往复何荷载下钢筋混凝土柱受力性能的数值模拟

准确预测地震荷载下钢筋混凝土柱的受力性能,对评估震后混凝土框架结构及桥梁结构的安全性和震害损失具有重要意义.由于复杂的材料性能和受力行为,地震作用下钢筋混凝土柱受力性能的准确计算目前仍需主要借助数值模拟,并且对数值模型中混凝土和钢筋材料的滞回本构关系提出了更高的精度要求.该文基于纤维分析模型,采用更加完善的反复荷载下钢筋和混凝土的本构,编制了可精确分析钢筋混凝土杆系结构及构件在往复荷载下受力性能的计算程序,并对不同轴压比和不同配筋率的2根压弯柱试件进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好.     

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。     

锈蚀钢筋混凝土柱的修正压-剪-弯分析模型研究

随着服役时间的增加,混凝土结构中钢筋易发生锈蚀,引起混凝土结构承载性能下降,严重影响工程结构的继续使用。该文在分析纵筋锈蚀后的屈曲效应、箍筋锈蚀后的约束效应、混凝土和钢筋材料性能劣化的基础上,建议了考虑锈蚀影响的钢筋、混凝土及锈蚀钢筋与混凝土界面粘结性能的本构模型,以锈蚀钢筋混凝土柱为研究对象,对反复荷载作用下钢筋混凝土柱的分析模型进行修正,建立了锈蚀钢筋混凝土柱压-剪-弯交互作用下极限承载力计算模型,并通过21根锈蚀混凝土柱的试验结果对建议分析模型进行了验证。研究结果表明:锈蚀钢筋混凝土柱极限承载力试验值与计算值之比的平均值为1.021,方差为0.014,建议模型极限承载力预测值与试验结果吻合较好,可用于低周反复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土柱的承载力分析。     

钢筋混凝土柱地震破坏分析的多尺度建模方法

结构多尺度计算技术在保证计算精度的同时,可大幅度地降低计算成本。该文提出了钢筋混凝土柱多尺度模型界面连接和引入等效塑性铰长度的精细化区域界定的方法,并在LS-DYNA程序中二次开发了混凝土多维损伤本构模型,建立了钢筋混凝土柱地震破坏分析的多尺度建模方法。通过对钢筋混凝土柱拟静力试验和单调推覆数值试验的模拟与对比分析,验证了所建立方法的适用性;通过对一钢筋混凝土柱的地震模拟振动台试验的模拟与分析,直观地观察了强震作用下钢筋混凝土柱的混凝土压碎、钢筋屈曲等破坏过程。     

考虑应变率效应的钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程模拟

为研究应变率对钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程的影响,采用钢筋、混凝土单轴动态本构关系及加卸载准则,基于纤维梁理论开发了ABAQUS显式动力分析材料子程序。通过对3层偏心钢筋混凝土框-剪结构振动台试验的数值模拟,验证了该程序用于钢筋混凝土结构非线性地震反应分析的准确性和有效性。通过在材料子程序中定义钢筋、混凝土材料失效破坏判别准则,实现了地震作用下考虑应变率效应的钢筋混凝土结构连续倒塌破坏全过程模拟。分别对振动台试验模型结构和钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏模式进行了预测,初步探讨了应变率对钢筋混凝土结构地震反应与连续倒塌破坏过程的影响。结果表明:该程序能够准确模拟钢筋混凝土结构的非线性地震灾变过程,可用于考虑材料应变率效应的钢筋混凝土结构抗震设计与分析中。     

