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。     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

钢筋混凝土长柱快速轴心受压试验与模拟研究

为了研究钢筋混凝土长柱在快速轴心受压加载下应变率和惯性效应对其性能的影响,开展了钢筋混凝土长柱快速轴心受压加载试验和动力有限元模拟研究。设计了两组共6根构件,长细比分别为12和22,快速加载试验中实测混凝土材料应变率达到10-3/s数量级。试验结果表明,与准静载相比,快速轴心受压下构件承载力及对应的轴向变形均有不同程度的提高,并且动力增大系数随长细比增大而增大。将CEB-FIB模式规范的混凝土材料动态应力-应变关系引入混凝土塑性损伤模型,在ABAQUS中建立了钢筋混凝土长柱快速轴心受压下力学性能分析的显式动力有限元模型,数值模拟结果与试验结果吻合良好。最后,运用所建立的有限元模型分析快速加载下构件承载力动力效应的形成机制。分析结果表明,构件长细比较小时其惯性效应可以忽略,动力增大系数可以主要由应变率效应来描述,随长细比增大,惯性效应对动力增大系数的贡献越来越明显,而应变率效应仍不可忽略。     

箍筋约束混凝土圆柱轴压强度尺寸效应律

钢筋混凝土构件的破坏模式与机制区别并远复杂于混凝土材料,采用混凝土材料层面的尺寸效应理论与公式来描述钢筋混凝土构件破坏的尺寸效应行为是值得商榷的。另外,混凝土材料尺寸效应理论公式难以反映钢筋混凝土结构构件中其他重要参数对尺寸效应的影响。以箍筋约束混凝土圆柱为研究对象来看:结合相关物理试验及数值模拟结果,凝练归纳出了影响其轴压破坏尺寸效应的主导参数——箍筋率;根据箍筋约束作用对柱轴压强度的影响机制与规律,在经典的Bažant材料层次尺寸效应律的基础上,建立了箍筋约束混凝土柱轴压强度的尺寸效应半理论-半经验公式。相关试验及模拟结果验证了该构件层次尺寸效应公式的准确性和合理性。     

CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能尺寸效应的细观分析

为研究CFRP加固钢筋混凝土方柱在地震作用下的破坏模式,该文考虑混凝土材料的非均质性、钢筋-混凝土间的粘结滑移作用,建立了CFRP加固钢筋混凝土方柱三维细观数值模型。在验证数值模型与试验结果吻合良好的基础上,扩展工况探讨了轴压比、CFRP体积配置率对CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能及名义抗剪强度尺寸效应的影响。结果表明:一定轴压比范围内柱的承载力随轴压比增大而提高,但其延性会降低;该文工况中,CFRP加固钢筋混凝土柱的名义抗剪强度随试件尺寸增大呈降低趋势,存在着明显尺寸效应行为;在经典材料层次尺寸效应律基础上,提出了CFRP加固混凝土方柱名义抗剪强度尺寸效应理论公式(适用范围轴压比小于0.4),模拟结果证实了公式的合理性。     

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。     

不同加载条件下钢筋混凝土构件力学特性及影响规律研究

基于OpenSees中的BeamwithHingesElement单元,采用直接在截面层次上定义线弹性剪切恢复力模型,引入零长度单元利用粘结滑移材料模拟构件末端粘结滑移,考虑P-D效应引起的几何非线性,钢筋材料采用能精确模拟钢筋低周疲劳损伤与开裂现象的Mohle-Kunnath本构模型,分析构件在不同加载历史条件下的力学特性。研究构件在单调加载、非对称循环加载、对称循环加载条件下构件的力学特性,并进一步分析构件在不同循环周数条件下对称、非对称加载时构件的力学特性及钢筋材料应变随位移加载历史的变化特点,分析结果表明,钢筋混凝土框架柱在循环加载条件下的构件刚度退化、强度退化现象明显,构件的损伤程度随着剪跨比的降低和轴压比的增大逐渐加剧,构件随着循环周数的增加损伤程度更明显,钢筋材料应变随着循环周数的增加变化明显,随着轴压比增加和剪跨比的降低,构件刚度退化与强度退化随循环周数的增加更显著,钢筋应变同样有一定程度增加。     

