Isogeometric cohesive zone model for thin shell delamination analysis based on Kirchhoff-Love shell model

We present a cohesive zone model for delamination in thin shells and composite structures. The isogeometric (IGA) thin shell model is based on Kirchhoff-Love theory. Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) are used to discretize the exact mid-surface of the shell geometry exploiting their C¹-continuity property which avoids rotational degrees of freedom. The fracture process zone is modeled by interface elements with a cohesive law. Two numerical examples are presented to test and validate the proposed formulation in predicting the delamination behavior of composite structures.     

土结接触面黏聚区域模型及渐进累积破坏分析

首先探讨了土结接触面的含义、接触面相对位移的组成以及接触面的破坏形式,然后提出以黏聚区域模型描述接触面滑动和拉裂破坏变形、邻近非接触面单元描述接触面基本变形的分析思路,建立了基于黏聚区域模型的无厚度接触面单元,有效避免了接触面厚度确定的困难。在强化有限单元法（ FEM⁺⁺ ）的框架内完成了接触面模型的数值实现后,以直剪试验的模拟揭示了土与结构接触面的渐进累积破坏过程,说明了接触面模型与平均剪应力–剪切位移试验曲线的差异,并对模型本构参数的选取进行了阐述。     

基于黏聚区域模型的边坡渐进破坏过程强化有限元分析

剪切带非连续变形描述及剪切带扩展过程模拟是边坡渐进破坏过程分析的关键,基于黏聚区域模型及强化有限单元法提出一种剪切带渐进扩展过程模拟的有限元分析方法。首先,将剪切带两侧相对变形分解成分别由常规应变和附加应变确定的相对位移,提出具有弱非连续变形特征的剪切带变形等效强非连续变形描述方法,并采用黏聚区域模型表征剪切带应力和附加相对位移间的软化本构关系。其次,基于强化有限单元法描述强非连续变形,并构造相应的无厚度剪切带单元。在此基础上,提出剪切带渐进扩展模拟的有限元算法。算例表明,此方法不仅能够很好地模拟剪切带的应变软化特性,而且有效地克服了常规剪切带模拟具有的网格敏感性问题。     

考虑界面滑移效应的组合梁自振频率计算的修正折减刚度法

为建立考虑界面滑移效应的组合梁自振频率实用计算方法,将静力折减刚度法与基于Euler梁模型的理论解析结果进行对比,揭示了静力折减刚度法计算组合梁自振频率的局限性。提出了组合梁自振频率计算的修正折减刚度法,拓展了静力折减刚度在动力计算中的适用范围,且有效统一了考虑滑移效应的组合梁静、动力分析中刚度的计算。基于4根跨度3.8m的简支钢-混凝土组合梁的模态试验结果,对修正折减刚度法进行了验证,结果表明：相比于静力折减刚度法,修正折减刚度法在组合梁自振频率计算中的适用范围更广,且计算精度更高;修正折减刚度法的计算精度与解析公式较为接近,且该方法是通过对广为接受的静力折减刚度法进行修正而得到,相比于解析方法更易被工程设计人员接受。     

等效刚度板法对网架的受力性能分析

介绍了等效刚度板法分析网架的总体思路,采用等效刚度板法对网架弹性阶段受力性能进行了分析,以弹性拟板法为基础,对网架模型进行有限元分析,并与拟板模型的计算结果进行了对比分析,以评估拟板法的准确性.     

水平荷载单桩计算的综合刚度和双参数法杆系有限元数值解

 为提高水平荷载单桩设计计算的准确度和效率,建立基于综合刚度和双参数法原理的杆系有限元数值解。同时,从理论和对静载试验实例的分析上,指出我国现行规范建议的水平荷载桩设计计算m法存在的缺陷,建议改进方法。本文建立的杆系有限元法不像解析法那样存在参数取值的限制,避免了烦琐的查表计算,且无需对桩端约束条件进行假定及区分长桩、短桩和中长桩。实例计算比较表明,当采用与解析法相同的综合刚度和双参数时,杆系有限元解与解析解结果吻合很好,能保证桩顶位移和转角、桩身最大弯矩和及其作用位置与实测结果基本一致;当根据桩长范围内土层变化确定各土层比例系数m,通过若干次试算调整幂指数n和综合刚度EI可获得较解析法更好的计算结果。     

纵横弯曲桩计算的综合刚度和双参数法的有限差分解

 为提高外露段较长的桩在横向和竖向荷载共同作用下变形和内力的计算精度和效率,基于综合刚度原理和双参数法推导可考虑桩的纵横弯曲,即计及竖向荷载(包括桩顶竖向力及桩身自重和桩侧摩阻力)对弯曲变形影响的有限差分解,采用MATLAB程序语言编制相应的计算程序。与模型试验数据或现有方法工程实例计算结果的比较验证了该法的可靠性,同时还表明该方法比基于相同原理的杆系有限元法更方便快捷。研究结果表明：对于外露长度和桩顶竖向荷载较大的桩,重力二阶效应是不容忽视的,且竖向荷载不仅会增大桩身弯矩,还会导致桩身剪力的增大,现有方法未体现其对剪力的影响,是偏于不安全的,在纵横弯曲桩的设计计算中应引起重视。     