内部爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应研究

对于合理预测内部爆炸荷载作用下复杂结构的动力响应,通常需要用合适的计算方法进行直接的数值模拟。采用了考虑应变率影响的钢筋和混凝土材料的动力本构损伤模型,介绍了用爆炸流体动力学软件预测在封闭空间内发生爆炸情况下结构响应的数值模拟方法。对箱型封闭空间内0．5kg TNT爆炸荷载作用下钢筋混凝土顶板的响应进行了数值模拟研究,展示了钢筋混凝土板从混凝土开裂、钢筋断裂到板整体抛射的动态演变过程,并与试验结果进行了对比分析,内部爆炸荷载压力时程曲线、混凝土的损伤破坏和板的抛射速度与试验结果吻合较好。从中可以发现钢筋对混凝土开裂起主要抑制作用,板的开裂和碎片形成主要受脉冲压力荷载的影响,而板的抛射速度主要受气体压力荷载的控制。     

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。     

钢筋混凝土结构非线性行为的优化计算方法及应用

传统的钢筋混凝土结构的整体式模型往往难以模拟钢筋的作用效果,导致计算结果不理想。在定义材料本构关系时,充分考虑钢筋在混凝土开裂之后的作用,可在保证计算精度的同时显著提高计算效率。首先分别以建立钢筋单元和输入配筋率的两种方式建立了分离式模型和整体式模型;其次考虑混凝土强度、集配情况定义了混凝土材料的非线性应力-应变关系,特别是采用与裂缝开展有关的裂缝处剪应力与剪应变的本构关系;然后分别对两组模型进行数值计算,并从开裂强度、裂缝开展过程、监测点的位移、极限强度等多个方面分别将两组计算结果与相应试验结果进行对比,结果表明优化计算方法单元数目少,计算速度快,计算精度高;最后将该方法应用到实际工程,准确分析了钢筋混凝土柱在地震作用下的裂缝开展以及破坏过程。     

火灾后钢筋混凝土柱的剩余承载力研究

对ISO834标准火灾作用后钢筋混凝土柱的剩余承载性能及方形柱剩余承载力的实用计算方法进行了研究。结合高温后混凝土和钢筋的本构模型及虚梁法,建立了火灾作用后钢筋混凝土柱剩余承载力的数值分析模型,并编制了相应的程序CAFIRE,程序考虑了轴力的二阶效应。利用程序分析了相关参数对标准火灾作用后钢筋混凝土方形柱剩余承载力的影响规律。针对不同受火时间、计算长度、截面尺寸、荷载偏心率、配筋率和荷载角等情况,共进行了2700种工况下钢筋混凝土方形柱剩余承载力分析。在计算结果的基础上,定量给出了标准火灾作用后钢筋混凝土方形柱剩余承载力的实用计算方法。最后利用程序比较了不同受火时间后相同横截面面积、相同配筋率、不同截面形状混凝土柱的剩余承载力。     

基于动态黏结滑移性能的钢筋混凝土分离式模型研究

基于钢筋混凝土黏结滑移机理,搭建能够描述循环荷载作用下钢筋混凝土之间黏结性能变化过程的动态黏结-滑移本构关系,并结合单弹簧联结单元法建立钢筋混凝土分离式模型。模型避免了人为选择法向刚度困难的问题,并通过局部坐标系求解钢筋单元解决工程配筋布置问题,保证了复杂受力条件下的计算精度与计算效率。结合混凝土损伤模型进行经典算例分析,展示了模型对于结构中钢筋与混凝土局部变形与作用力关系的模拟,并对比分析了地震荷载作用下Koyna重力坝表层配筋对大坝整体动力响应及最终破坏模式的影响。研究表明,当坝体表层易损区域布置抗震钢筋之后,在钢筋与混凝土的协同作用下能够起到一定程度的限裂作用,提高坝体的抗震性能。算例的仿真结果均能够反映工程界的普遍认知,同时也验证了该模型的正确性。     

钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱的抗震性能试验研究

为更有效提高抗震加固效率, 提出采用钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱的思路。制作钢筋钢丝网砂浆加 固、钢筋网砂浆加固和未加固钢筋混凝土方柱三类共9个试件, 进行各柱在竖向恒定轴力和水平向低周反复加载作用下的抗震性能对比试验研究, 测试了各柱的抗震承载力、延性、破坏形态及其滞回特性, 讨论了配箍率、加固形式和轴压比对构件抗震性能的影响。结果表明:相对钢筋网加固柱, 钢筋钢丝网加固柱的耗能能力有大幅度的提高。     

