混凝土结构冻融损伤理论及冻融可靠度分析

该文基于疲劳累积损伤理论,对混凝土的冻融损伤特性进行了可靠性分析。把混凝土结构冻融破坏近似看作由不同正负峰值温度差顺序作用产生的疲劳累积损伤破坏,给出了常幅温差及变幅温差作用下基于疲劳累积损伤的冻融可靠度计算分析模型,并对某一混凝土构件的冻融损伤可靠度进行了计算分析。     

定侧压混凝土双压疲劳损伤模型

基于边界面概念和损伤力学理论,建立了一向定侧压混凝土双轴压各向异性损伤模型。加载面、边界面方程均以损伤能量释放率表示。在能量释放率空间内,由加载面与初始损伤面、边界面之间的位置描述损伤状态。通过建立累积损伤与相应循环损伤能量释放率阈值之间的关系,确定了疲劳加载中极限断裂面尺寸的变化规律,由此模拟混凝土在循环荷载作用下的刚度退化过程。结合已有的试验结果,确定了理论模型中的计算参数。经比较,理论模型预测的应力-应变数值、疲劳寿命和试验结果吻合较好。     

再生混凝土与钢筋粘结滑移性能的试验研究及力学分析

良好的粘结性能是确保再生混凝土与钢筋能够共同工作的前提条件。通过120个试件的拉拔试验,并结合非平衡态热力学与损伤力学的相关理论分析再生混凝土与钢筋间的粘结滑移性能。提出三段式的粘结滑移本构模型,对比表明该模型对实测粘结滑移曲线具有较好的模拟效果。分析了粘结破坏过程中的能量守恒与能量耗散特性,给出了耗散能与弹性变形能代表值的计算公式,探讨了初始弹性变形能与极限弹性变形能的关系,并基于本构破坏能,对影响粘结性能的因素进行了分析。提出相对损伤变量的概念,定义了界面相对损伤变量,推导出相对损伤滑移方程,分析了界面初始损伤、界面损伤发展阶段以及界面损伤的发展速度。研究结果可为推广应用钢筋再生混凝土结构提供基础研究资料。     

洪涝灾害损伤结构可靠度分析

本文综合考虑了现存结构服役期间所获得的荷载信息对结构后续服役期荷载及结构抗力的修正作用,提出了现存结构服役可靠度的概念及计算模型,并对洪涝灾害损伤结构的服役可靠度进行了分析、计算。得到了一些有益的结论。     

界面过渡区厚度对再生混凝土损伤性能的影响分析

界面过渡区一直是混凝土和再生混凝土的薄弱点,为了进一步研究界面过渡区对再生混凝土损伤性能的影响.本文工作对再生混凝土界面过渡区厚度的计算公式进行了推导,得到了再生混凝土界面过渡区的厚度定量计算公式,并计算了再生骨料掺量为30％(质量分数)的再生混凝土中不同粒径骨料的界面过渡区厚度.采用混凝土模型试验方法,运用有限元分析软件对普通混凝土界面过渡区厚度为0.05 mm和再生混凝土界面过渡区厚度分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的混凝土模型进行了模拟分析.结果表明,不同厚度的界面过渡区对再生混凝土损伤开裂强度影响明显,随界面过渡区厚度的增加,再生混凝土损伤开裂荷载不断降低;再生混凝土的损伤开裂都是从界面过渡区开始的,且随界面过渡区厚度增加,损伤程度增加;与普通混凝土相比,当界面过渡区厚度不超过2 mm(再生骨料替代率不超过30％)时,再生混凝土损伤开裂荷载降低不明显.     