气液复合加载的岩爆模型试验研究

 针对现有岩爆模型试验设备及方法存在的不足,采用自主研发的气液复合型岩爆模型试验装置,进行不同应力梯度下的大尺寸岩爆模型试验。通过对试件宏观破坏现象、内部变形规律及声发射特征参数的分析,研究岩爆发生、发展过程及破坏机制。结果表明：岩爆的发生与荷载梯度、能量的集聚程度和破坏时能量的释放速率密切相关,模型荷载梯度差值不一导致局部应力集中程度不同,影响试件破坏前期能量的耗散与集聚及岩爆时刻能量的释放速率,竖向破坏荷载梯度差值越大,局部应力集中程度越高,能量释放速率越快,转化为动能的能量越多,岩爆现象越易发生。模型试件破坏时,顶部竖向最大荷载值 处于与单轴抗压强度 比值为0.5～0.7范围,梯度荷载条件下,动静组合加载是试件破坏荷载降低的主要原因,其试验方法符合工程岩体的实际受荷。     

卸荷状态下黏性土的变形和强度试验研究

南京河西地区原状黏性土应力路径试验表明,不排水情况下,侧向卸荷试验得到的割线模量E5′0要大于轴向加荷试验得到的割线模量E5 0,且大致有E5′0=1.7 E5 0关系;轴向加荷和侧向卸荷条件下得到的有效抗剪强度指标基本一致。上述结论在工程实例数值模拟分析中的应用明显改善了地面沉降预测结果与实测结果的吻合程度。     

反复压力作用下橡胶的承载力—变形特性的试验研究

对3种不同刚度的橡胶试件进行了反复抗压加载试验,考察了在竖向反复压力作用下橡胶的承载力—变形特性.试验结果表明,当竖向荷载较小时,橡胶试件的荷载—变形呈线性变化;随着竖向荷载不断增大,荷载—变形出现非线性特性.当经历多次反复加载—卸载试验后,橡胶的荷载—变形曲线趋于稳定.当荷载卸至零时,橡胶的竖向压缩变形及横向膨胀变形不能完全恢复至零,存在一定的残余变形;而且,刚度越大,残余变形越大.多次反复压缩加载的压力较大时,橡胶试件的非线性刚度比初次加载时略有增大,但是,对整体力学性能影响较小,即橡胶具有较好的反复压缩力学性能.     

Research on the influence of contact surface constraint on mechanical properties of rock-concrete composite specimens under compressive loads

The contact form of rock-concrete has a crucial influence on the failure characteristics of the stability of rock-concrete engineering. To study the influence of contact surface on the mechanical properties of rock-concrete composite specimens under compressive loads, the two different contact forms of rock-concrete composite specimens are designed, the mechanical properties of these two different specimens are analyzed under triaxial compressive condition, and analysis comparison on the stress-strain curves and failure forms of the two specimens is carried out. The influence of contact surface constraint on the mechanical properties of rock-concrete composite specimens is obtained. Results show that the stress and strain of rock-concrete composite specimens with contact surface constraint are obviously higher than those without. Averagely, compared with composite specimens without the contact surface, the existence of contact surface constraint can increase the axial peak stress of composite specimens by 24% and the axial peak strain by 16%. According to the characteristics of the fracture surface, the theory of microcrack development is used to explain the contact surface constraint of rock-concrete composite specimens, which explains the difference of mechanical properties between the two rock-concrete composite specimens in the experiment. Research results cannot only enrich the research content of the mechanics of rock contact, but also can serve as a valuable reference for the understanding of the corresponding mechanics mechanism of other similar composite specimens.     

碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度

利用外加电流加速锈蚀法获得锈蚀钢筋混凝土梁,对其粘贴碳纤维布加固后进行受弯试验,并对加固试验梁建立有限元模型,研究其在静力荷载作用下的抗弯刚度和变形能力。结果表明,随钢筋锈蚀率增大,碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度发生退化,极限变形能力逐渐削弱。粘贴纵向碳纤维布在一定程度上能够提高锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度,设置横向U形箍则能有效提高加固体系的整体工作性能。在试验及分析结果基础上,按照传统钢筋混凝土梁截面抗弯刚度解析分析方法的思路,引入钢筋应变综合系数来考虑锈蚀钢筋与混凝土间粘结性能退化对梁抗弯刚度的影响,并根据试验梁和钢筋不同锈蚀程度有限元模型梁的计算刚度进行反推计算,建立了钢筋应变综合系数的计算公式,进而提出了碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的计算方法。与试验结果及有限元模拟分析结果的比较表明,所提计算方法具有较高的精度。     

