锈蚀钢筋混凝土梁动态抗弯性能细观数值研究EI北大核心CSCD

为研究锈蚀对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁动态力学性能的影响,考虑钢筋锈蚀和应变率效应及混凝土内部结构的非均质性,建立锈蚀钢筋混凝土梁两阶段三维细观尺度数值模型。钢筋的非均匀锈蚀膨胀以施加非均匀径向位移的方式模拟,并以保护层开裂“最终状态”作为之后混凝土梁动载模拟的“初始输入条件”,获得锈蚀后的动态力学行为。在验证了数值模型合理性的基础上,分析了钢筋锈蚀引起的保护层锈胀开裂行为及不同应变率下构件力学性能的变化。结果表明:钢筋锈蚀使混凝土梁产生了明显的纵向裂缝,梁的承载力随钢筋锈蚀率增加而降低;高应变率下,混凝土梁发生冲切破坏,梁的承载力显著提高;锈蚀混凝土梁承载力损失与锈蚀后梁频率降低系数(反映刚度损失)近似呈线性规律,且低应变率下的承载力对频率变化更加敏感。最后,基于模拟结果回归分析,发展建立了考虑锈蚀及应变率耦合影响的混凝土梁动态抗弯承载力预测公式。     

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。     

基于粘结单元的三维随机细观混凝土离散断裂模拟

开发MATLAB 和ABAQUS Python脚本程序,建立含随机三维多面体骨料的混凝土细观有限元模型。通过自编高效C++程序插设三维零厚度的粘结界面单元,以模拟复杂三维离散多裂缝的起裂与扩展。对典型混凝土试件单轴拉伸断裂的模拟,分析粘性界面单元的主要材料参数(抗拉强度与断裂能)对应力-位移曲线、断裂过程、裂缝面特征的影响。结果表明:宏观应力-位移曲线主要受砂浆、界面粘性裂缝单元的抗拉强度、断裂能绝对数值的影响;裂缝面的位置与形态决定于砂浆、界面粘结裂缝单元的抗拉强度相对比值以及断裂能相对比值;混凝土的力学响应反映其裂缝发展特征,二者既决定于断裂材料参数,也受到骨料大小、形状等细观结构因素的影响;建立的有限元模型能有效描述混凝土复杂三维断裂过程。     

高温效应对钢筋-混凝土动态黏结性能的影响：精细化模拟

为研究高温效应对钢筋-混凝土动态黏结性能的影响,建立了考虑带肋钢筋表面特征和混凝土材料非均质性的三维细观模型,与试验的破坏模式和黏结应力-滑移曲线进行对比,验证了细观模型的合理性。在此基础上,分析了高温下和冷却后钢筋-混凝土动态黏结应力-滑移行为的变化规律。结合数值模拟结果,建立了考虑高温效应的动态黏结强度预测公式。结果表明：细观模型能够反映变形钢筋与混凝土界面的开裂过程和黏结破坏机理;随着应变率的增加,高温下或冷却后的混凝土损伤区域逐渐减小;应变率相同时,高温下混凝土的损伤区域明显大于冷却后;随着温度的升高,高温下或冷却后试件的极限黏结强度均线性下降;相同温度环境下,应变率增加使得极限黏结强度非线性提高;预测结果与试验结果的良好吻合,说明本文提出的经验公式可以合理反映钢筋-混凝土动态极限黏结强度的高温效应。     

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。     

钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元

本文提出了一种用于钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元模型。该模型将混凝土体元内的钢筋作为能承受轴力、剪力、弯矩和扭矩的梁元,根据钢筋和混凝土在单元内的位移协调条件和虚功原理将两者组合成一个单元。体梁组合单元模型能较全面地反映混凝土内钢筋的力学效应,能适应钢筋的任意布置方式,容许用较大的单元对结构进行离散,解决了大型钢筋混凝土结构有限元分析的单元划分问题。数值算例及其与解析解的比较演示了模型的可行性和精度。     

钢筋混凝土嵌入式滑移模型

提出一种钢筋混凝土嵌入式滑移模型,将模拟钢筋-混凝土交界面的无厚度粘结单元嵌入到混凝土单元中,保证粘结单元上、下表面分别与混凝土、钢筋单元变形协调,尔后通过两表面位移差值表征钢筋滑移。基于虚功原理集成钢筋、混凝土和粘结单元的刚度贡献,建立了嵌入式滑移模型的有限元平衡方程。应用该模型分析钢筋混凝土简支梁破坏试验,获得的构件承载力、裂缝分布形态和破坏模式与试验结果接近。结果表明:嵌入式滑移模型在分析钢筋混凝土结构承载力和裂缝形态方面具有一定的应用前景。     

基于应变分解方法的钢筋混凝土开裂模型

为了克服传统弥散裂缝模型的不足,采用应变分解的方法,推导了钢筋混凝土单元的开裂模型;通过假定裂缝面法向和切向变形解耦,采用混凝土非线性断裂力学的基本理论分别构造裂缝面法向和切向的本构关系;对于混凝土单元中的钢筋,在开裂后不仅考虑其轴向刚度,同时采用弹性地基梁模型考虑其横向作用对开裂混凝土应力传递的影响;采用FORTRAN语言编制程序,通过与经典梁、板构件试验结果的比较,表明该模型的合理性和有效性;可用于钢筋混凝土结构非线性和极限承载力的分析。     

