机场装配式预应力混凝土道面冲击荷载研究与数值模拟

通过重型落锤式弯沉仪模拟飞机冲击荷载对道面的作用，测试了柔性过渡层预应力混凝土道面的板底应力和竖向位移。采用ABAQUS有限元软件建立了3D模型，以现场弯沉值和板底应力数据，校检了有限元模型拟合程度。并分析了不同冲击荷载、不同柔性过渡层厚度、不同冲击位置3个因素对柔性过渡层预应力道面板抗冲击荷载性能的影响。现场试验与数值模拟结果表明：柔性过渡层可提高预应力道面的抵抗冲击性能，提升道面板使用寿命。     

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。     

冲击荷载下半柔性道面材料的本构关系研究

对半柔性道面特性分析后发现,半柔性道面材料能够适用于混凝土非线性弹性本构模型。在非线弹性本构模型的基础上引入损伤因子对本构方程进行优化,最终确定了冲击荷载下半柔性道面材料的动态本构方程。对3种不同空隙率的半柔性道面材料的试验数据进行拟合,发现优化后的方程可以较好地描述半柔性道面材料在冲击荷载下的动态力学性能。     

复杂动荷载作用下全级配混凝土损伤机理细观数值试验

提出了一种适用于复杂应力状态下的双折线弹性损伤模型,对混凝土试件进行了轴向拉压细观数值模拟试验,同时探讨了复杂应力状态下混凝土损伤破坏机理。然后基于实际工程采用的混凝土细观动态参数试验实测值,利用细观数值模型对循环荷载作用下全级配大坝混凝土试件进行了弯折损伤破坏模拟。其数值计算结果与材料试验测的数据吻合较好,进一步验证了在循环动荷载作用下预静载对动弯拉强度也存在强化现象。本文轴向拉压细观数值模拟试验表明,细观界面黏结强度是控制混凝土宏观抗压强度和宏观抗拉强度的关键参数,而黏结面泊松比的大小对混凝土宏观抗压强度影响很大。这个研究结果表明,混凝土材料受拉破坏机制与剪切破坏机制在本质上可统一为受拉破坏机制。     

泡沫混凝土回填层在地下复合结构中的抗爆特性分析

泡沫混凝土材料具有减振和吸收冲击能量的特点。应用ANSYS/LS-DYNA有限元程序对地下复合结构在爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模拟,分析了泡沫混凝土减振层对结构动力响应特性的影响。计算结果表明,泡沫混凝土减振层能够明显减小结构的动力响应;泡沫混凝土减振层的最佳厚度为毛洞半径的0.25倍左右。     

考虑荷载应力分布的机场刚性道面累积损伤优化模型

分析美国FAA道面设计法和利用通行覆盖率计算道面累积损伤存在的缺陷,提出刚性道面累积损伤模型须考虑道面板荷载应力分布的影响。提出飞机对道面的作用以覆盖作用曲线表示,且服从正态分布规律,根据主起落架构型的等效原则,得到覆盖作用曲线和总通行覆盖次数的确定方法;研究道面板荷载应力的分布规律,以荷载作用位置中心点至道面板纵向中心线的横向距离与板宽的比例为参数,将道面板纵向上各点的荷载应力的最大值映射到板的横边,建立道面板横向应力分布函数;利用覆盖作用曲线与应力分布函数建立道面板的累积损伤优化模型,实例验证模型的正确性,该模型可应用于刚性道面结构和道面分块的优化设计。     

侧向冲击作用下圆钢管混凝土构件的数值模拟分析

首先利用LS—DYNA程序对一圆钢管混凝土构件落锤冲击试验进行数值模拟;然后对1根两端固支的钢管混凝土构件在侧向冲击作用下的动力响应进行分析,模拟过程中混凝土采用能较好模拟复杂试验结果的CONCRETE_DAMAGE_REL3模型,钢管采用随动硬化模型,同时通过共用节点方法模拟钢管和混凝土之间的相互作用,通过面面接触方式模拟冲击体与构件之间的接触作用;最后对两端固支的钢管混凝土构件在不同条件下的动力响应进行比较和分析,得到了冲击体动能、冲量对构件变形、支座和跨中内力的影响。结果表明：试验结果与数值模拟结果符合较好,采用该数值模拟方法可以很好地模拟圆钢管混凝土构件在侧向冲击荷载作用下的动力响应。     