考虑箍筋约束效应的快速轴压加载下钢筋混凝土短柱性能数值分析

为了研究在地震作用下应变率效应对约束钢筋混凝土轴压短柱力学性能的影响,该文建议了同时考虑应变率效应和箍筋约束效应的混凝土塑性模型等效单轴受压本构曲线,建立了分析约束钢筋混凝土轴压短柱在快速加载下动力行为的有限元模型。通过模拟结果与文献中试验研究结果的比较,表明该模型可有效描述约束钢筋混凝土短柱在地震作用下考虑混凝土材料应变率敏感性时的力学性能,建议的等效单轴受压本构曲线是合理的。利用该有限元模型,分析了配置箍筋构形、箍筋间距和纵筋配筋率这三个可影响约束效应的参数对约束钢筋混凝土短柱在考虑率效应时的力学性能的影响。结果表明随应变率的提高,轴压短柱的承载力明显提高,但延性降低,力-轴向变形曲线下降段变陡。箍筋构形、间距以及纵筋配筋率对约束钢筋混凝土轴压短柱的动力力学性能具有重要的影响。     

RC柱双向单调加载试验研究

完成了截面尺寸、配筋、混凝土强度基本相同的8个正方形钢筋混凝土（RC）柱的单向和双向水平单调加载试验。结果表明,单调加载的RC柱的破坏现象比较轻;受力次方向的水平力降低了受力主方向的极限承载力,轴压比大,降低幅度也大;正方形对称配筋的RC柱,截面的极限承载力、破坏时的极限变形能力,与两个方向施加的位移比例无关。用负刚度模型、承载力离散化空间相关性和复合结构法进行了理论分析,所得水平－位移关系曲线与试验结果吻合较好。     

基于纤维模型的钢筋混凝土柱应变率效应研究

该文基于钢筋混凝土柱构件的快速加载试验数据,分别采用CEB规范和Kulkarni和Shah建议的考虑应变率效应的混凝土动力本构关系,运用纤维模型建立了其动力纤维单元模型,并对单调快速加载下的构件的恢复力特性进行了数值模拟。与试验结果的比较表明所采用的两种动力本构模型均能够反映钢筋混凝土柱承载力随加载速率的提高而提高的特...     

Adequately FRP confined reinforced concrete columns under axial compressive monotonic or cyclic loading

The study presents the experimental behavior of reinforced concrete square section specimens, externally confined by carbon or glass Fiber Reinforced Polymer (FRP) sheets. The columns are subjected to axial compressive monotonic or repeated load-unload cycles gradually increasing up to failure. The research focuses on columns with longitudinal bars which are critical to premature buckling while examining their effect on lower limit cases of strengthening through FRP confinement. Experiments include also plain concrete FRP confined columns and columns with bars adequately supported by transverse steel reinforcement for comparison. External FRP strengthening covers a wide range of volumetric mechanical FRP confinement ratios allowing comparative investigations. A significant variation in the behavior of FRP confined concrete comes up when bars are unstable, for a light external strengthening scheme as well as for monotonic or cyclic loading. The lower limits proposed by existing recommendations for adequate FRP confinement strengthening of columns are examined.     

碳纤维增强树脂复合材料加固钢筋混凝土柱抗震性能的尺寸效应试验

研究了低周循环荷载下碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)柱的抗震性能的尺寸效应,并以边长为150~450 mm、剪跨比均为3的三组几何相似的钢筋混凝土柱为试验研究对象,考虑了CFRP层数、构件尺寸和轴压比等变量的影响。研究结果表明:在相同的截面尺寸和轴压比下,CFRP加固RC柱的水平承载能力、耗能能力、延性和水平位移相对于未加固柱均得到了不同程度的改善,并且存在尺寸效应;CFRP加固RC柱的无量纲水平承载力会随着构件尺寸的增加而减小,尺寸效应明显;随着CFRP加固RC柱的尺寸增加,构件的安全储备系数明显减小。      