全装配式桁架梁组合楼盖平面内刚性性能试验研究

为研究密柱框筒结构中全装配式桁架梁组合楼盖的平面内刚性性能,设计并制作了4个单筒结构的1/3缩尺结构模型（单层、两层框筒模型各两个）,通过楼盖平面内单向加载试验,研究了该类装配式楼盖在平行于及垂直于拼装板缝方向受力时楼盖平面内受力变形性能、裂缝开展形态、水平荷载的分配与传递性能、楼盖的平面内刚度及整体变形性能。研究结果表明：在相应于7度罕遇地震的楼层水平力作用下,该组合楼盖在平行于及垂直于拼装板缝方向受力时均处于弹性工作状态;楼盖在平行于拼装板缝方向受力时,受力变形性能与深梁类似,而在垂直于拼装板缝方向受力时,楼盖平面内呈各装配板单元的各自受弯状态,楼盖体系在平行于拼装板缝方向受力时整体性较好,而在垂直于拼装板缝方向受力时整体性一般。     

闭口压型钢板-轻骨料屋面板抗弯试验研究

结合闭口压型钢板-轻质混凝土组合板的应用现状,阐述了该新型屋面结构的优点,通过试验对其抗弯刚度性能进行了研究,并总结了抗弯刚度的理论计算公式,得出计算结果与实测值吻合较好的结论.     

钢-竹组合工字形柱轴压性能试验研究

为研究钢-竹组合工字形轴心受压构件性能,设计制作了18根工字形柱试件,以含钢率与长细比为基本参数,对其进行了轴压试验,观测了试件的破坏形态和变形特征,分析了各参数对试件轴压性能的影响规律,得到了组合柱在轴压荷载作用下的荷载-位移关系,基于钢材与竹材本构关系使用纤维模型法推演了荷载-位移全过程曲线.通过分析组合柱的屈服条...     

带暗梁柱的开洞混凝土复合墙板受弯和偏压性能足尺试验研究

针对带窗洞复合墙板受弯与受压承载力不足的问题,提出了一种带框复合墙板,即通过在复合墙板内设置暗梁、暗柱来提高其承载力。对5块足尺的带窗洞复合墙板进行四点弯曲试验和偏心受压试验,考察其破坏模态和承载能力。试验结果表明,复合墙板的抗弯刚度较高,受弯荷载满足由美国ASCE/SEI 7-05规范计算得到的关岛风荷载设计值要求;在四点弯曲荷载和偏心受压荷载作用下,复合墙板能实现完全组合作用,两侧混凝土面层变形协调,符合“平截面假定”;复合墙板在四点弯曲荷载下发生延性破坏。分别按美国ACI 318M-05《混凝土结构设计规范和注释》和中国GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》对复合墙板的受弯承载力进行了计算,计算值与试验值误差最大不超过16%,并且利用两种规范公式计算得到的承载力均较为保守。     

黏滞阻尼器有效刚度对结构的影响及其取值方法研究

目前,在进行消能减震结构分析时,通常忽略黏滞阻尼器的刚度,影响了结构受力与响应的准确性。为此,阐述黏滞阻尼器刚度特性及其对结构的影响,给出一种适用于时程分析的有效刚度迭代取值方法。对设置黏滞阻尼器消能减震模型、附加有效阻尼比等效模型和附加有效阻尼比与有效刚度等效模型的三组模型进行分析,研究黏滞阻尼器有效刚度对结构受力与响应的影响。结果表明:采用附加有效阻尼比与有效刚度等效模型分析得到的结构楼层剪力与层间位移角的变化趋势基本和采用消能减震模型分析的结果一致;采用附加有效阻尼比等效模型与采用消能减震模型分析的结果则相差较大;时程分析中采用提出的有效刚度迭代取值方法是可行的,建议黏滞阻尼器消能减震结构设计时考虑黏滞阻尼器有效刚度的影响。     

钢管高强混凝土组合柱轴心抗压数值分析

为研究钢管高强混凝土组合柱的轴心抗压性能,利用高强混凝土和钢管混凝土本构关系,对组合柱轴心抗压受力全过程进行了数值计算,计算轴力-纵向应变曲线与试验结果吻合良好;并与钢筋混凝土柱进行了对比,定量分析了套箍指标、混凝土强度和配箍特征值对轴压承载力和纵向应变延性的影响.     

空间H形梁柱节点的节点域滞回性能试验研究

为研究空间效应对节点域滞回性能及稳定性的影响,设计了4个不同构造的空间H形梁柱节点试件,于柱端施加恒定轴向荷载,于柱弱轴平面梁端施加恒定反对称荷载,于柱强轴平面梁端施加反对称往复荷载。试验及分析结果表明：基于平面梁柱节点试验提出的考虑竖向连接板对提高节点域稳定性的推荐公式仍适用;柱弱轴平面不平衡弯矩通过竖向连接板及横向加劲肋传递至柱翼缘,当该荷载不致引起节点域周边构件过早屈服时,若传力路径连续,节点域不直接抵抗该荷载作用;在本试验的柱弱轴平面荷载应力水平下,构造设计合理的空间试件节点域的承载力、变形能力、稳定性、耗能能力均不低于相应的平面试件。