钢筋混凝土梁非线性有限元分析方法

针对钢筋混凝土结构有限元分析中,材料进入非线性阶段后,难以通过梁理论准确描述混凝土截面和钢筋应力状态的问题,提出了基于柔度法和分布式塑性理论的钢筋混凝土梁单元材料非线性方法——网格截面法。这种方法采用平面等参单元将梁单元网格化,由单元轴向积分点位置截面网格积分点的混凝土应力描述单元截面应力分布,同时考虑钢筋对刚度的贡献,并通过对截面网格材料的积分计算积分点位置的截面刚度矩阵,再利用力插值函数和能量原理得到梁单元的柔度矩阵,进而对柔度矩阵求逆计算单元刚度矩阵。通过算例验证该方法在钢筋混凝土承载力分析时的准确性。     

钢筋混凝土梁动态试验与数值模拟

试验研究、数值模拟地震作用范围内加载速率对钢筋混凝土梁影响。考虑混凝土强度、钢筋强度、剪跨比、加载速率及加载模式等对钢筋混凝土梁力学及变形性能影响;基于ABAQUS有限元软件建立钢筋混凝土梁计算模型,考虑钢筋、混凝土的率敏感性,对梁试件在不同工况下动态性能进行数值模拟;模拟结果与试验结果吻合较好。     

Finite element modelling of multiple cohesive discrete crack propagation in reinforced concrete beams

This paper presents a finite element (FE) model for fully automatic simulation of multiple discrete crack propagation in reinforced concrete (RC) beams. The discrete cracks are modelled based on the cohesive/fictitious crack concept using nonlinear interface elements with a bilinear tensile softening constitutive law. The model comprises an energy-based crack propagation criterion, a simple remeshing procedure to accommodate crack propagations, two state variable mapping methods to transfer structural responses from one FE mesh to another, and a local arc-length algorithm to solve system equations characterised by material softening. The bond-slip behaviour between reinforcing bars and surrounding concrete is modelled by a tension-softening element. An example RC beam with well-documented test data is simulated. The model is found capable of automatically modelling multiple crack propagation. The predicted cracking process and distributed crack pattern are in close agreement with experimental observations. The load-deflection relations are accurately predicted up to a point when compressive cracking becomes dominant. The effects of bond-slip modelling and the efficiency and effectiveness of the numerical algorithms, together with the limitations of the current model, are also discussed.     

Fatigue crack propagation behavior of RC beams strengthened with CFRP under cyclic bending loads

A fatigue crack propagation equation of reinforced concrete (RC) beams strengthened with a new type carbon fiber reinforced polymer was proposed in this paper on the basis of experimental and numerical methods. Fatigue crack propagation tests were performed to obtain the crack propagation rate of the strengthened RC beams. Digital image correlation method was used to capture the fatigue crack pattern. Finite element model of RC beam strengthened with carbon fiber reinforced polymer was established to determinate J‐integral of a main crack considering material nonlinearities and degradation of material properties under cyclic loading. Paris law with a parameter of J‐integral was developed on the basis of the fatigue tests and finite element analysis. This law was preliminarily verified, which can be applied for prediction of fatigue lives of the strengthened RC beams.     

剪跨比对CFRP加固无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应的影响研究

剪跨比对FRP抗剪加固梁的裂缝开展和破坏模式有重要影响,但对FRP加固梁抗剪强度及尺寸效应的影响研究较少.采用三维细观数值模拟方法,考虑混凝土细观组成的非均质性及碳纤维布(CFRP)与混凝土之间的相互作用,建立了CFRP加固无腹筋钢筋混凝土梁剪切破坏力学分析模型.在验证细观模拟方法合理性的基础上,拓展模拟与分析了剪跨比...     

考虑钢筋锈蚀的复合受扭混凝土箱梁时变承载力研究

对考虑钢筋锈蚀的复合受扭钢筋混凝土箱梁时变承载力进行研究。针对复合受扭混凝土箱梁中混凝土开裂面与钢筋斜交的情况,推导了综合考虑钢筋混凝土粘结滑移效应及正交配筋效应的钢筋修正本构模型。引入钢筋和混凝土材料的时变劣化模型,结合复合受扭钢筋混凝土箱梁的修正板-桁架模型,编制了复合受扭钢筋混凝土箱梁时变承载力的计算程序。与纯扭锈蚀构件和复合受扭构件的试验对比,验证了所提出钢筋修正本构模型的适用性较好。算例结果表明:在假定的一般大气环境和受力条件下,考虑钢筋锈蚀的复合受扭钢筋混凝土箱梁构件100年后抗扭强度降低约15%。     

