金属空心球梯度泡沫结构抗冲击特性仿真与优化

基于有限元方法,研究不同冲击速度下面心立方排布的金属空心球(FCC-MHS)梯度泡沫结构的缓冲吸能特性.以比吸能和远端应力为目标对象,分析梯度排列次序和梯度数对结构抗冲击性能的影响.采用径向基函数方法构建FCC-MHS梯度泡沫冲击代理模型且进行多目标优化.结果显示,在冲击波效应不明显时,梯度排列次序和梯度数对FCC-MHS泡沫抗冲击性能影响有限,FCC-MHS梯度泡沫的抗冲击性能与均质FCC-MHS泡沫接近;在波效应明显的冲击速度下,梯度数多且呈负梯度排列的FCC-MHS泡沫抗冲击性能最优.优化设计能使FCCMHS泡沫的抗冲击性能更优.     

基于落球法的复合材料板冲击特性试验

为研究落球冲击法对复合材料的多次冲击变化规律,采用落球冲击装置对玄武岩纤维板以及玻璃纤维板两种复合材料层合板进行了低速冲击试验研究。利用压力传感器记录了落球冲击过程中冲击载荷时程曲线,并且以此计算了位移时程曲线以及能量时程曲线。试验结果表明:落球冲击所引起的复合材料板损伤与落锤冲击损伤形态不一致,更多产生基体开裂、板体断裂等损伤形式,多次冲击对复合材料板会产生累积损伤,多次冲击以后板体的载荷峰值减小,回弹速度变小,吸收能增大。在同等冲击次数下,玄武岩纤维板的抗冲击能力会高于玻璃纤维板。试验结果说明利用落球冲击法对复合材料板的抗冲击特性进行评定是合理的。     

多级金字塔夹芯结构的抗冲击及吸能性

讨论了有着相同重量的一阶和二阶金字塔点阵结构在冲击载荷作用下的抗冲击和吸能性.用有限元分析软件ABAQUS建立了一阶金字塔芯体夹芯结构和二阶金字塔芯体夹芯结构在冲击载荷作用下的三维有限元模型,分析了在冲击载荷下有着相同相对密度和相同体重的两种芯体结构的位移与加载时间的关系,比较了两种芯体结构随着无量纲冲量和相对密度增加时的抗冲击能力,并分析了夹芯结构的吸能机理及两种芯体结构的吸能能力.结果表明,两种芯体结构中储存内能的80%以上均来源于塑性能释放.随着无量纲冲量的增加,两种芯体结构的吸能率在增加,二阶金字塔芯体结构在无量纲位移趋于平缓后其吸能率和抗冲击性能与一阶金字塔芯体结构相接近.     

吸能防冲立柱设计及其特性数值分析

为了提高液压立柱的抗冲击力学性能,增强冲击地压巷道支护效果.采用在常规液压立柱中加入具有恒定承载力的吸能防冲构件方法,设计了吸能防冲立柱,并采用ABAQUS有限元软件对吸能防冲立柱的抗冲击力学性能进行数值分析.结果表明:吸能防冲构件变形阶段吸收了部分冲击能量,有效改善了立柱受冲击载荷时的受力情况,减小了立柱变形,较大地提高了立柱抗冲击力学性能;在外界条件均相同情况下,吸能防冲立柱的抗冲击力学性能远好于常规立柱.在常规液压立柱中加入吸能防冲构件可有效增强立柱抗冲击性能.     

BTRC和BRRC加固混凝土梁的抗冲击性能试验研究

采用落锤冲击试验机开展普通钢筋混凝土梁、玄武岩纤维网增强混凝土（BTRC）和玄武岩纤维筋（BRRC）加固梁的抗冲击性能试验研究,其中,采用未加固钢筋混凝土梁1根、不同面积BTRC和BRRC加固的钢筋混凝土梁各2根。通过分析失效破坏过程、冲击力时程曲线、支座反力时程曲线、位移时程曲线、冲击力—挠度曲线以及支座反力—挠度曲线,对BTRC和BRRC加固钢筋混凝土梁的抗冲击性能进行研究。结果表明,BTRC和BRRC加固层能有效提高试验梁的抗冲击承载力,减小试验梁的最大变形和残余变形;加固方式和配筋率/配网率对试验梁的最大变形和残余变形影响不明显;加固层中纤维网断裂和纤维筋锚固端脱粘会消耗锤头部分动能,使得加固梁的整体变形耗能占比低于普通钢筋混凝土梁。     