混凝土疲劳损伤强度可靠度置信限分析

以三参数Weibull概型为基础,结合大量C15混凝土试件的试验和某混凝土重力坝的原型观测反演结果,建立了描述高应力水平区域的混凝土在较低损伤量下低周疲劳强度的置信限分析模型,得到了具有给定置信度的疲劳强度、疲劳寿命和疲劳损伤三者间的关系曲线,NSP---g和DSP---g曲线。利用本文方法可方便地在给定置信限内计算混凝土在给定应力水平条件下的疲劳寿命、损伤量和剩余强度, 对混凝土做考虑损伤的可靠度设计,以及对已建结构进行可靠度评价。     

FRP-混凝土三点受弯梁损伤粘结模型有限元分析

该文采用双线形损伤粘结模型研究带切口FRP-混凝土三点受弯梁(3PBB)I型加载下的界面断裂性能。通过有限元参数分析,详细讨论了界面粘结强度、界面粘结能、混凝土抗拉强度、混凝土断裂能对3PBB受力性能的影响。数值模拟表明,FRP-混凝土界面有两种破坏形式,包括FRP-混凝土界面的损伤脱粘和界面混凝土的损伤脱粘破坏,与实验所观察到的现象一致。两种破坏形式尽管在宏观上均表现为界面脱粘,但破坏机制却不同。FRP-混凝土界面的损伤粘结模型与混凝土的拉伸塑性损伤模型相结合,不但再现了3PBB的宏观力学性能,数值分析得到的荷载-位移曲线接近实验结果,而且还能详细展示FRP-混凝土界面的损伤、断裂破坏过程以及损伤在FRP-混凝土界面和界面混凝土之间的转移,能够预测构件的承载力,有助于界面优化设计,这是单纯以能量判据预测裂纹发展的经典断裂力学方法所无法做到的。     

混凝土拉-压疲劳损伤模型及其验证

基于连续损伤力学理论,提出了混凝土单轴拉-压疲劳损伤模型。模型中采用了拉和压两个边界面。加载面、边界面方程均以损伤能量释放率表示。在能量释放率空间内,由加载面与初始损伤面、边界面之间的位置描述损伤状态。通过建立累积损伤与相应循环损伤能量释放率阈值之间的关系,确定了疲劳加载中极限断裂面尺寸的变化规律,由此模拟混凝土在循环荷载作用下的刚度退化过程。结合作者完成的疲劳试验结果,确定了理论模型中的计算参数。经比较,理论模型预测的应力-应变数值、疲劳寿命和试验结果吻合较好。     

再生粗骨料混凝土应力-应变关系

再生粗骨料混凝土应力-应变关系是实现其材料到结构力学分析的桥梁纽带,成为再生粗骨料混凝土结构基础理论的基石。介绍了作者团队多年来在再生粗骨料混凝土应力-应变关系方面取得的研究进展：采用模型化再生粗骨料方法,研究了复杂界面过渡区对再生粗骨料混凝土破坏行为的影响,揭示了再生粗骨料混凝土细观损伤本质与演化机理;从静力作用到动力作用,系统地开展了不同工况下再生粗骨料混凝土应力-应变行为试验研究,探明了载荷条件对再生粗骨料混凝土应力与变形的影响规律并建立了相适应的力学与数学模型;进一步考虑再生粗骨料性能时空变异性,发现了再生粗骨料混凝土力学响应的概率分布特征,提出了再生粗骨料混凝土随机损伤本构关系;基于获得的本构模型,完成了再生粗骨料混凝土构件时变可靠度分析和结构动力非线性分析,为再生粗骨料混凝土在实际工程中的安全应用提供了理论支撑;提炼了相关研究结论并对未来研究工作进行了展望。     

水泥混凝土路面的工后可靠度及其计算方法

针对当前水泥混凝土路面可靠度设计方法存在的问题,提出了工后可靠度的概念及其思想,以贝叶斯定理为基础推导了水泥混凝土路面工后可靠度的计算公式,并通过算例示范了工后可靠度的计算方法。工后可靠度对道路管理部门制定养护经费计划和养护对策有重要的意义。对于更有实用意义的路面管理系统的构建,进一步提出了动态可靠度的概念,以及基于贝叶斯网络的路面动态可靠度计算方法,对路面管理系统的开发具有参考意义。     

