在役PC斜拉桥主梁湿接缝的破坏机制分析

预应力混凝土斜拉桥中,主梁的湿接缝往往是结构受力的薄弱部位。为揭示湿接缝的破坏机制,建立了天津永和大桥的施工阶段分析模型,计算了主跨合龙段与相邻预制节段之间的湿接缝的混凝土应力状态,分析了活载超载、拉索松弛及混凝土收缩徐变等多种因素对湿接缝混凝土应力的影响,同时也阐明了主跨合龙段的预应力钢筋、湿接缝的位置、湿接缝的施工质量等构造方面的固有缺陷。研究表明:长期超载运营是造成湿接缝破坏的最主要的因素,而运营期间拉索的松弛和混凝土的收缩徐变等因素是造成湿接缝破坏的不可忽略的原因。另外,湿接缝在桥跨中所处的位置、合龙段预应力钢筋的布置方式、新老混凝土结合面的处理方式及其普通钢筋配筋率等均是造成湿接缝破坏的内部因素。结合研究结果,从设计、施工、养护等层面上提出了相应的建议。     

干接缝节段拼装桥墩拟静力试验研究

摘要：为了比较节段拼装桥墩与整体现浇桥墩之间抗震性能的差异,以是否存在预应力钢筋、不同施工方法、预应力筋的位置和粘结状态、是否存在耗能钢筋等为试验参数,设计了一个包含五种不同构造类型混凝土桥墩的试验方案。采用拟静力试验方法比较分析了这五种不同构造类型混凝土桥墩的破坏形态、易损部位、荷载位移滞回曲线、节段拼装桥墩接缝的开展、拟静力残余位移、曲率分布、耗能能力、粘滞阻尼比等,得到了三种节段拼装桥墩、整体现浇钢筋混凝土桥墩和预应力混凝土桥墩之间拟静力行为的异同。试验结果表明：节段拼装桥墩在循环荷载作用下发生接缝的交替开闭,曲率变化集中在接缝附近,没有发生整体现浇混凝土桥墩通常出现的塑性铰现象。耗能钢筋的存在可以延缓接缝的张开,增加构件的极限弯矩和耗能能力,从而有利于增加抗震能力;采用无粘结预应力钢筋和有粘结预应力钢筋连接的节段拼装桥墩的拟静力残余位移比较小,而采用耗能钢筋的节段拼装桥墩的拟静力残余位移较大,基本上与整体现浇桥墩的拟静力残余位移相近。     

干接缝节段拼装桥墩抗震分析的纤维模型模拟方法

针对节段拼装桥墩的构造特点,对节段拼装桥墩涉及到的接缝,有粘结预应力钢筋,无粘结预应力钢筋,耗能钢筋等特殊问题进行了仔细的分析比较,在此基础上给出了适宜的模拟方法,然后分别对拟静力试件和振动台试件进行了非线性有限元分析,比较了纤维模型分析结果与试验结果的异同。与试验结果的比较表明:纤维模型分析方法是分析节段拼装桥墩抗震性能的有效近似分析方法。     

型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术研究

采用ANSYS程序对6个型钢混凝土梁试件的受力性能进行非线性有限元数值分析,对型钢混凝土结构数值模拟中混凝土和钢材材料模型定义、有限元建模、钢筋单元生成及后处理等关键技术进行系统研究。着重对型钢混凝土粘结滑移性能的数值模拟技术进行了研究。采用由ANSYS程序单元库中非线性弹簧单元combination-39组成的三维连接单元模拟型钢混凝土在不同部位及不同方向上的界面相互作用,建议了非线性弹簧单元粘结力-滑移曲线与型钢混凝土粘结滑移本构关系的转换技术,并提出了生成非线性弹簧单元的实用方法。最终形成考虑粘结滑移的型钢混凝土数值模拟技术。型钢混凝土梁数值模拟结果与试验结果吻合较好,表明所建立型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术合理、可行,可适用于基于ANSYS程序的型钢混凝土结构有限元数值模拟和受力性能深入研究。     

钢纤维掺量和轴压比对预应力扁梁框架力学性能的影响

利用ABAQUS非线性有限元分析研究钢钎维掺量和轴压比对无粘结预应力混凝土扁梁框架受力性能的影响。有限元模型中混凝土采用塑性损伤模型,考虑了钢纤维对混凝土本构关系的影响,同时采用弹簧单元模拟钢筋与混凝土间的粘结滑移作用。算例表明,采用本文的方法进行钢纤维预应力扁梁框架力学性能研究是可行的。在此基础上,分析不同钢纤维掺量和柱轴压比对无粘结预应力扁梁框架力学性能的影响。研究表明,较大的轴压比可以提高结构极限承载力,但降低结构延性和耗能,对于无粘结预应力扁梁框架,建议在抗震地区其轴压比限制不宜大于0.6。钢纤维可以有效提高预应力扁梁框架的极限承载力、延性和耗能,从而提高其抗震性能,其影响与轴压比的大小有关。     

