受腐蚀钢筋混凝土桥墩抗震性能研究

桥墩的耐久性和抗震性能对整个桥梁安全运行具有重要意义。本文以钢筋混凝土拟静力试验为背景,通过数值模拟方法建立纤维单元模型,研究钢筋混凝土墩柱的抗震性能随腐蚀率的变化规律。首先采用2种不同混凝土本构和3种钢筋本构模型对未腐蚀试件进行模拟,通过和试验对比,评价有限元模型合理性并选取合适的本构模型。腐蚀效应通过修正钢筋本构模型考虑,对试验3根试件进行模拟,验证腐蚀本构模型合理性。最后将腐蚀率进行扩展,研究不同腐蚀率下钢筋混凝土桥墩抗震性能变化规律。     

拉伸载荷作用下混凝土蠕变-损伤破坏过程数值模拟

在材料破裂过程分析MFPA2D系统的基础上,考虑混凝土损伤过程的时间因素影响,引入混凝土细观单元蠕变本构方程,建立考虑流变效应的混凝土破裂过程蠕变-损伤相互作用的MFPA2D数值模型,并应用该模型模拟研究轴向拉伸恒定持续荷载作用下混凝土的蠕变破坏过程,数值模拟得到混凝土蠕变破裂的典型三个阶段:初始蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段,模拟结果揭示了混凝土的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果。模拟结果同实验室试验所观察到的试验现象吻合,这表明考虑流变效应的MFPA2D数值模型适用于模拟混凝土的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。上述数值结果对大坝混凝土工程的混凝土结构的工程设计施工及损伤断裂控制等的研究具有重要的理论指导和实践意义。     

氯盐腐蚀混凝土桥墩抗侧向冲击性能研究

以船舶撞击桥墩的工程事故为背景,在腐蚀的钢筋混凝土墩柱受落锤式冲击试验的基础上,利用ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟。通过钢筋力学性能的退化模拟钢筋腐蚀作用,以此研究受腐蚀的钢筋混凝土墩柱抗侧向冲击性能。研究结果表明:由冲击主拉应力的分布得到试件在冲击部位两侧各1/3处为试件冲击剪切破坏的薄弱部位;由冲击主压应力的分布得到试件的跨中冲击部位和两端墩帽的内侧角部位置为试件受压破坏薄弱部位;通过改变混凝土的强度,选取Holqmuist的混凝土模型参数进行对比分析,当冲击工况由GK1~GK5,在相同腐蚀率的条件下,高强度混凝土比低强度混凝土的峰值冲击力增长了49.03%,涨幅增加了1.746倍。     

受腐蚀钢筋混凝土墩柱受侧向冲击后裂缝开展与破坏形态研究

通过对不同腐蚀率的钢筋混凝土墩柱的侧向冲击试验,研究腐蚀率对混凝土墩柱的变形,裂缝形成和发展及破坏形态的影响。试验采用落锤式冲击加载模拟墩柱受侧向冲击。通过改变落锤冲击高度得到不同的冲击工况,观察记录墩柱的裂缝开展和破坏形态。试验结果表明:高腐蚀率的试件抗侧向冲击能力弱,延性差,随着腐蚀率的增加,试件破坏形态由纵向裂缝和斜裂缝控制的弯剪破坏向无预兆的剪切破坏转变。     

受腐蚀钢筋混凝土墩柱抗震性能研究

以钢筋混凝土墩柱拟静力试验为背景,通过截面等效方法将受腐蚀墩柱三维模型简化为二维平面模型,利用有限元软件DIANA中自带的钢筋腐蚀本构定义腐蚀,采用混凝土全应变旋转裂缝模型模拟分析了单调荷载和低周反复荷载下受腐蚀墩柱的抗震性能,其模拟结果与试验结果相吻合;采用混凝土多方向固定裂缝模型模拟受腐蚀墩柱裂缝扩展,裂缝扩展趋势与试验相符。进一步拓展腐蚀率进行模拟分析,结果表明,随着腐蚀率增大,墩柱极限承载力降低、极限位移减小、滞回曲线捏拢、裂缝开裂程度加重、裂缝最大应变增大。     