Development of P-I diagrams for FRP strengthened RC columns

In this study, numerical simulations are performed to construct the Pressure-Impulse (P-I) diagrams for FRP strengthened RC columns to provide correlations between the damage levels of FRP strengthened RC columns and blast loadings. Numerical model of RC columns without or with FRP strengthening is developed using LS-DYNA. The accuracy of the model to simulate RC column responses to blast loads is verified by comparing the numerical simulation results with the tests results available in the literature. Dynamic response and damage of RC columns with different FRP strengthening measures are then calculated using the developed numerical model. The residual axial-load carrying capacity is utilized to quantify the damage level since the columns are primarily designed to carry the axial loads. Parametric studies are performed to examine the influence of column dimension, concrete strength, steel reinforcement ratios, FRP thickness and FRP strength on the P-I diagrams. The empirical formulae are derived based on numerical results to predict the impulse and pressure asymptote of P-I diagrams. These empirical formulae can be straightforwardly used to construct P-I diagrams for assessment of blast loading resistance capacities of RC columns with different FRP strengthening measures.     

结构尺寸对钢筋混凝土短柱抗震性能影响:细观分析

地震作用下,钢筋混凝土短柱由于承受竖向和水平荷载共同作用而往往产生脆性压-剪破坏行为,该脆性破坏可能表现出尺寸效应行为。借助混凝土细观结构特征,考虑非均质性以及钢筋/混凝土非线性相互作用的影响,建立了钢筋混凝土短柱力学行为研究的三维细观尺度数值模型。在模拟结果与试验结果吻合良好的基础上,研究了轴压比对不同结构尺寸尤其是大尺寸钢筋混凝土短柱抗震性能,如抗剪承载力、滞回特性、延性性能和耗能能力等参数的影响。最后,借助相关试验和模拟数据,基于经典的Bažant尺寸效应律思想提出了能够反映尺寸效应影响钢筋混凝土短柱抗剪承载力修正公式。     

钢筋混凝土柱剪切粘结破坏影响因素分析

剪切粘结破坏是钢筋混凝土压弯构件一种常见的震害形式,剪切粘结破坏柱刚度退化快、延性差、滞回曲线#x0201c;捏拢#x0201d;现象明显、耗能能力差,因此,有必要进一步研究钢筋混凝土柱剪切粘结破坏的影响因素,以避免此类震害的发生。该文通过试验数据和有限元模拟分析了面积配箍率、混凝土强度、轴压比、剪跨比、纵筋直径及加载方式对钢筋混凝土柱破坏形态的影响,结果表明钢筋混凝土柱易于发生剪切粘结破坏的条件为:面积配箍率较大、混凝土强度等级较低、轴压比0.1#x02264;n#x02264;0.5、剪跨比1.25<#x003bb;<2.5、配筋率较大且纵筋直径较大、低周往复荷载作用。     

A study of reinforced concrete bridge columns retrofitted by steel jackets

Abstract

In this paper, theoretical and experimental results of two as‐built circular reinforced concrete (RC) bridge columns and two columns retrofitted with steel jackets are presented. A constitutive model for concrete confined by a steel jacket is proposed. The proposed model is implemented into a sectional analysis to predict the lateral load‐deformation relationship of retrofitted columns. 2/5 scaled RC bridge columns are designed based on the standard details of the existing bridge columns mostly built in late 1980s and early 1990s, in Taiwan (Ministry of Transportation and Communication, 1987; 1995). The columns are expected to have a flexural failure mode during severe ground shaking. Displacement‐controlled cyclic loading tests were conducted to obtain the seismic performance of the columns. The experimental results showed that the bridge column retrofitted with steel jacketing could greatly improve seismic performance measured based by the strength and ductility. The analytical results showed that the proposed constitutive model, implementing sectional analysis, could well capture the lateral force‐displacement relationship of the bridge columns retrofitted with steel jackets.     

