高温后HSC粘结滑移基础参数测量与3D有限元数值模拟

通过自行设计的装置测量了高温后粘结问题中的化学胶结力和摩擦系数,得出了它们随温度经历的变化规律。利用测得的基础参数定义了钢筋与混凝土界面的弹塑性库仑摩擦准则并将其植入有限元模型;采用面-面接触的接触单元模拟混凝土与钢筋界面的力学行为。模型通过对钢筋肋的显式离散实现了钢筋肋与混凝土间机械咬合作用的模拟。数值结果和试验数据的对比表明,该文提出的模型可以较好的模拟高温后带肋钢筋和混凝土之间的粘结滑移。最后,利用有限元模型对400℃温度经历拔出过程中的应力分布及裂缝的扩展进行了细致的研究。     

基于扩展有限元进行钢筋混凝土柱捏拢效应的机理分析

预测地震荷载下钢筋混凝土柱的力学性能,对评估震后混凝土结构的安全性和震害损失具有重要意义。由于混凝土材料在受力过程中的复杂性,目前对钢筋混凝土结构力学性能的模拟主要依靠数值方法。已有的数值模拟方法大都基于有限元法,将混凝土视为连续体,通过人为定义参数来指定混凝土的滞回本构,因此存在一定的主观性与局限性。该文结合扩展有限元法与断裂准则,直接模拟混凝土裂缝的开展与闭合,并考虑钢筋和混凝土的粘结滑移作用,通过数值计算,直接再现了钢筋混凝土结构在低周反复荷载下的力学行为。模拟方法得到了试验的验证,与结果吻合较好。该文进一步分析了钢筋混凝土柱的滞回行为中混凝土、钢筋的各自作用和相互抵消行为,从细观的角度,在机理上揭示了捏拢效应出现的三个主要原因。     

RC 隔震框架缩减自由度子结构耦合混合试验研究

本文提出基于 GPU 并行计算、缩减自由度及考虑隔震支座非线性耦合力学特性的隔震结构混合试验模拟方法,准确地评估地震作用下隔震层橡胶隔震支座与上部结构耦合的真实响应特点。通过数值模拟的方法对上部结构各楼层的恢复力性能进行分析,将上部结构简化为非线性 MDOF 剪切模型;结合隔震支座的拟静力试验建立考虑非线性耦合的隔震支座模型,得到该结构的缩减自由度子结构耦合混合试验数值模型,通过橡胶隔震支座的动力试验和子结构交互计算进行不同地震作用下 RC 隔震框架的混合模拟试验研究。试验结果表明：10 层 RC 隔震结构的混合试验中,隔震层变形与数值模拟计算结果吻合较好,利用混合试验方法对结构自由度进行缩减,既能较好地还原上部结构的动力特性,也能得到橡胶隔震支座在地震作用下的真实响应,且保证了较好的分析速度和精度。     

基于拟力法的钢支撑非线性滞回行为模拟

钢支撑在轴力作用下会同时发生材料非线性和几何非线性,复杂的力与变形关系是数值模拟过程中的重点与难点。该文基于拟力法的基本理论,提出了支撑非线性滞回行为的计算模型,通过塑性转动铰来模拟由屈曲行为引起的塑性弯曲变形;通过滑动铰来模拟由拉伸屈服和增长效应产生的轴向塑性伸长行为,模型中计及了弹性弯曲变形本身的几何非线性行为。该模型物理意义简单、力学行为明确,在模拟支撑非线性滞回行为的过程中保持初始刚度不变,塑性铰的变形可直观地衡量支撑的屈曲程度。数值模拟与试验结果对比验证了该方法的精确性与适用性。将该模型应用于某钢框架-支撑结构地震反应分析中,计算结果表明:该方法可以模拟支撑在复杂荷载作用下的非线性行为,具备拟力法所特有的精确、高效及稳定等优点。     