近年来我国混凝土冻融破坏研究进展

冻融作用是造成混凝土强度损失和破坏的重要因素,混凝土构件经多次冻融循环作用将会降低建筑物耐久性并引起安全问题。国内外学者在不同的混凝土冻融破坏机理假说的基础上设计试验,得到了混凝土试件经历冻融破坏后损伤情况的数据,建立了大量混凝土冻融损伤的本构模型。随着数值模拟软件的不断成熟,利用数值模拟软件对混凝土冻融过程进行模拟,用得到的模拟结果与试验结果进行比对,从而验证试验结果的正确性,从细观角度解释冻融破坏机制,是当前混凝土冻融损伤破坏研究的趋势。文章总结了近年来国内混凝土冻融研究的进展及其发展趋势,并提出了建议。     

山区桥梁墩柱抗落石冲击防护措施的耐撞性

为了研究山区桥梁钢筋混凝土桥梁墩柱抗落石冲击防护措施的耐撞性,基于现场调查,采用显式非线性动力分析方法,结合部分模型试验结果,针对外套钢板筒与加厚素混凝土保护层这两种典型的防护措施展开了数值模拟。采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)损伤本构模拟钢筋混凝土,落石冲击模型则参照欧洲被动防护网试验规范;结合桥墩受落石冲击破坏的特点,对落石试验模型的撞击面做了加肋处理。研究了钢板筒厚度、混凝土保护层厚度变化对耐撞性的影响。结果表明,当钢板筒厚度大于20 mm、保护层厚度大于100 mm时,方可获得较好的耐撞性,同时针对粘结式外套钢板筒防护措施的不足,进一步提出了分离式外套钢板筒的改进措施。     

长径比对SFRC抗压性能的细观数值模拟

根据Weibull统计分布理论推导了钢纤维混凝土(SFRC)的损伤本构模型,基于试验数据得到了SFRC模型参数。利用ANSYS软件在细观上建立钢纤维混凝土立方体试件有限元模型,并对其单轴压受力下的力学性能和破坏状态进行了数值模拟,研究钢纤维长径比对钢纤维混凝土抗压强度的影响。结果表明,SFRC细观模型能较好的模拟单轴受压下混凝土的静力学性能和损伤破坏。     

盾构管片接头破坏的弹塑性–损伤三维有限元模型研究

分别采用弹塑性本构和弹塑性损伤本构,建立盾构管片接头三维有限元模型,模拟正负弯矩下接头压弯破坏全过程。与实验对比后表明:初始加减阶段采用弹塑性本构和损伤本构得到的结构变形曲线基本重合,且与试验值吻合较好;荷载进一步加大后,采用损伤本构进行分析,其结果更接近试验值,且可更好地模拟结构承载力下降过程。通过有限元网格的收敛性分析,证明网格划分的合理性并给出此类有限元模型网格大小的建议值。最后根据数值模拟结果给出管片接头健康评价指标。     

预应力混凝土构件冻融环境下疲劳数值模拟

基于冻融与疲劳耦合作用下混凝土弹性模量衰减模型、冻融损伤的混凝土疲劳本构模型以及钢筋的疲劳本构方程,通过ANSYS综合各模型的材料参数,模拟预应力混凝土受弯构件在冻融与疲劳交替作用下的疲劳性能,并与试验结果进行对比.结果表明:数值模拟的预应力混凝土构件弯曲挠度和上边缘的应变与试验结果吻合较好,所得结果可为实际工程中冻融环境下预应力混凝土疲劳性能的数值模拟提供有效方法.     