混凝土结构材料非线性本构参数识别算法研究

针对混凝土材料特性离散性较大、本构参数不确定性较强的问题,本研究提出了基于RSM-CMA的钢筋混凝土结构材料非线性本构参数的识别算法。首先,讨论分析了ABAQUS混凝土损伤塑性模型与规范提供的混凝土本构模型的统一方法,开发了混凝土材料子程序,获取了影响混凝土单轴应力-应变关系的敏感待识别参数,给出了损伤塑性模型屈服面函数与塑性势函数等非识别参数的建议取值。其次,基于响应面法(RSM),实现了结构宏观响应与细观本构参数间隐性关系的显式表达,基于带约束的最小二乘原理,构建目标函数,利用混沌猴群算法(CMA),实现本构参数的优化识别。最后,以钢筋混凝土拱构件的数值仿真为算例,验证了本研究所提算法的准确性。结果表明:抗压强度、峰值压应变是混凝土本构敏感性参数;抗压强度为影响结构极限承载力的最显著本构参数,弹性模量次之,峰值压应变影响最小;本研究所提算法能够较为准确地识别材料的本构参数,有助于获取精确的结构层次宏观响应,可为有限信息下材料本构参数的辨识、获取提供参考。     

地铁隧道钻爆法施工影响下混凝土结构损伤预测方法研究

结合青岛地铁隧道下穿建筑物的工程实践,通过数值模拟的方法,分析了爆破振动影响下混凝土结构的应力分布,基于Ottosen和过-王2种混凝土破坏准则,推导了适用于混凝土材料的屈服接近度模型,进而得出了混凝土结构的损伤分布范围和演化过程。以地表沉降实测数据为基础,利用随机介质理论方法反分析地表移动参数,并利用所得的参数对下穿建筑物时进行了沉降预测,由此实现了对不同沉降量和爆破振速共同影响下建筑结构开裂损伤的量化评估与控制研究。结果表明：在建筑结构的开裂损伤演化中,地表沉降的影响程度远大于爆破振动的影响程度。     

Reliability of reinforced concrete structures under fatigue

This paper focuses on time-variant reliability assessment of deteriorating reinforced concrete structures under fatigue conditions. A strategy combining two time scales, namely the micro-scale of instantaneous structural dynamics (or statics) and the macro-scale of structural lifetime, is proposed. Non-linear response of reinforced concrete structures is simulated by means of the finite element method with adequate material model. A phenomenological fatigue damage model of reinforced concrete is developed and calibrated against experimental results available in the literature. Reliability estimates are obtained within the response surface method using the importance/adaptive sampling techniques and the time-integrated approach. The proposed assessment strategy is illustrated by an example of a concrete arch under fatigue loading. The obtained results show a general inapplicability of local and linear fatigue models to system level of structures.     

基于近场动力学方法的混凝土板侵彻问题研究

由于近场动力学(Peridynamics)用统一空间积分-时间微分方程描述物体连续或不连续区域,改进常用微观弹脆性模型对势本构力函数,给出刚性体与变形体冲击问题接触算法;编制计算程序,验证经典简支梁变形及Kalthoff-Winkler试验;数值模拟刚性弹丸侵彻混凝土矩形板破坏过程,揭示损伤累积及裂纹扩展全过程与最终破坏形态。结果表明,改进的近场动力学模型及算法合理、可靠,能有效模拟混凝土结构冲击破坏及侵彻问题。     

Identification of viscoelastic behavior for early-age concrete based on measured strain and stress histories

In order to accurately predict the stress of concrete structures that undergo variations of temperature and moisture, a compliance function is required that considers the fast development of material properties in early-age concrete. The purpose of present study is to identify the viscoelastic behavior in actual concrete structures at early ages. To this end, a numerical method to identify the viscoelastic properties from measured strain and stress histories was investigated and a series of full-scale test members was fabricated, from which the behavior of early-age concrete was directly measured. The relaxation function was identified from measured data in the full-scale members and the existing compliance model, which is based on the solidification theory, was modified for incorporation into the early-age behavior. The modified compliance model described the highly viscoelastic behavior of concrete at very early ages and thus allowed more accurate evaluation of deformation and stress in early-age concrete.     