单向面内约束混凝土双向板抗火性能试验研究及数值分析

为了分析简支板受到单向面内约束作用下的火灾行为,对两块足尺混凝土双向板进行了面内荷载和竖向荷载共同作用下的火灾试验。研究了双向板在受火过程中沿板厚混凝土温度场分布规律、钢筋温度、板平面内外变形以及板角平面外约束力变化规律,并与相关试验进行对比。在此基础上,基于EC2和ASCE本构模型,编程对试验板温度场、变形行为和力学机理进行了数值分析。结果表明:当板受到单向面内约束作用时,其裂缝模式及变形规律与四边简支板明显不同,且易出现完整性破坏;板角裂缝分布情况对板角约束力有重要影响;本构模型对火灾下约束板的力学机理影响较大。     

摩擦曲面隔震结构动力学模型及地震响应分析

针对强震下摩擦滑移隔震系统位移较大且震后存在较大残余变形的现象,提出了一种摩擦曲面隔震结构体系,在地震作用和结构重力作用下上部结构绕隔震层曲率中心做往复滑移运动。建立了摩擦曲面结构的简化单质点双支座力学模型,基于模型的运动方程得到了支座轴力的表达式及其参数相关关系。完成了钢筋混凝土框架剪力墙结构模型的地震模拟振动台试验,试验结果表明摩擦曲面隔震结构相比于平面摩擦滑移结构,上部结构加速度略有增大,但在控制隔震层位移及支座应力方面具有更优的效果。进行了振动台试验的数值模拟,通过试验结果对比验证了正确性,并通过数值模拟分析了曲率半径和隔震层摩擦系数对结构响应的影响。     

高层隔震模型结构双向地震反应的数值计算与试验

为研究高层建筑采用铅芯橡胶垫进行隔震后的结构减震效果,对一两向不同高宽比1:16小比例尺隔震结构模型,进行了双向不同地震波输入下的地震反应数值计算和振动台试验分析。对模型上部结构加速度和隔震支座位移反应的分析表明,隔震技术对高层建筑同样有较好的减震效果;数值计算结果与振动台试验结果的对比分析表明,两者具有较好的一致性,数值计算较好地模拟了振动台试验;两组数据的相近证明了数值计算结果和振动台试验过程进行的正确性。     

地震下高层建筑连续倒塌数值模型研究

连续倒塌是由局部薄弱层或薄弱区域而导致的整体结构倒塌,是地震下结构最常见的一种破坏模式。理论上,结构设计应避免在地震下发生倒塌破坏,但对结构倒塌行为的研究有利于更好地理解结构倒塌机理并寻找有效的抗倒塌方法。倒塌过程与整体结构体系关系紧密,因而数值模拟成为研究倒塌问题的主要手段。该文开发了可以模拟复杂结构倒塌的程序,通过将数值分析结果与试验进行比较,说明数值模型可较好地模拟结构构件的各种极端非线性行为。采用建议的数值模型对两个实际结构进行了分析,分析结果对研究结构在地震下的破坏倒塌机理具有参考意义。     

基于宏观单元的结构非线性分析方法、算例及工程应用

罕遇地震作用下结构和构件进入塑性阶段而会发生弹塑性损伤,正确的模拟结构进入非线性状态后的力学行为对评价结构的抗震安全性具有重要的意义。该文采用纤维单元及多弹簧单元等宏观单元对CFRP混凝土构件、预应力混凝土梁及剪力墙进行构件弹塑性分析,并与试验结果进行对比,表明宏观单元对混凝土构件弹塑性模拟的适用性。该文对采用纤维单元对足尺钢框架振动台试验进行数值分析,表明经过构件层次的力学行为校对后的纤维单元模型能准确预测结构在大震作用下的响应及倒塌前的破坏行为。通过大量算例结果和试验结果对比,说明基于宏观单元的非线性分析方法可以准确模拟整体结构与构件的非线性行为。最后通过两个工程实例说明了宏观单元可以应用于复杂工程整体结构非线性分析中,具有实际工程应用意义。     

FPS支座双向加载拟静力试验与数值模拟研究

FPS支座一种具有广阔发展前景的减隔震支座,该支座可通过摩擦耗能,自复位等特性来消耗地震发生时传入结构体系的地震能量,从而在很大程度上降低结构地震动反应。但目前国内外针对曲线桥FPS支座的耦合受力问题,缺乏理论与实验相结合的精细化模拟方法。该文通过FPS支座双向加载拟静力试验,进而得到FPS支座的荷载-位移滞回曲线与摩擦耗能情况。并采用OpenSees软件对FPS支座进行数值模拟,将FPS支座试验与数值模拟结果进行分析对比,验证其准确性,得到了一种FPS支座的精细化模拟方法。     

