伤破坏与界面张开位移的关系,计算结果表明,粘接界面在剥离力的作用下,出现损伤后将很快达到破坏进而引起粘接界面的失效.     

锈蚀不锈钢筋与混凝土黏结性能退化

通过不同锈蚀率下不锈钢筋混凝土试件的中心拉拔试验,分析锈蚀率、锈胀裂缝宽度对不锈钢筋/混凝土黏结性能退化的影响规律,分别基于质量锈蚀率和表面裂缝宽度建立不锈钢筋与混凝土黏结强度的预测公式,并与普通钢筋混凝土黏结性能进行对比分析. 研究结果表明：类似普通钢筋混凝土黏结退化规律,锈蚀不锈钢筋黏结强度随锈蚀率增大呈先增后减趋势,但拐点锈蚀率较普通钢筋更大;不锈钢局部坑蚀具有较强的随机性,使得锈胀裂缝宽度与锈蚀率的关系较为离散,与基于锈蚀率的黏结退化模型相比,基于表面锈胀裂缝宽度的模型可以更好地预测不锈钢筋与混凝土黏结强度的退化规律,工程实用性更强;在相同锈蚀程度下,不锈钢筋黏结强度退化程度较普通钢筋小,现有的普通钢筋黏结退化模型可以用于不锈钢黏结强度的预测,具有一定的安全保证.     

考虑几何缺陷的钢管混凝土黏结滑移数值模拟

为研究钢管与混凝土界面黏结机理,参考规范引入钢管几何缺陷的方式,以低阶屈曲模态表征钢管整体几何缺陷,高阶屈曲模态表征钢管局部几何缺陷,在黏结界面插入面-面接触单元并设置100层接触对,通过库伦摩擦滑动准则定义界面黏结-滑移行为,利用ANSYS重启动分析功能实现化学胶结力逐步丧失过程,建立了含几何缺陷的钢管混凝土有限元模型。模拟结果表明:钢管低、高阶屈曲模态适用于模拟钢管整体、局部几何缺陷,叠加后的缺陷大小可模拟±0.5%钢管外径D的几何缺陷。有限元模型可对每级荷载步进行检测,较为准确地描述了推出过程中的时变状态,成功再现了钢-混黏结界面由试件两端向中部逐步发生剥离的过程。与两类黏结滑移曲线对应的钢管整体几何缺陷为:形成拐点后呈下降趋势的黏结滑移曲线与直线状母线的低阶屈曲模态对应,形成拐点后仍缓慢上升的黏结滑移曲线与曲线状母线的低阶屈曲模态对应。钢管局部几何缺陷可归纳为周期性波峰状缺陷,提出了局部几何缺陷波峰数目与钢管径厚比、黏结长度、混凝土强度之间的经验关系式。     

影响FRP筋与混凝土黏结性能的主要因素

目的阐述FRP筋混凝土的黏结机理。探讨影响FRP筋与混凝土黏结性能的主要因素．方法对84个FRP筋混凝土试件进行中心拉拔试验。总结和分析试验结果，对影响FRP筋与混凝土黏结性能的主要因素进行研究．结果剪切滞后使受拉FRP筋横截面中心与边缘的变形有一定差异，横截面的正应力非均匀分布，使得黏结强度随FRP筋直径的增大而降低．试件的黏结强度随埋深的增加而降低．对于混凝土强度等级大于C15的试件，混凝土强度对黏结强度的影响还难以定论．另外，FRP筋的表面形式和不同类型纤维组成也是影响其与混凝土黏结性能的重要因素．结论FRP筋直径、埋置深度、FRP筋表面形式和类型等均对FRP筋与混凝土之间的黏结性能有重要的影响，而混凝土强度的影响还难以确定，仍需要大量的试验进行验证．试验结果为深入了解FRP筋与混凝土的黏结性能提供了依据．     

FRP约束混凝土圆柱应力-应变分析模型

为精确模拟FRP约束混凝土的单轴受压性能,提出了FRP约束混凝土圆柱应力-应变分析模型的建立方法.在分析国内外大量试验数据基础上,依据八面体强度准则提出了FRP约束混凝土圆柱极限强度的计算方法,分析FRP约束混凝土圆柱极限应变与侧向约束强度的关系,建立了极限应变的计算方法;分析应力-应变全曲线试验结果中轴向应变与环向应变的关系,建立由轴向应变确定环向应变的计算公式;以Mander本构模型为主动约束关系,采用增量方法计算了FRP约束混凝土圆柱的应力-应变系曲线,模型预测结果与多数试验结果吻合较好.     

FRP片材与砼粘结界面剥离破坏过程的数值分析

针对FRP砼界面粘结性能和抗拉裂能力问题进行了研究.基于FRP与砼界面面内剪切试验的结果,采用材料真实破裂过程分析〔RFPA〕系统,对FRP砼界面粘结性能进行了数值试验.为了真实地模拟砼材料的力学性能,该数值模型考虑了由颗粒、砂浆和界面三相组成的复杂砼结构、FRP单元和砼单元直接连接等问题.结果表明,通过砼单元的破坏来模拟FRP和砼界面的宏观剥离破坏过程,其数值试验结果再现了FRP砼界面的剥离破坏全过程.