落石冲击对桥墩破坏作用的研究

为研究落石冲击作用下不同截面形式桥墩的动力响应及破坏规律,采用混凝土连续面盖帽模型(CSCM)构建数值模型,基于能量守恒及沙漏原理检验了数值模型的可靠性。从桥墩混凝土体积损伤率和墩柱位移两个角度研究了不同截面形式桥墩在落石冲击作用下的动力响应及破坏规律,为今后山区桥梁墩柱形式选择提供一定的参考。     

侧向冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的性能

采用数值仿真技术建立了足尺钢筋混凝土墩柱精细有限元模型,分析了侧向冲击荷载下墩柱的动态响应和抗冲击性能,提出了一种基于截面损伤因子的损伤评估方法,讨论了不同碰撞参数对钢筋混凝土墩柱破坏模式和损伤机理的影响.结果表明:冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的耗能主要分为接触区域局部耗能和构件整体耗能;当冲击体的初始动能恒定时,冲击质量和冲击速度的不同组合会导致钢筋混凝土墩柱损伤破坏机理的显著差异;基于截面损伤因子的损伤评估方法可以比较准确地描述墩柱的破坏状态.轴压力对墩柱抗撞能力的有利贡献比较有限,且墩柱随着轴力的增大更易发生剪切破坏;冲头刚度对碰撞力和墩柱动态响应的影响十分显著.     

基于CSC模型的UHPC构件侧向低速冲击分析

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)较普通混凝土具有更优异的强度、韧性和耐久性,广泛应用于桥梁墩柱和建筑承重柱,而上述构件存在车(船)、滚石等侧向低速冲击的潜在威胁,为此,针对UHPC梁/柱构件在侧向冲击下的损伤破坏和动态响应进行数值仿真分析。现有商用模型中广泛采用的混凝土动态本构模型均基于普通混凝土开发,如混凝土损伤(K&C)模型和混凝土连续面帽盖(CSC)模型等。基于作者前期开展的UHPC单轴拉/压、三轴压缩和Hopkinson杆动态拉/压试验,以及已有UHPC双轴等压和静水压试验数据,系统标定了UHPC材料CSC模型的强度面、帽盖、损伤、应变率和硬化参数,给出了一组适用于UHPC的CSC模型参数确定方法。进一步基于LS-DYNA商用有限元分析软件,对已有四组钢管UHPC梁和钢筋UHPC梁/柱构件的落锤冲击试验进行数值模拟,通过对比落锤冲击力、梁/柱动态挠度响应和破坏模式,验证了所提出的CSC模型参数计算方法的适用性和正确性。同时,对冲击过程中刚性落锤与构件之间的作用过程及能量耗散进行了讨论。结果表明：平头落锤冲击下构件经历了惯性抵抗、变形响应、构件回弹和脱离四个阶段;球头落锤冲击构件的惯性抵抗阶段不明显;随着冲击能量的提高,钢管(筋)耗能占比逐渐增大。     

Mesoscale modeling based numerical study on size effect of concrete compressive strength

将混凝土视为砂浆、骨料及过渡界面组成的三相复合材料,采用随机骨料模型从细观角度对混凝土轴压破坏过程及抗压强度尺寸效应进行数值分析。该模型中考虑了混凝土级配以及骨料分布的影响,通过赋予各相材料塑性损伤本构关系并引入初始缺陷来模拟混凝土破坏过程中裂缝的产生与扩展。通过与试验数据进行对比,认为所建立随机骨料细观模型能够较好地反映混凝土抗压强度尺寸效应规律。分析结果表明：初始缺陷大小对混凝土抗压强度尺寸效应影响显著,而混凝土强度等级与缺陷位置对尺寸效应影响较小。通过对混凝土轴压破坏机理进行分析,发现基于能量释放的尺寸效应模型能够较好地解释混凝土的破坏过程和预测模拟结果。     

混杂纤维混凝土动态压缩性能试验及数值模拟研究

为了研究钢-聚丙烯混杂纤维混凝土(HFRC)的动态压缩性能及损伤机理,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置进行了冲击压缩性能试验。试验得到了设计强度为CF50的HFRC和钢纤维混凝土(SFRC)两种材料在四个不同应变率下的应力-应变曲线,并从破坏应力、峰值应变、峰值韧度等方面进行分析,结果表明HFRC的动态力学性能优于SFRC。采用ANSYSLS-DYNA有限元程序,选用HJC本构模型模拟HFRC动态冲击压缩性能,在验证数值模拟精度的基础上重构材料的应力-应变曲线,数值模拟结果与试验结果基本吻合。通过模拟试件的破坏过程,得到了HFRC在动态冲击荷载作用下的损伤演化方式,为材料的动态损伤机理研究提供理论依据。     