基于混合单元法的预应力混凝土梁非线性分析

利用共旋坐标法提出了一种预应力钢筋混凝土梁非线性分析的混合单元模型,在随转坐标系内,采用分层梁单元来模拟混凝土结构,带初应变的杆单元来模拟预应力钢筋,预应力钢筋杆元和混凝土梁元的变形协调则通过非线性刚臂来实现,通过刚臂单元两端节点位移和力的关系形成预应力钢筋对混合单元刚度矩阵的贡献,从而导出随转坐标系下预应力混凝土梁考虑材料非线性的切线刚度矩阵,几何非线性则由单元随转坐标系到结构坐标系的转换矩阵及其微分来体现,从而获得结构坐标系下混合单元模型的几何与材料双非线性切线刚度矩阵。数个钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土梁非线性分析算例表明:所提出的混合单元模型能较好地分析预应力钢筋混凝土梁非线性性能,具有一定的实用价值。     

氯盐环境下锈蚀预应力混凝土梁抗弯性能试验

为探讨氯盐环境下锈蚀预应力混凝土梁的抗弯性能,制作了5根先张预应力混凝土梁,采用电化学法分别对其进行了0 d、7 d、14 d、28 d及42 d的快速腐蚀,随后进行了四点弯曲试验。研究了不同锈蚀程度对预应力混凝土梁自振频率、钢绞线滑移、结构变形、弯曲开裂、破坏模式及极限承载力等性能的影响。结果表明:氯盐环境下锈蚀对预应力混凝土梁高阶频率影响较小,导致一阶频率逐渐增大,28 d后锈蚀裂缝较大且局部混凝土脱落,一阶频率迅速减小;轻微腐蚀对预应力混凝土梁的抗弯性能影响较小,腐蚀程度增大,抗弯性能明显降低,腐蚀42 d后,极限挠度减小了18.7%,抗弯承载力减小了17.3%,延性降低了19%;锈蚀钢绞线与混凝土间滑移速率增大,极限滑移值由5 μm增加至11.4 μm;钢筋锈蚀对弯曲裂缝高度发展的影响不大,但促进了裂缝宽度的扩展,结构屈服后,底部裂缝开裂速率由0.0062 mm/kN增加至0.0252 mm/kN。在试验研究基础上,采用有限元软件ANSYS对各锈蚀梁的受载全过程进行了有限元模拟计算,极限荷载和钢绞线滑移量的模拟值与实测值误差分别小于5%和10%,吻合较好。      

碳纤维增强复合材料筋混凝土梁非线性力学性能

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)筋混凝土梁的非线性力学性能,基于非线性理论推导了CFRP筋梁的有限元分析模型：对4个预应力CFRP筋混凝土梁进行了非线性全过程分析,考察了预应力CFRP筋、GFRP筋和普通钢筋的应力发展规律。与试验资料对比可知,计算结果与试验数据吻合良好,说明采用弥散裂缝模式、Owen屈服准则和Hinton压碎准则能较好地描述混凝土开裂、屈服和压碎特性,同时也说明了CFRP筋及其力学效应用组合单元模拟的有效性以及本文中研制程序的正确性。CFRP筋具有高强度性能,梁试件破坏时CFRP筋均未失效;与受拉区配筋为钢筋相比,GFRP筋在全过程中处于弹性阶段。     

预应力高性能混杂纤维增强布加固HPC梁的DNLC单元研究

对于不同混杂配比的预应力高性能混杂纤维增强(HFRP)布,建立高性能HFRP布加固高性能混凝土(HPC)梁的双重非线性分层组合(DNLC)单元模型。根据实体退化单元理论,采用初应力等参层单元对高性能HFRP布的体外预应力效应进行模拟,同时正确地考虑HPC梁的材料非线性效应以及结构的几何非线性,验证DNLC单元分析模型的正确性,并对HPC梁的开裂荷载、普通钢筋应力、高性能HFRP布应力重分布等进行研究。结合试验资料分析表明,预应力碳/玻璃纤维混杂(CFRP/GFRP)布加固HPC梁的理论结果与试验数据吻合程度良好,采用等参层单元有效地模拟高性能HFRP布的预应力作用,及所推导的DNLC单元正确性。预应力GFRP纤维布加固的开裂荷载等均较低,预应力CFRP纤维布加固的开裂荷载等有所提高,但剩余强度过大。HPC梁开裂荷载前预应力高性能HFRP布应力发展缓慢,屈服荷载后,其发展迅速直至结构失效。     