聚脲涂覆大型钢制储罐抗冲击性能数值仿真

为提高大型钢制储罐抗冲击性能,开展聚脲涂覆大型钢制储罐冲击响应的数值模拟和理论分析研究。基于前期工作已验证的数值模型,建立聚脲涂覆钢罐的有限元模型。数值模拟结果表明:将聚脲涂覆于罐体外表面能有效降低冲击载荷作用下局部塑性变形,在冲击体撞击角度为45°时能避免罐体穿孔破坏;聚脲涂层的主要防护机制为降速和垫层作用;提高喷聚脲涂厚度能增加罐体最大吸能值和面密度吸能值;当涂层厚度为15 mm时罐体不产生穿透破坏,满足英国储罐设计规范要求。根据罐体冲击响应特征和聚脲涂层作用机制,建立预测罐体断裂临界冲击速度的理论公式,能较精确预测涂覆罐的最大吸能值,可为聚脲涂覆钢制储罐抗冲击防护设计提供科学参考依据。     

含泡沫铝防护层钢筋混凝土板的抗爆性能研究

为了研究多孔吸能材料泡沫铝对结构的防护作用,采用LS-DYNA软件对自由空气中5 kg Pentolite炸药爆炸作用下含泡沫铝防护层钢筋混凝土板的动力响应进行了数值模拟,比较分析了不同厚度泡沫铝的防护效果.结果表明,随着泡沫铝防护层厚度的增加,钢筋混凝土板的挠度变形显著减小,受到的冲击加速度幅值衰减较大,泡沫铝防护层能够有效提高钢筋混凝土板的抗爆性能;当泡沫铝防护层增加到一定厚度时,对爆炸冲击波的衰减效果不再明显.钢筋混凝土板的泡沫铝防护层厚度存在一个合理的设计值,对不同的结构进行防护设计时,需要进行相应的计算分析.     

碳纤维增强聚合物混凝土抗冲击性能试验研究

为了更好地研究纤维混凝土的力学性能,通过在聚合物混凝土中加入碳纤维进行改性来研究不同掺量碳纤维增强聚合物混凝土的抗冲击性能。采用分离式霍普金森压杆试验系统开展冲击压缩试验,从应力—应变曲线、强度和变形特性、冲击韧性等方面探究碳纤维掺量对聚合物混凝土抗冲击性能的影响。结果表明：随着碳纤维掺量的增加,聚合物混凝土的抗冲击性能先增强后减弱;当碳纤维掺量为0.2%时,混凝土的动态抗压强度最大,承受高应变率压缩荷载的变形能力最强,即碳纤维的最佳掺量为0.2%。     

重复冲击下高温后橡胶自密实混凝土动态力学性能

混凝土结构在服役期间经常因承受多次冲击荷载作用而发生破坏,其在重复冲击荷载作用下的动态力学特性引起了关注。研究表明掺入橡胶有效的改善了自密实混凝土(SCC)的抗冲击性能,但橡胶自密实混凝土(RSCC)在重复冲击荷载作用下的动态力学特性尚不明确。基于此,采用霍普金森压杆装置(SHPB)开展重复冲击压缩试验,研究RSCC在重复冲击作用下的动态力学特性。本次试验准备橡胶掺量分别为10%、20%和30%的RSCC试样各一组,研究橡胶掺量、高温作用对RSCC重复冲击性能的影响,准备一组普通自密实混凝土(NSCC)作为对照组。试验结果表明：在重复冲击试验中,随着冲击次数的增加,试样峰值应力减小,变形增长。150°C高温作用对NSCC、RSCC重复冲击性能影响小,重复冲击性能与常温试样具有一致性;橡胶的掺入有效改善了NSCC的脆性,减小了冲击荷载在试样内部产生的应力,冲击荷载重复作用次数随着橡胶掺量的增加呈上升趋势,RSCC重复冲击性能优于NSCC。300°C高温作用后,NSCC峰值应力变大,但仍然表现出脆性破坏特征;而RSCC峰值应力变小,抵抗冲击荷载重复作用次数减少,重复冲击性能显著退化,且橡胶掺量越大,性能衰退越显著。此外,在常温与150°C高温工况下,RSCC比NSCC吸收能量能力更强;而300°C高温作用后,RSCC能量吸收性能衰退,累计单位体积吸收能量低于NSCC。     

钢筋混凝土叠合板的抗弯性能研究

使用吉林大学建设工程学院研制的新型复合材料永久模板研究钢筋混凝土叠合板的抗弯性能。研究结果表明：钢筋混凝土叠合板在叠合面得到有效处理后能确保预制部分和现浇部分的协同受力,叠合板的极限承载力相比普通混凝土板高出8.99%,同时受拉区混凝土抗开裂能力大大增强。叠合板破坏形式为大变形塑性破坏,抗弯性能优异。     

Seismic cracking analyses of two types of face slab for concrete-faced rockfill dams