基于随机骨料模型的混凝土抗压强度尺寸效应研究

将混凝土视为砂浆、骨料及过渡界面组成的三相复合材料,采用随机骨料模型从细观角度对混凝土轴压破坏过程及抗压强度尺寸效应进行数值分析。该模型中考虑了混凝土级配以及骨料分布的影响,通过赋予各相材料塑性损伤本构关系并引入初始缺陷来模拟混凝土破坏过程中裂缝的产生与扩展。通过与试验数据进行对比,认为所建立随机骨料细观模型能够较好地反映混凝土抗压强度尺寸效应规律。分析结果表明:初始缺陷大小对混凝土抗压强度尺寸效应影响显著,而混凝土强度等级与缺陷位置对尺寸效应影响较小。通过对混凝土轴压破坏机理进行分析,发现基于能量释放的尺寸效应模型能够较好地解释混凝土的破坏过程和预测模拟结果。     

基于三维弹塑性损伤模型的木材非线性分析

为预测木材复杂的受力行为,在弹塑性理论和连续介质损伤力学的框架内建立了木材三维弹塑性损伤本构模型。采用Hill屈服准则和Voce强化模型描述木材受压硬化行为;通过修正后的Hashin破坏准则和指数型损伤演化模型控制木材受拉、受剪的损伤演化过程。基于应变增量法求解本构模型的数值解,并采用Newton-Raphson迭代法求解塑性应变。通过编写用户自定义子程序（UMAT）将本构模型嵌入商业有限元软件ABAQUS,并根据试验结果对本构模型进行了验证。针对木材顺纹和横纹受压试验的数值模拟结果表明,该模型可以有效地描述木材的受压非线性硬化行为。针对木材斜纹受拉试验的数值模拟结果表明破坏准则可以较为准确地识别木材在横纹拉应力和顺纹剪应力作用下的破坏模式,损伤演化模型可以合理地控制木材的损伤演化过程。     

几种常用混凝土动态损伤本构模型评述

描述了混凝土抗冲击数值模拟中常用的几种混凝土动态损伤本构模型,包括HJC、RHT、LLNL、Marlvar及TCK本构模型.在此基础上,从动力本构模型的极限面定义、损伤定义、状态方程、应变率强化效应及模型参数标定方面综合分析和评述了各本构模型.对于混凝土抗冲击问题的数值模拟及混凝土动态损伤本构研究具有参考意义.     

受侵蚀混凝土本构关系

混凝土腐蚀具有内外不均匀的特点,这使得真正意义上的受侵蚀混凝土本构关系一直都没有得到确定,为此提出了试验与数值模拟相结合的技术思路以解决上述问题.首先,利用Fick第二定律对硫酸钠腐蚀后砂浆和界面过渡区(ITZ)的细观本构关系分层修正,应用CT技术在细观层面模拟受侵蚀混凝土试件的应力-应变曲线;其次,利用力学试验结果,识别给出蚀强率参数;最后,对砂浆和ITZ的“腐蚀程度”进行全截面均匀化,通过数值模拟得到受侵蚀混凝土本构关系.基于此,提出了任一腐蚀介质质量分数下试件内任一位置处单元对应的受侵蚀混凝土本构关系的分析流程.     

基于Weibull强度理论的混凝土冻融损伤本构模型研究

将统计学方法与细观力学方法结合,采用平行杆模型模拟混凝土等脆性材料单轴受压的损伤演化规律。研究了基于Weibull强度理论的混凝土细观统计损伤本构模型,并通过冻融后的混凝土单轴受压本构试验,拟合出模型相关参数m和ε0,提出了基于细观统计损伤力学的混凝土冻融损伤本构方程。最后通过非线性有限元分析软件ABAQUS对提出的模型进行数值模拟,并与试验结果对比分析,验证了所提出模型的合理性。