V型折叠式夹层板横向压皱吸能特性研究

金属夹层板具有优越的力学性能,良好的吸能特性可用于船舶耐撞、抗爆防护结构设计。以V型折叠式夹芯结构为研究对象,通过试验分析夹芯层结构变形模式、压皱力历程曲线等,得到了夹芯层结构横向压皱力学性能,采用有限元软件Abaqus对其在横向受压时的力学行为进行数值仿真分析,分析结构压皱动态渐进屈曲过程、变形模式、吸能效率、平均压皱强度等。对比分析表明,V型夹芯层结构在横向压皱载荷下发生屈曲、褶皱变形模式,变形模式决定了压皱力学行为及其性能,其中单元变形模式I的吸能效率较高。采用合理的模型化技术得到的有限元计算结果与试验结果两者吻合较好,验证了有限元数值仿真的计算精度。     

碟簧装置恢复力模型及其在自复位RC剪力墙中的应用

为了准确模拟碟簧装置和自复位RC剪力墙的力学性能,对碟簧装置的工作原理和力学特性进行了分析,提出并开发了碟簧装置恢复力模型,通过试验验证了恢复力模型的准确性。在低周往复荷载作用下,对内置碟簧装置的自复位RC剪力墙的滞回性能进行数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明:应用碟簧装置恢复力模型的数值模型可有效模拟自复位RC剪力墙的滞回特性、自复位性能及耗能能力。自复位RC剪力墙的承载力随碟簧预压力、附加摩擦力及碟簧装置刚度的增大而增大;耗能能力随附加摩擦力的增大而增大;残余位移随附加摩擦力的增大而增大,随碟簧预压力和碟簧装置刚度的增大而减小。     

皇冠梨静压力学特性及模拟研究

目的 建立皇冠梨生理特性与力学损伤关系模型,实现果实静压过程的模拟研究。方法 通过材料松弛试验和静态压缩试验,研究果实材料力学特性。使用三维扫描方法辅助建立果实有限元模型,并对果实静载损伤过程进行模拟。结果 使用Maxwell黏弹性材料本构模型,成功模拟了果实流变特性。通过静压试验将所建立的梨果实黏弹性材料模型与传统弹塑性材料模型进行对比,误差降低了7%,从而验证了模拟的准确性。根据von Mises等效应力分布结果进行预测,发现在静载力为161.21 N时梨果实会出现明显损伤。结论 以上研究使用2种材料对静态压缩试验进行仿真模拟,进一步验证了使用数值模拟方法对水果静力学过程模拟的可靠性。为皇冠梨果实机械化采摘、储存包装及加工搬运过程提供了理论依据。     

基于界面相模型的耐火材料非线性力学行为模拟

耐火材料力学行为的非线性源自于其细观结构的变形和损伤。从细观力学入手,采用不完美界面颗粒填充复合材料的界面相模型,结合材料的损伤机理,通过逐步改变界面相的弹性模量和体积分数等物理参数来等效模拟材料在承载过程中的非线性力学行为。在镁碳质耐火材料的实验基础上,对材料在不同承载形式下的损伤演化过程进行模拟,利用数值计算的方法得出材料应力与应变的关系。研究结果表明,运用此方法对镁碳质耐火材料非线性力学行为的模拟结果与实验结果能较好地吻合。     

沥青混合料热粘弹性本构关系试验测定及其力学应用

基于热粘弹性力学理论,就不同的温度条件下沥青混合料的应力松弛特征开展了试验研究,应用热流变简单材料的时温等效原理对试验结果进行了分析和参数拟合,根据试验结果建立了描述沥青混合料粘弹特性的广义Maxwell模型;通过理论推导提出了沥青混合料非定常和非均匀变温条件下增量型热粘弹性本构关系,在此基础上,给出应用本构关系进行沥青路面热粘弹性力学分析的数值实现方法;通过对TSRST试验的模拟,对得到的沥青混合料热粘弹性本构关系及其数值实现方法的合理性进行了验证,并给出一个工程计算实例。     