Estimating the cracking capacity of the face slab and recommending effective crack-control measures are important for the anti-seismic safety of concrete-faced rockfill dams (CFRDs). In this paper, two-dimensional analyses of CFRDs are performed to simulate the seismic cracking behavior of conventional reinforced concrete (RC) face slab and a type of composite face slab. The composite face slab is composed of a ductile fiber-reinforced cement-based composite (DFRCC) layer and an RC substrate. For this purpose, a co-axial rotating smeared crack model for concrete and DFRCC is coupled with the generalized plasticity model for the rockfill material, and then implemented in a finite element program. The results show that during strong earthquakes, an RC slab is more likely to develop a penetrating macro-crack in its thickness dimension. In contrast, the crack-controlling composite slab demonstrates excellent resistance to seismic cracking, and no penetrating macro-cracks are observed. Major harmful cracks that form in the concrete substrate are stopped by the DFRCC layer in composite slabs.     

预应力CFRP板加固钢筋混凝土双向板的正截面抗弯承载力

共制作了6块规格相同的钢筋混凝土(RC)双向板(4块预应力碳纤维板加固RC双向板、1块非预应力纤维板加固RC双向板和1块未加固的对比试验板)进行加载试验,研究预应力碳纤维板加固RC双向板的正截面抗弯承载力.结果表明:非预应力纤维板加固RC双向板、预应力纤维板加固RC双向板的单位和极限荷载比未加固的对比板极限承载力提高程度都较大,预应力碳纤维板加固法的加固效果更明显,碳纤维的强度利用率更高,预应力加固板板材间距较小时,单位板宽受弯承载力增加明显,同对比板相比显著提高了构件的抗弯强度和刚度,理论计算值与试验值较吻合.     

高温后RC梁剩余承载力与可靠性指标分析

高温后钢筋混凝土构件的剩余承载力会有所折减,利用ANSYS软件对火灾发生时钢筋混凝土梁内的最高温度分布进行分析,提出了计算高温后钢筋混凝土梁剩余承载力的数值方法,并通过具体算例来验证该方法的正确性,为高温后钢筋混凝土结构的安全评估及修复加固提供了理论依据.此外,还根据结构可靠度理论建立了高温后钢筋混凝土梁的抗力模型和极限状态方程,对影响抗力随机变量的统计参数给予分析,通过验算点法计算高温后钢筋混凝土梁在承受原设计荷载时可靠性指标的变化.分析表明,不同受火时间对梁的可靠性指标有很大的影响,在有条件下应给予考虑.     

ECC混凝土桩板墙支挡边坡抗震性能振动台模型试验研究

在强震作用下，传统桩板墙支护结构易出现不可恢复的损伤和变形，工程水泥基复合材料（ECC）具有较高的抗拉强度和拉应变硬化特性，在约束裂缝开展、抗弯承载力及耗能能力上优于普通钢筋混凝土，但ECC桩板墙支护结构的抗震性能尚不明确。由此，开展ECC桩板墙支护结构（ECC桩板）和普通钢筋混凝土浇筑的桩板墙支护结构（RC桩板）振动台试验，对比其动力响应和破坏特性。结果表明：ECC桩板的抗震性能优于RC桩板；在相同的地震动作用下，ECC桩板支护下边坡的动力响应小于RC桩板支护时，在更高强度的地震动作用下，相同材料强度的ECC桩板可保证边坡稳定性；在动力作用下，ECC桩板和RC桩板表现出较明显的弹性和弹塑性，在输入地震动较小时，两种支护结构的动力响应较为一致；当输入地震动峰值较大时，ECC桩板支护下边坡的加速度放大系数为RC桩板支护下的0.77~0.9倍，ECC桩板和RC桩板的桩背动土压力分布都表现为“双峰型”，RC桩背动土压力峰值为ECC桩背的5倍左右；两种支护结构的桩顶残余位移与震级呈指数关系，RC桩板的桩顶残余位移为ECC桩板的2倍。破坏阶段，ECC桩板仅在嵌固端面出现多条细微裂缝，RC桩板出现抗弯破坏特征，钢筋和混凝土相对滑移明显，位移不可控。     

Membrane action in lateral restraint reinforced concrete slabs

Based on the assumption of additional three-hinge arching action, an analytical method was proposed to predict the additional load of lateral restraint reinforced concrete (RC) slab under compressive membrane action (CMA), and its ultimate load could be obtained by adding pure bending load. The experiment of twelve one-way RC slabs supported by shear-walls was carried out, and the calculations of this proposed method provide good predictions for the experimental evidences. The influence of some design parameters on bearing capacity was also investigated. It is shown that the effect of vertical load on ending shear-wall on the ultimate load capacity can be generally neglected when the bending restraint is satisfied. The additional load capacity also decreases with the increase of the span-to-height ratio of central slab. When reducing the reinforcement area, the additional load capacity is increased, and this method can be used to save steel or enhance the ultimate load capacity of low steel ratio slab.     