基于三维细观数值方法的钢筋混凝土悬臂梁抗剪行为研究

从细观角度出发,结合混凝土内部组成的微/细观结构特征,考虑钢筋与混凝土之间的非线性粘结-滑移行为,建立了钢筋混凝土悬臂梁力学行为研究的三维细观尺度数值分析模型与方法。基于建立的数值方法,对已有关于钢筋混凝土悬臂梁在循环往复荷载作用下的抗剪破坏试验进行模拟,模拟结果与试验结果的良好吻合表明了细观数值方法的可行性。进而在此基础上,拓展模拟了不同箍筋率下钢筋混凝土悬臂梁的剪切破坏过程,揭示了箍筋对悬臂梁滞回特性及抗剪承载力的影响规律。研究表明:1）细观数值分析模型能较好的模拟构件的宏观力学性能,且能细致的描述裂缝在混凝土中的发展过程;2）随着配箍率的增加,梁抗剪承载力及延性增加,但随着配箍率增加,钢筋混凝土梁抗剪承载力增加趋势减缓。建立的细观尺度数值方法可为有/无腹筋混凝土梁抗剪/抗弯破坏尺寸效应提供理论支持。     

外壳预制核心现浇装配整体式RC梁抗剪性能的试验研究

该文以研究外壳预制核心现浇装配整体式钢筋混凝土(RC)梁的抗剪性能为目的,制作了2根新型装配整体式RC梁和1根现浇RC梁,开展了RC梁的抗剪承载力试验,考察新型装配整体式RC梁的荷载-挠度关系、开裂荷载、极限承载力、箍筋应变发展特点及破坏模式,并与现浇RC梁的抗剪性能进行比较,试验研究表明:新型装配整体式RC梁与整浇RC梁具有完全相同的抗剪承载力特性;进一步探讨新型装配式RC梁的极限抗剪承载力计算理论,为装配整体式RC梁的设计提供参考。     

钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏及尺寸效应律研究

相比于混凝土材料,钢筋混凝土构件的破坏模式与机制更为复杂,采用混凝土材料层次的尺寸效应理论难以描述钢筋混凝土构件破坏的尺寸效应行为。为研究钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏的尺寸效应行为,从细观角度出发,建立了钢筋混凝土悬臂梁三维细观尺度数值分析模型。结合现有试验数据,验证了细观模拟方法的可行性与合理性,进而拓展模拟与分析了剪跨比及配箍率对钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏尺寸效应行为的影响规律,发现:剪跨比对悬臂梁抗剪承载力有较大影响,对尺寸效应的影响很小;配箍率的增大提高了悬臂梁抗剪承载力,同时削弱了梁的抗剪强度尺寸效应。根据剪跨比及配箍率对悬臂梁抗剪强度的影响机制与规律,基于Bažant材料层次尺寸效应律,建立了钢筋混凝土悬臂梁抗剪强度尺寸效应理论公式。对比模拟结果及试验数据,验证了所提尺寸效应理论公式的准确性与合理性。     

用3D离散元实现Ⅰ/Ⅱ型拉剪混合断裂的模拟

将变形体离散元分别与弥散式旋转裂缝模型和分离式裂缝模型耦合起来,采用上述两种非线性断裂力学模型分析了混凝土、岩石等准脆性材料的Ⅰ/Ⅱ型拉剪混合模式的开裂行为,以实现从连续介质到非连续介质转化的数值模拟。基于变形体离散元方法的界面接触本构关系提出了混凝土Ⅰ/Ⅱ混合型开裂的拉剪分区开裂准则;基于缝面法向开度增大对刚度强度的逐渐折减实现了界面裂缝扩展的模拟。作为数值验证,通过单边切口非对称三点弯梁试验的数值计算与试验结果对比,表明两种断裂力学模型均能够合理预测裂缝的起裂和扩展,在混合形式的荷载条件下,裂缝通常以Ⅰ/Ⅱ型拉剪混合模式起裂,而后以Ⅰ型为控制方式稳定扩展。文末指出,基于离散单元法的分离裂缝模型能够实现系统在外载作用下破坏全过程仿真。     

CFRP布加固方案对RC梁剪切性能及尺寸效应影响分析EI北大核心CSCD

采用同时考虑混凝土材料非均质性、钢筋与混凝土之间的相互作用以及CFRP布与混凝土之间的相互作用影响的三维细观数值模拟方法,建立了CFRP布加固RC梁剪切破坏力学分析模型。在验证了细观数值方法合理性的基础上,设计并建立了12根CFRP布加固RC梁细观模型,探究相同CFRP配纤率(用布量)前提下,不同CFRP布加固方案对单调荷载作用下RC梁的剪切性能及尺寸效应的影响。结果表明:CFRP布应变分布与裂缝位置紧密相关,越靠近裂缝位置的CFRP布应变越大,提供的抗剪贡献越多;在CFRP配纤率一致的前提下,CFRP布宽度大厚度小的加固方案优于CFRP布厚度大宽度小的加固方案;CFRP布U型加固RC梁剪切强度存在尺寸效应现象,但相同CFRP配纤率下,不同CFRP布加固方案对名义抗剪强度尺寸效应的影响较小,可以忽略。