钢筋混凝土梁受弯破坏及尺寸效应的细观模拟分析

钢筋混凝土构件破坏的尺寸效应取决于混凝土材料的非均质性以及钢筋/混凝土相互作用。该文借助混凝土细观结构特征,基于非线性弹簧单元来描述钢筋与混凝土之间的相互作用,建立了钢筋混凝土梁破坏行为模拟的三维细观数值模型。在模拟结果与试验结果吻合良好的基础上,拓展模拟了更大尺寸梁的弯曲大变形破坏行为,并分析了单调及循环加载模式对不同尺寸悬臂梁受弯破坏及名义抗弯强度影响规律。模拟结果分析表明:1)该文工况下钢筋混凝土悬臂梁的弯曲破坏存在尺寸效应,弯曲强度随梁深增大而减小; 2)循环加载下,混凝土、钢筋以及两者间的粘结性能由于低周疲劳而使得梁的弯曲破坏呈现出脆性特征; 3)相比于单调加载,循环加载条件下,悬臂梁的破坏具有更强的脆性,名义抗弯强度尺寸效应更明显。     

底部开水平缝预应力自复位剪力墙有限元模拟

底部开水平缝预应力自复位剪力墙在墙体与基础连接处的两端设置水平缝,剪力墙和基础界面中间部位保持正常连接,在墙体内竖向设置无粘结预应力钢绞线提供自复位能力。通过有限元分析软件ABAQUS对低周反复加载试验中的底部开缝剪力墙进行数值模拟,介绍了建模方法及过程,将数值模拟的单调加载和往复加载结果与试验结果进行对比分析,包括骨架曲线、滞回曲线、耗能能力、预应力筋中应力变化、剪力墙底部抬升量、剪力墙混凝土应变和钢筋应力等参数。结果表明,采用的模拟方法能够在各项对比中较好吻合试验结果,证明了数值模拟的合理性和有效性,为工程应用中此类构件的精细化模拟分析提供了参考。     

粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的分离式有限元模型

提出了外粘钢板加固受弯钢筋混凝土梁的非线性有限元模型。该模型中采用了一种特殊的、具有剥离破坏功能的界面单元来模拟混凝土梁和外粘钢板之间的粘结层,这种剥离破坏主要发生在粘贴钢板端部区域和弯曲、剪切裂缝附近。影响这种剥离破坏的主要因素有两个:一是粘贴钢板的端部与加固梁支座距离;二是粘贴钢板的厚度。传统的梁理论不能描述这种加固梁破坏模式,采用有限元方法能全方位地描述这种加固梁的各种性状和破坏模式。数值计算结果与粘贴不同厚度钢板加固梁的试验结果相吻合。     

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。     

钢-混凝土双面组合作用梁基本力学性能试验研究与数值模拟

为了研究钢-混凝土双面组合作用梁基本力学性能,设计了2个两跨连续组合梁试件,对其进行静力加载试验,并与有限元模拟结果进行对比。研究结果表明:双面组合作用梁下部混凝土板可分担钢梁压力,其组合作用有利于钢梁下翼缘的稳定性,但对于腹板的稳定性不起作用。组合梁在按照完全抗剪连接进行设计时,可不考虑界面滑移的影响;与普通组合作用梁相比,双面组合作用梁抗弯刚度更大,其负弯矩区长度可延长约28.3%。相同荷载作用下,双面组合作用梁负弯矩值较低,可延缓上部混凝土板的开裂,有效控制混凝土板裂缝宽度和裂缝区范围。下部混凝土板长度按照完全抗剪连接设计的最小长度取值即可,不必过长。ABAQUS有限元模型分析结果与试验结果吻合良好,可较好地模拟组合梁受力性能。提高双面组合作用连续梁下部混凝土板的强度,可有效提高组合梁的承载力和刚度,受力更合理。     