近海盐雾区钢筋混凝土圆形截面构件承载力退化研究

基于半无限平板单元的平板扩散模型常常直接被用来预测钢筋混凝土圆柱开始腐蚀时间,而忽视截面形状对氯离子扩散的影响。采用考虑时变性及圆形形状特性的扩散方程,分析了近海盐雾区圆形截面形状对开始腐蚀时间的影响。分析结果表明,海岸线距离越远、半径越小,采用平板扩散模型高估开始腐蚀时间的现象越明显。提出腐蚀钢筋混凝土圆柱截面承载力计算模型,进一步探讨了半径对不同服役期近海盐雾区截面承载力退化率的影响。研究结果表明,随着半径的增大,钢筋腐蚀对截面承载力的影响变小。当混凝土圆柱暴露在重度盐雾区时,可直接采用平板扩散模型评估钢筋开始腐蚀时间。为了控制采用平板扩散模型所引起的退化率差值在5%内,当钢筋混凝土圆柱暴露在轻度盐雾区且半径小60 cm时,需考虑形状对开始腐蚀时间的影响,进一步评估圆柱截面不同服役期截面剩余承载力。     

高温下FRP加固钢筋混凝土板非线性分析

为了给FRP加固钢筋混凝土板的耐火性能研究提供数值计算方法,实现FRP加固板高温下的热-力学耦合分析,在合理选取混凝土、钢筋及FRP材料力学性能参数的基础上,编制了FRP加固板高温下的非线性有限元分析程序,程序的有效性得到了已有试验结果的验证.基于程序对薄涂型防火涂料厚度、载荷比、混凝土板纵筋配筋率、FRP加固量、混凝土板厚及钢筋保护层厚度等对影响加固板跨中位移的相关参数进行计算分析.结果表明:防火涂料厚度、火灾载荷比以及FRP加固量对加固板耐火性能有显著影响;混凝土板厚及钢筋保护层厚度也对火灾下的加固板挠度产生影响;而跨中挠度随混凝土板纵筋配筋率的变化不明显.     

T形板肋对预制带肋底板混凝土叠合板弯曲疲劳性能的影响

为研究T形板肋对预制带肋底板混凝土叠合板弯曲疲劳性能的影响,对3块T形肋底板叠合板和1块整浇板进行弯曲疲劳性能对比试验,主要考察T形板肋与疲劳荷载幅值对试件疲劳破坏形态及疲劳损伤程度的影响,得到了在不同疲劳循环加载次数下的跨中动位移、混凝土应变、预应力筋应变、残余变形等,分析了在不同疲劳循环加载次数下的刚度退化情况、荷载-应变分布规律、裂缝分布规律及剩余承载力等。研究结果表明,经历200万次疲劳循环加载后,T形肋底板叠合板无明显的刚度和强度退化,增设T形板肋的叠合板能达到与整浇板相同的弯曲疲劳性能;T形肋底板叠合板正截面弯曲疲劳强度计算可采用普通预应力混凝土受弯构件正截面疲劳应力验算的4个假定,最终以此建立了其正截面弯曲疲劳强度验算方法。     

基于IDA的自复位预制剪力墙抗倒塌能力分析

自复位预制混凝土剪力墙通过预应力筋将分段预制墙片沿竖向拼接形成整体,同时在墙底部设置普通钢筋以增加耗能能力。前期的试验研究和数值模拟结果表明,自复位预制混凝土剪力墙具有损伤破坏程度轻、震后残余变形小的特点,是具有震后可恢复功能的抗震结构体系。为进一步研究该类体系在强地震动输入下的性能,特别是抗倒塌性能,设计了4层和6层原型结构,分别采用自复位预制混凝土剪力墙和传统钢筋混凝土剪力墙作为主要抗侧力构件。通过前期试验结果,建立了可靠的数值分析模型,用于后续倒塌分析。采用44条地震动输入对各原型结构进行非线性增量动力时程分析,并建立各自的倒塌易损性曲线,在此基础上采用FEMA P695标准评估和比较各原型结构的抗倒塌能力。分析结果表明,由于耗能能力略小的原因,自复位预制混凝土剪力墙在罕遇地震作用下的水平位移比传统现浇剪力墙稍大,但其在强震作用后的残余变形则明显小于普通钢筋混凝土剪力墙,即具备良好的震后自复位性能。倒塌易损性曲线的对比表明自复位预制剪力墙的变形能力显著优于普通剪力墙,因此震后损伤破坏程度轻。采用FEMA P695标准的方法对各原型结构抗倒塌能力评估结果表明,作者设计的4层和6层自复位预制剪力墙具有与普通现浇剪力墙接近的抗倒塌能力和地震安全冗余度,满足FEMA P695对结构抗倒塌安全性的要求。