火灾下型钢混凝土梁力学性能的研究

采用纤维模型法和有限元软件ABAQUS计算了火灾下型钢混凝土梁的变形以及耐火极限,初步了解了型钢混凝土梁的高温力学性能。在此基础上,利用纤维模型法分析了截面尺寸、截面含钢率、受拉钢筋配筋率、型钢屈服强度、钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比和钢筋的混凝土保护层厚度等参数对火灾下构件承载力的影响规律,最后提出了型钢混凝土梁耐火极限的实用计算公式。     

混凝土框架结构火灾连续倒塌数值分析模型

连续倒塌是整体结构的力学行为,为了研究火灾作用下混凝土框架结构整体抗倒塌性能,建立了用于分析钢筋混凝土构件火灾反应的杆系纤维梁模型和板构件的分层壳模型。在构件层次,模型将各积分点的截面划分为若干纤维(层),纤维(层)被赋予不同的材料属性以考虑钢筋和混凝土的贡献,并通过平截面假定来定义构件变形和纤维(层)应变之间的协调关系;在材料层次,模型将温度-应力路径离散为若干加载步,然后在每个加载步内计算纤维(层)在温度和应力耦合作用下的各种应变分量。通过与一系列试验对比,说明了该模型在模拟混凝土梁、柱和楼板时的准确性和高效性。为了模拟整体结构倒塌过程中的不连续位移场,在模型中引入了构件破坏准则和单元生死技术,可以考虑构件破坏造成的内力重分布对整体结构力学响应的影响。最后,通过一个整体框架结构的火灾倒塌模拟,分析其连续倒塌过程和机理。     

HPFL加固受火RC梁抗剪性能研究

 对高性能复合砂浆钢筋混凝土加固受火RC梁的抗剪承载力进行理论推导,并结合实验数据和工程实例验证理论公式的合理性．结合国内外对火灾后钢筋混凝土结构中混凝土和钢筋强度变化的研究,考虑火灾和火灾后冷却条件对混凝土和钢筋强度及性能的影响,提出计算模型．假定钢筋和混凝土之间无相对滑移,忽略混凝土的抗拉强度,不考虑温度—应力的耦合作用,采用等效截面法得到等效截面为T形截面,以桁架 拱模型和软化桁架理论为基础,结合极限平衡原理,考虑拉应变存在条件下混凝土抗压强度的软化．分析结果表明,推导所得的计算公式与试验数据比较吻合,高性能复合砂浆钢筋网加固方法能使梁的抗剪承载力得到显著提高,能满足实际工程的应用．     

钢筋混凝土楼板火灾反应数值计算模型

基于退化壳原理,考虑火灾下板壳截面的不均匀温度场分布而引入分层模型,同时在每分层上考虑材料在不同温度下的热力弹塑性本构关系,建立了火灾下钢筋混凝土板壳结构的有限元数值计算模型。另外,通过全拉格朗日方法考虑了大位移的几何非线性影响。最后通过一钢筋混凝土板在高温下的试验进行了验证,并分析了配筋率和保护层厚度的影响。结果表明:提出的火灾下钢筋混凝土壳单元数值计算模型的计算结果与试验结果吻合较好,可以用来分析火灾下钢筋混凝土框架结构楼板的反应。     

两种升温-加载途径下钢筋混凝土压弯构件受力性能的试验及分析研究

本文对12根三面加温(800(50(C)的钢筋混凝土压弯试件进行了不同升温-加载途径的试验,研究了先升温后加载(T-N途径)与先加载后升温(N-T途径)两种途径下试件耐火性能的差别。在理论分析上,通过增量法非线性分析程序计算了试件截面的温度曲率、荷载-曲率关系及其极限耐火能力等,并由试验数据所验证。     

钢筋混凝土剪力墙基于变形和滞回耗能非线性组合的损伤演化分析

为研究钢筋混凝土结构的损伤演化规律,提出一种基于变形和滞回耗能非线性组合的钢筋混凝土构件损伤模型。通过引入组合参数考虑不同损伤状态下构件变形与滞回耗能的权重,该损伤模型能很好的反映变形和滞回耗能的相互影响,有效评估构件在不同破坏状态下的损伤程度。对4片钢筋混凝土剪力墙的拟静力试验进行数值模拟分析,结果表明:该损伤模型计算的损伤值与试验破坏形态吻合较好,能很好的描述钢筋混凝土剪力墙的损伤演化过程,且能够定量确定构件不同破坏程度的损伤界限;对钢筋混凝土剪力墙进行地震作用下动力时程分析,结果表明,该损伤模型能很好的描述不同峰值加速度作用下剪力墙构件的损伤演化规律,剪力墙损伤在峰值加速度出现时段内发展迅速,并且随着地震强度的增大而增大,损伤值超过限值时构件失效。     