多维动力加载条件下钢筋混凝土柱力学性能的研究

本文通过钢筋混凝土柱在多维动力加载下的试验,研究了钢筋混凝土柱在不同加载速率下的动态力学性能。试验结果表明：加载速率的提高会有效的提高构件的承载能力;随加载速率的提高,构件的刚度退化、强度退化和损伤进程均有不同程度的增强;双向加载及变轴力加载受加载速率的影响更为显著;构件发生破坏的区域更加局部化;构件的延性和变形能力有所降低,在双向加载并伴随有轴力变化的加载条件下表现尤为明显。     

预应力钢绞线网加固钢筋混凝土柱恢复力模型研究

基于16根采用新型预应力钢绞线网张拉锚固技术加固的钢筋混凝土柱和2根对比柱在反复荷载作用下的试验结果, 进行了恢复力模型研究。结合之前相关试验研究, 确定出材料的本构关系, 建立了预应力高强钢绞线网约束加固钢筋混凝土的应力-应变关系方程;考虑构件轴力的二次矩效应, 提出了在反复荷载下预应力加固钢筋混凝土柱骨架曲线的计算方法, 建立了相应理论模型;结合Clough滞回规则, 建立了相应的恢复力模型。研究表明:对试验的材料本构关系适当简化, 通过合理的假定, 由基本的内外力平衡方程和简单的滞回规则, 可得到构件从加载到破坏全过程与试验吻合良好的骨架曲线和滞回曲线, 由此建立的恢复力模型简单、适用, 可为预应力高强钢绞线网加固钢筋混凝土柱设计和施工提供参考。     

箍筋约束混凝土圆柱轴压破坏尺寸效应行为

开展了12组不同尺寸几何相似的箍筋约束混凝土圆柱轴心受压破坏试验,试验的工况参数为:配箍率为1.26%和2.89%;圆柱尺寸（直径）相似比为1∶1.5∶2.25,圆柱最大直径为576 mm;圆柱长细比为3。根据试验结果探讨了箍筋约束作用混凝土圆柱破坏模式及轴压强度尺寸效应的影响规律。基于Bažant尺寸效应律思想,提出了能反映尺寸影响的箍筋约束混凝土圆柱轴压承载力计算理论,与试验结果的良好吻合证明了修正承载力计算理论的合理性。最后,建立了钢筋混凝土柱破坏行为及尺寸效应模拟的3D细观尺度数值分析方法,在模拟结果与试验结果吻合良好的基础上,扩展模拟了更大尺寸圆柱的破坏行为。     

Fractographic and numerical study of hydrogen–plasticity interactions near a crack tip

This paper offers a fractographic and numerical study of hydrogen–plasticity interactions in the vicinity of a crack tip in a high-strength pearlitic steel subjected to previous cyclic (fatigue) precracking and posterior hydrogen-assisted cracking (HAC) under rising (monotonic) loading conditions. Experiments demonstrate that heavier cyclic preloading improves the HAC behaviour of the steel. Fractographic analysis shows that the microdamage produced by hydrogen is detectable through a specific microscopic topography: tearing topography surface or TTS. A high resolution numerical modelling is performed to reveal the elastoplastic stress–strain field in the vicinity of the crack tip subjected to cyclic preloading and subsequent monotonic loading up to the fracture instant in the HAC tests, and the calculated plastic zone extent is compared with the hydrogen-assisted microdamage region (TTS). Results demonstrate that the TTS depth has no relation with the active plastic zone dimension, i.e., with the size of the only region in which there is dislocation movement, so hydrogen transport cannot be attributed to dislocation dragging, but rather to random-walk lattice diffusion. It is, however, stress-assisted diffusion in which the hydrostatic stress field plays a relevant role. The beneficial effect of crack-tip plastic straining on HAC behaviour might be produced by the delay of hydrogen entry caused by residual compressive stresses and by the enhanced trapping of hydrogen as a consequence of the increase of dislocation density after cyclic plastic straining.