HPFL加固负载下有震损RC圆柱抗震性能的有限元分析

基于采用高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层(HPFL)加固4根钢筋混凝土足尺圆柱在不变轴力和周期水平荷载作用下抗震性能的试验研究结果,该文对试件进行了数值模拟分析,研究被加固柱的抗震承载力、延性、刚度、耗能能力等的性能特征。同时,还提出了可用于负载下有震损RC柱的加固方法和该类结构的抗弯承载力简化计算方法。在此基础上,利用新加固方法和有限元分析手段,研究影响负载下有震损RC柱抗震性能的主要因素,包括轴压比、剪跨比、横向网筋配箍率和配筋形式,研究表明:有限元模拟值、理论值和试验值吻合良好;采用HPFL加固后,构件的承载力、延性、耗能能力均有明显改善,刚度的退化速率明显减小,加固层纵筋锚入基座后,抗震性能的提升改善更加优越;随着轴压比的增加,承载力有较大的增长,延性发挥不足;剪跨比增大时,试件的承载力和延性降低;负载级差越大,后期变形能力明显越弱;采取螺旋配筋形式与采取环形配筋形式相比,两者初始刚度相当,前者延性更好,后者承载能力更高。     

Nonlinear behavior of shear deficient RC beams strengthened with near surface mounted glass fiber reinforcement under cyclic loading

The aim of this investigation is to evaluate experimentally and numerically the cyclic loading response of reinforced concrete (RC) beams strengthened in shear with Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) rods using the near surface mounted (NSM) technique. The experimental results indicated that the use of GFRP rods as NSM strengthening systems can significantly enhance the overall capacity and ductility of shear deficient RC members when subjected to cyclic loading. In particular, the increase in the load-carrying capacity of the strengthened specimens over the unstrengthened control specimen was in the range of 49–66%. Furthermore, the increase in the displacement over the control specimen ranged between 112% and 172%. A 3D finite element (FE) model was also developed to simulate the response of the tested specimens. The developed FE model integrates multiple simulation techniques, nonlinear material properties and corresponding constitutive laws. The models incorporate concrete cracking, yielding of steel reinforcement, bond–slip behavior between NSM reinforcement and adhesive material and between steel reinforcement and adjacent concrete material, respectively. The load–deflection response envelopes and the load–deflection hysteresis loops of the experimentally tested beams and those simulated by the FE models were compared. Good matching was observed between the predicted and measured results at all stages of cyclic loading.     

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。     

尼泊尔8.1级地震钢筋混凝土框架典型震害及讨论

尼泊尔8.1级地震发生2个月后,该文作者随队开展了为期半个月的尼泊尔地震震害调查。该文报道了尼泊尔8.1级地震中3个调查点的钢筋混凝土（RC）框架结构震害特点。调查表明,除少数医院、政府办公楼、学校建筑为正规抗震设计建造外,大部分RC框架结构为自建民居、商铺。被调查RC框架结构的梁、板、柱均采用现浇混凝土,填充墙均采用粘土砖砌筑。震害主要表现为底层或临街楼层（街道高于底层时）框架柱压弯破坏,填充墙倒塌,柱顶水平施工缝处破坏,部分紧邻填充墙的柱顶部剪切破坏,屋顶女儿墙震损掉落,少数结构发生整体垮塌。该文作者对某一典型区域的框架结构进行了详查,得到6个震损结构的尺寸、材料强度和破坏模式,分析表明,具有较小柱轴压比,较大刚重比的结构具有较好的抗倒塌能力。最后,针对尼泊尔RC框架的震害特点,对比我国相关规范规程和以往震害经验,探讨了防止填充墙相邻柱端剪切破坏的措施、防止施工缝对柱的削弱、非结构构件抗震构造措施的必要性,以及震后建筑安全性鉴定的注意事项。