新型自适应变刚度隔震装置的力学模型和地震响应分析

基于负刚度系统的力学性能特点,研发了自适应变刚度隔震装置。基于该装置的组成构造和变形机理,提出了其理论力学模型,给出了装置简化的三阶段变刚度模型。对自适应变刚度装置进行的竖向压缩拟静力试验结果表明,理论力学模型与试验力学模型的三阶段刚度基本一致,可有效模拟装置的变刚度力学特性。通过自适应变刚度装置与铅芯橡胶支座组合,给出了变刚度隔震系统的力学模型,对某地图书馆进行的地震响应分析认为,新装置可适应不同水准抗震性能设计要求,降低隔震结构的加速度响应,同时避免隔震层位移过大,有效提升系统的稳定性和隔震效率。     

力学损伤混凝土热传导行为细观研究

为研究力学损伤对温度传导行为的影响,考虑混凝土细观结构的非均质性,将其视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,提出并建立了力学-热学单向耦合作用研究的细观数值方法与模型。方法的思想是:首先对非均质混凝土在荷载作用下开裂损伤力学行为模拟分析,获得其内部的损伤分布情况;然后,将力学分析结果作为初始输入条件,结合复合材料均匀化理论,获得损伤混凝土各细观单元的导热性能,从而实现了力学-热学单向耦合作用的数值模拟。以单轴压缩加载为例,通过与试验结果的对比,验证细观方法的合理性与有效性。基于该套细观数值模拟方法,对荷载作用后混凝土试件的宏观有效导热系数与温度场分布进行了细观计算分析,对比了不同复合材料力学模型的影响,探讨分析了压缩荷载水平的影响规律。     

隧道-土-桥桩相互作用体系振动台试验与数值模拟研究

以大连实际工程为背景,通过振动台试验研究了双隧道-砂土-桥桩系统在地震作用下的动力相互作用（SSSI）,得到结构、场地的动力响应规律,并与ABAQUS数值模拟结果进行对比。数值模型引入Kelvin本构模型子程序,利用等效线性方法处理砂土在计算过程中的非线性问题。将试验结果与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上设计了8种工况,通过对比分析研究了体系内各结构之间的相互作用规律。结果表明,隧道会放大桥桩、临近隧道的峰值加速度,而桥桩却会对侧穿隧道的峰值加速度起到减弱作用;隧道与桥桩的存在均会增大彼此的截面剪力与弯矩,其中受影响的区域主要集中在隧道上下拱,桥桩的桩底与桩-土交界面。     

描述混凝土块体间碰撞性能的冲量模型

采用单摆和垂直轨道装置进行了混凝土块体对心碰撞试验。研究参数包括质量比、初始相对碰撞速度、绝对质量和相对加速度。利用LS-DYNA有限元程序数值再现试验过程。在此基础上选取初始碰撞夹角、有效碰撞面积和混凝土抗压强度为研究参数,进行了补充数值试验。基于试验和补充数值试验结果,经回归分析得到了混凝土块体对心碰撞力学模型。此外,考虑到试验中参数的变化,对试验进行了扩展数值模拟。采用模型得到的结果与扩展数值模拟结果吻合良好。     

新型双重自复位摩擦阻尼器试验及数值模拟

为提升阻尼器的复位性能,提出了由复位弹簧与形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)组成的双重复位驱动体系,设计了新型双重自复位摩擦阻尼器,概述了其构造及工作原理。通过往复加载试验,考察了预紧力、加载位移幅值及复位弹簧组件刚度对阻尼器复位性能及耗能性能的影响;确定了阻尼器简化力学模型并进行数值模拟分析。结果表明：增大预紧力虽能提高阻尼器耗能性能,但同时增大了残余变形率;在预紧力和加载位移幅值较大的情况下,双重复位体系对阻尼器卸载后残余变形率的降低更加显著,有利于提升有高耗能需求的阻尼器的复位性能;简化力学模型与OpenSees有限元模拟得到的阻尼器滞回曲线、力学性能参数与试验结果吻合程度较高,验证了力学模型的准确性。通过有限元模拟分析了各功能部件对阻尼器整体性能贡献,分析结果反映了摩擦耗能装置对阻尼器整体耗能性能的贡献较好,并且复位弹簧对阻尼器复位性能的贡献随着预紧力的增大而愈加明显。