部分预应力混凝土梁的应力和变形

本文运用有限元步进法，结合按龄期调整的有效模量法，对部分预应力混凝土梁在不同荷载阶段截面的应力和变形进行了分析探讨。分析时不仅考虑了混凝土的收缩、徐变以及预应力钢筋的松弛等因素的时效影响，而且当混凝土中所受的拉应力超过其抗拉强度时还考虑了混凝土开裂的影响。根据分析方法编制了部分预应力混凝土梁的计算分析程序，并运用该程序对某座部分预应力混凝土梁的截面应力和变形进行了详细分析。     

Numerical simulation of reinforced concrete structures under impact loading

This study presents the performance of a combined finite‐discrete element method for prediction of the structural response of reinforced concrete beams under impact loading. A combination of finite and discrete element methods enables the modelling of the concrete and the reinforcement before the concrete cracking, as well as a discontinuous nature of the concrete caused by fracture and fragmentation under high impact loading. Discretization of the concrete with triangular finite elements is coupled with one‐dimensional reinforcing bars embedded inside the concrete finite elements. The cracking in the concrete activates the joint elements used to simulate the non‐linear behavior of both concrete and reinforcement. Numerical analysis based on experimental test data has been carried out to simulate the main features of the reinforced concrete beams impacted by free‐falling drop‐weights. A high level of accuracy was demonstrated in various comparisons between the experimental tests and the analysis results, including peak displacement, crack pattern, damage level and failure modes of reinforced concrete beams.     

一种改进型方钢管柱与钢梁连接节点抗震性能研究

该文主要讨论了一种改进型方钢管柱与钢梁连接节点的抗震性能。通过对3个试件进行低周反复荷载试验,研究了是否采用T型件和梁截面高度比两个设计参数对节点域剪切承载力和变形能力的影响。在试验基础上,采用MSC.Marc 2012有限元软件进行了数值模拟分析,有限元模型能够较好地模拟试验试件的各项性能。试验和有限元分析结果表明:改进型高低梁柱异型节点试件应力集中主要发生在T型连接件与梁2的焊接处;虽然两种节点各部分的变形分担率十分接近,但改进型高低梁柱异型节点的剪切承载力和耗能能力分别提高了20%和200%。文末提出了T型连接装置的计算模型和设计方法,为今后实际工程应用提供了参考依据。     

大直径钢管混凝土柱-H型钢梁间竖向荷载传力机制研究

为研究大直径钢管混凝土柱与H型钢梁之间竖向荷载的传力机制,该文基于Winkler地基Timoshenko梁理论建立了可表征节点构造的地基梁模型,给定边界条件,获得了钢梁竖向荷载传递至节点后的荷载分布解析解。与有限元分析结果对比验证合理后,采用该地基梁模型探究了不同节点构造形式对竖向荷载传递的影响,结果表明:相比于仅布置内加强环式构造,内加强环与锚板式组合构造可更加有效地将钢梁竖向荷载传递至内部混凝土,使内部混凝土承担更多钢梁竖向荷载,提高了钢管与混凝土的共同工作性能。由参数分析可知,增大竖向劲板厚度和混凝土强度是提高内部混凝土承担竖向荷载的有效方法;并以此通过多元回归分析,给出了钢管管壁和内部混凝土承担钢梁竖向荷载比例的函数关系表达式。该文研究成果可为大直径钢管混凝土柱-H型钢梁节点设计提供参考。     

复合材料空间薄壁梁的有限元分析模型

在剪切梁理论的基础上, 采用9 节点平面单元模拟梁任意截面形状; 采用27 节点体单元, 模拟截面出平面外的二次翘曲位移, 从而建立了空间复合材料任意截面薄壁梁考虑二次翘曲的有限元分析模型。根据本文中导出的复合材料有限元模型编制了相应的分析计算程序。算例表明: 本文中建立的复合材料薄壁梁模型正确, 可以用于考虑多种耦合影响因素作用下复杂结构空间薄壁复合材料梁的有限元分析计算。      

FRP加固混凝土梁受弯剥离破坏的有限元分析

FRP加固钢筋混凝土梁受弯剥离破坏是一种非常常见的破坏形式。首先基于微观尺度有限元分析,对受弯剥离破坏的机理进行了研究,提出了一个受弯剥离的双重剥离破坏准则,以及相应的界面粘结滑移关系,使得受弯剥离可以由基于普通弥散裂缝模型的混凝土单元来加以模拟,并开发出了相应的FRP-混凝土界面单元模型。将该界面单元嵌入通用有限元程序MSC.MARC,对45根受弯剥离破坏的试验梁进行了有限元分析。分析结果表明,提出的计算模型与试验结果吻合良好,可以真实模拟受弯剥离破坏过程。