钢筋混凝土梁-钢筋混凝土柱平面节点的耐火性能研究

该文建立了火灾下钢筋混凝土梁柱连接节点力学性能分析的有限元模型,计算结果与实验结果基本吻合。采用建立的模型分析了高温下钢筋混凝土平面节点应力分布规律;并在参数分析的基础上探讨了节点受火方式、柱荷载比、梁荷载比、梁纵筋配筋率对节点变形、破坏形式和耐火极限的影响规律。     

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。     

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。     

局部火灾下钢筋混凝土平面框架结构的耐火性能研究

该文建立了局部火灾下钢筋混凝土平面框架结构耐火性能的有限元模型,在此基础上研究了火灾高温下框架结构的变形规律、结构的破坏机制、塑性铰分布规律、受火梁的内力和应力状态。该文分析了框架柱轴压比和火灾发生位置对平面框架结构耐火性能的影响规律,并初步探讨了平面框架结构整体的耐火极限和构件耐火极限之间的关系。     

高强钢筋混凝土连续T形梁受火后抗弯性能试验研究与数值分析

进行了高强钢筋混凝土连续T形梁常温下和受火后的抗弯性能对比试验研究。2根对比试件进行常温下静载试验,3试件分别按照ISO 834升温曲线受火30 min、60 min和90 min,并自然冷却至室温后再进行静载试验。研究了升降温过程中截面温度场变化规律和试验梁的破坏形态,得出了受火后高强钢筋混凝土连续梁的弯曲刚度、延性系数、屈服荷载和极限荷载的劣化规律,并与常温对比试件的试验结果进行了对比分析。研究表明:在升温段,连续梁截面温度场呈现外部温度高内部温度低的层状分布规律;在降温段,温度场呈现外部温度低内部温度高的圈状分布规律。随着受火时间增加,受火后连续梁的屈服荷载和极限荷载均呈抛物线型下降;火灾后连续梁弯曲刚度显著降低,其下降程度明显大于屈服荷载和极限荷载的下降程度;受火后连续梁的延性系数也明显降低。有限元模拟分析得到的升降温截面温度场和火灾后抗弯性能结果均与试验结果吻合较好,可用于火灾后高强钢筋混凝土连续梁的鉴定评估。     

钢筋混凝土的热应力分析

基于热力学和材料力学,分析了在盐冻循环、钢筋锈蚀与弯曲荷载协同作用下钢筋混凝土梁试样内部的热应力和机械应力分布及其损伤演变的规律,导出了钢筋混凝土在循环变温过程中不同方向的热应力的一般性计算公式及分布状态以及四点弯曲荷载下钢筋和混凝土各自承受的应力状态。分析结果表明温度应力沿梁试样长度方向非均匀分布,而弯曲应力与钢筋和混凝土的弹性模量之比有关。研究表明混凝土在盐冻循环、钢筋锈蚀与弯曲荷载协同作用下的损伤失效机理是温度疲劳导致的混凝土损伤以及腐蚀液渗透导致钢筋锈蚀共同作用引起的。     

约束混凝土单轴弹塑性损伤本构模型

该文通过采用混凝土三维弹塑性损伤模型和弧长法分析了钢筋混凝土单轴压缩过程中箍筋对混凝土的约束作用,得到了约束混凝土单轴抗压强度和延性增大系数。基于连续介质损伤力学的基本框架,引入约束混凝土强度和延性增大系数,建立了混凝土单轴弹塑性损伤本构模型。验证表明:该文模型符合热动力基本方程,可较好地反映约束混凝土强度和延性增大、强度软化、刚度退化、塑性变形、裂面效应、等力学特性;模型参数与中国现行《混凝土结构设计规范》推荐的模型完全相同,易于工程应用。将该文模型与纤维束形式的Timoshenko梁单元相结合,在自主研发的结构非线性分析软件SAUSAGE中完成开发实现。利用SAUSAGE完成了某钢筋混凝土框架结构的大震动力非线性分析,结果表明:箍筋约束作用可以有效抑制梁、柱构件的非线性发展,影响了结构最大层间位移角和最大层间剪力等宏观指标。     

锈蚀-疲劳耦合作用下钢筋混凝土梁挠度计算方法研究

为探究锈蚀-疲劳耦合作用下钢筋混凝土梁的结构力学行为及刚度退化规律，设计了3组不同应力幅作用的钢筋混凝土梁锈蚀-疲劳耦合持荷试验，分析了各试验梁的疲劳寿命及刚度演化规律。结果表明，钢筋、混凝土疲劳和钢筋的锈蚀耦合作用下，钢筋混凝土构件的疲劳寿命显著降低，疲劳梁和锈蚀疲劳耦合梁的挠度发展曲线均呈现“突增-稳定-突增”的变化规律，且锈蚀疲劳耦合梁在第二阶段的挠度发展速率要远大于同应力幅下的疲劳加载梁。该方法在既有规范基础上分别改进了现有疲劳梁和锈蚀疲劳耦合作用下结构的挠度计算方法，可以有效考虑钢筋疲劳作用、外荷载应力幅、混凝土模量退化、钢筋锈蚀等因素的影响，其计算值与试验值吻合较好，验证了该文提出的刚度计算模型的有效性。     