混凝土双轴拉-压综合随机损伤本构关系研究

实际工程中的混凝土结构大多处于复杂应力状态,该文考虑混凝土组成材料物理性能的差异及横向变形性等特点,基于混凝土单轴受拉弹簧-摩擦块细观单元,建立混凝土双轴拉-压随机损伤细观模型。在双轴拉-压荷载组合作用下,根据混凝土破坏过程中的能量守恒原理,分别建立超高强高性能混凝土、普通混凝土及高强混凝土综合随机损伤本构关系,并针对损伤本构函数进行多参数灵敏度分析。通过理论值与试验结果的比较,验证了提出的随机损伤本构关系的有效性。     

钢筋混凝土框架结构破坏性能的离散单元法模拟

离散单元法是模拟结构破坏的一种有效的分析方法。通过引入节点单元和考虑混凝土的非线性对矩形离散单元模型进行了改进,并给出了改进后离散单元模型的破坏准则和基本方程以及弹簧系数等计算参数的确定;改进后的模型采用了双链表技术,提高了模型的计算效率。对在爆炸荷载作用下的钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏过程进行了模拟,结果表明:采用改进后的离散单元法可以有效地模拟钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏过程。     

基于G-S-G的混凝土结构裂缝识别及监测方法

为解决复杂约束条件下现代混凝土结构裂缝的精准监测问题,提出基于G-S-G混凝土结构裂缝智能识别及监测方法。将灰度共生矩阵理论(GLCM)和自组织特征映射神经网络(SOM)模型结合,并通过数字图像处理技术(DIP)及数字特征筛选法(DFS)辅助分析,研究提高混凝土结构裂缝识别及监测精度的智能方法;并基于工程实例(柱的偏心受压试验),验证方法的可行性及准确性。结果表明,在有限的样本空间下,基于GLCM-SOM的裂缝识别模型,通过构建的标准特征样本集(角二阶矩(ASM)、熵(ENT)等)排除环境因素及孔洞、凹陷等缺陷的干扰,获得较高的识别精度;基于SOM-GLCM的裂缝监测数据显示,筛选出的相关(COR)和聚类阴影(CLS)损伤特性指标与裂缝的发展情况具有良好的线性关系,可作为裂缝延展趋势的敏感特性指标。提出的G-S-G裂缝检测方法,充分结合GLCM与SOM各自的独特优势,建立起精准识别裂缝损伤的网络模型,并对裂缝的发展趋势进行有效监测。研究有助于实现现代混凝土结构裂缝损伤的高精度智能化健康监测。     

Inspection and monitoring planning for RC structures based on minimization of expected damage detection delay

The deterioration mechanism of reinforced concrete (RC) structures under corrosion is highly dependent on environment and material properties. Uncertainties in structural damage occurrence and propagation due to corrosion should be considered in a rational way using a probabilistic approach. In this study, such an approach is proposed to establish a life-cycle optimum inspection plan under uncertainty. This plan leads to cost-effective maintenance interventions, considering uncertainties associated with damage occurrence/propagation and inspection methods. Uncertainties associated with prediction of damage occurrence time are considered by using the Monte Carlo simulation. A damage detectability function is used to assess the quality of inspection method according to damage intensity. The inspection planning is formulated as an optimization problem with the objective of minimizing the expected damage detection delay. This formulation is further used for optimum monitoring planning. Effects of number of inspections and/or monitoring actions, quality of inspection, monitoring duration, and uncertainties associated with damage occurrence/propagation are investigated. The proposed approach is applied to an existing highway bridge. This approach can be used to develop cost-effective management strategies by considering effects of damage detection delay on life-cycle cost and performance of deteriorating structures.     

Condition assessment of concrete in hydraulic structures by surface wave non-destructive testing

Maintenance and rehabilitation of concrete structures affected by alkali-aggregate reaction (AAR) require conducting detailed assessment of the concrete conditions, mainly close to the surface where the damage is more severe. This paper presents in situ investigations by surface wave testing of near-surface AAR damage in two hydraulic structures. The survey was carried out using a non-intrusive multi-sensor method that involves frequency–wavenumber analysis of surface waves. The method allows solving Rayleigh surface wave propagation modes required for the determination of the shear wave velocity in terms of depth. The variation of Young’s modulus with concrete depth can be estimated from the obtained shear wave velocity profile. Two different cases of surface wave propagation, typical of concrete structures, are discussed in this paper. The tests were conducted from the concrete surface only and the subsurface quality was mapped up to a depth of 1.50 m. The applications show that the proposed surface wave method is a potential non-destructive evaluation method that can be used to detect and locate near surface damage in concrete structures.

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