弹性轴向约束平面钢梁火灾下非线性分析的弧线坐标法

以变形后构件的弧线长度和截面转角为基本未知量,提出了一种火灾升温下弹性轴向约束平面钢梁的非线性分析方法。以节点的内力和外力平衡为条件建立基本方程,可方便考虑几何非线性和材料的非线性。节点仅包含弧线长度和截面转角两个自由度,计算效率优于常规有限元法的梁单元。以承受均布荷载的梁为例,分析了荷载、轴向约束刚度、沿截面和纵向不均匀分布温度的影响,给出了梁跨中的挠度、轴力和弯矩随温度的变化关系,并分析了在不同温度下跨中截面应变和应力的分布。算例表明,该方法有足够的精度。     

矩形钢管混凝土柱在扭矩作用下的截面剪应变场研究

对矩形截面钢管混凝土柱在纯扭和压扭荷载作用下的滞回性能进行了试验研究,得到了矩形截面钢管混凝土柱的扭矩-扭转角滞回曲线。基于材料力学基本原理建立了纤维梁截面扭率和纤维剪应变间的关系,进而对矩形截面钢管混凝土柱在扭矩作用下的截面剪应变场分布规律进行了分析,并建立了三维精细有限元模型进行精度验证,最后给出了钢管混凝土柱截面扭率和截面纤维剪应变间关系的矩阵表达,引入了考虑扭转效应的纤维梁模型,使该模型能够用于分析矩形截面钢管混凝土柱在扭矩作用下的非线性反应。与试验结果的对比表明,考虑扭转效应的纤维梁模型在分析矩形截面往复扭矩荷载作用下的受力行为时具有较高的求解精度和求解效率,可为分析不同类型结构体系在地震复杂受力状态下的动力反应提供依据。     

高温下钢筋混凝土异形柱的数值分析方法

将钢筋混凝土异形柱沿高度划分为若干小段,假定每一小段内各截面的曲率线性变化,结合虚梁法和结构截面在力和温度作用下的非线性增量有限元分析方法,提出了钢筋混凝土异形柱高温下基于虚梁法的数值分析方法,同时建议了高温下每一增量步内混凝土和钢筋应力-应力应变点位置的确定方法。编制了相应的程序RCSSCF,程序考虑了轴力的二阶效应,程序的有效性得到试验结果的验证。研究表明:基于虚梁法的数值分析方法计算的耐火极限总体上略小于基于变形假定的数值分析方法计算的耐火极限。     

钢筋混凝土梁的非线性均质材料本构等效

本文根据钢筋混凝土梁截面开裂、屈服、极限等三个受力状态,分别与等效材料截面三阶段等效,确定等效材料主要的力学参数,再根据梁整体力学性能对等效结果进行修正的方法,实现了钢筋混凝土梁与非线性均质材料本构关系的等效。针对屈服截面以后等效截面与混凝土截面的刚度差别较大的情况,提出折减钢筋或混凝土屈服应变的调整方法。根据本文提供的折减系数,两种材料的构件的非线性力学性能基本接近,达到了等效的目的。     

纤维聚合物复合材料的有效湿扩散系数

根据纤维聚合物复合材料的微观结构, 建立了基于复合材料单胞模型的湿扩散计算方法, 研究了不同温度和不同体积分数下纤维聚合物复合材料的湿扩散性能。假设纤维是不可渗透的, 并在聚合物基体中均匀分布, 计算了不同温度不同体积分数下复合材料的有效湿扩散系数。结果表明: 复合材料的有效湿扩散系数随温度的升高而增大, 随纤维体积分数的增大而减小; 在相同温度、 相同体积分数下, 正六边形排列的纤维复合材料的湿扩散系数比正方形的略大。计算结果及经验公式与Gueribiz曲线基本一致, 说明用单胞模型计算复合材料的湿扩散性能是非常有效的, 有助于理解纤维复合材料的湿扩散机制和性能。      

应变速率型RC梁柱显式分析单元及其在ABAQUS软件中的实现

为准确、高效地分析钢筋混凝土(RC)梁柱结构在强动载作用下的损伤破坏甚至倒塌,建立了能够描述大变形、大应变的空间纤维Timoshenko梁单元,并将其与考虑率相关效应的钢筋、混凝土材料模型相结合,通过用户显式单元子程序在ABAQUS中实现。基于所建立的应变速率型3D纤维梁显式单元,借助ABAQUS的前后处理及求解功能,对爆炸荷载作用下的RC梁柱构件的动态响应和破坏模式及RC框架结构的连续性倒塌进行分析。结果表明:建立的应变速率型3D纤维梁柱单元能够合理描述RC构件的变形特性及钢筋、混凝土的应变速率效应;可以模拟爆炸作用下RC构件的弯曲、弯剪及直剪破坏模式,以及RC框架的连续倒塌过程;将纤维梁柱单元与率相关模型相结合于ABAQUS软件提供了一种强动载作用下高效、精确的RC结构非线性分析方法。