连续冲击下钢筋混凝土板的动态响应分析

为了研究连续增幅冲击下钢筋混凝土板的动态效应,采用LS-DYNA显示动力算法对板件进行了3次连续冲击荷载下的数值模拟试验,分析了3次冲击的破坏模式,并提取了其能量时程曲线和冲击力时程曲线。结果表明,在连续冲击荷载作用下,混凝土的损伤面积逐次增大,条状裂缝宽度也随之扩大,冲击响应变得更加复杂;随着冲击能量输入的增加,混凝土板将不再能独自完成能量的转换,钢筋在冲击过程中会起到良好的能量耗散的作用;落锤冲击力峰值随着落锤高度的增加而变大,冲击力首个波段时长随着板件损伤程度的加深而变长。     

围压作用下类岩材料动态力学特性研究北大核心

为了研究动荷载作用下不同围压水平对类岩材料混凝土力学特性的影响。从混凝土细观结构出发,建立混凝土随机骨料塑性损伤模型,根据混凝土破坏强度的数值试验确定方法,施加冲击荷载,计算了不同围压水平下混凝土的破坏强度和破坏位移,分析了不同围压水平下的破坏形态。结果表明:混凝土属于围压敏感性材料,加载速率不变,随着围压的不断增大,混凝土的动强度、破坏位移以及残余强度也在不断提高,两者成线性增长关系;围压不变,随着加载速率的提高,混凝土的动强度和破坏位移非线性提高,残余强度基本不变。围压大小不同,混凝土材料内部应力分布不同,导致混凝土的破坏类型发生变化,反映出破坏面形状和大小不同。该模型可以比较好的模拟围压作用下混凝土的动力特性。     

再生混凝土的冲击力学特性及本构模型研究

为了解再生混凝土的冲击力学性能,以粗骨料全取代下的再生混凝土试样为材料,利用霍普金森压杆对其进行不同冲击气压下的动态单轴压缩试验,对其动力学特性进行分析,结果表明：冲击荷载下,再生混凝土的应力-应变曲线分为3个阶段,即线弹性阶段、塑性发展阶段和破坏阶段;当应变率小于60 s-1时,再生混凝土的应力-应变曲线存在明显的回弹现象;再生混凝土的动力学参数存在明显的应变率增强效应,其中动态峰值应力与应变率呈线性关系,动态弹性模量与应变率呈指数关系,动态应力增长因子与应变率的自然对数呈指数关系;建立的基于界面脱黏损伤的再生混凝土动态本构模型与试验曲线吻合度良好,该模型可以表征再生混凝土在冲击荷载下的本构曲线特征。为再生混凝土冲击力学性能、动力参数及本构关系的研究提供指导和依据。     

Performance of steel bridge deck pavement structure with ultra high performance concrete based on resin bonding

This research investigated a pavement system on steel bridge decks that use epoxy resin (EP) bonded ultra-high performance concrete (UHPC). Through FEM analysis and static and dynamic bending fatigue tests of the composite structure, the influences of the interface of the pavement layer, reinforcement, and different paving materials on the structural performance were compared and analyzed. The results show that the resin bonded UHPC pavement structure can reduce the weld strain in the steel plate by about 32% and the relative deflection between ribs by about 52% under standard axial load conditions compared to traditional pavements. The EP bonding layer can nearly double the drawing strength of the pavement interface from 1.3 MPa, and improve the bending resistance of the UHPC structure on steel bridge decks by about 50%; the bending resistance of reinforced UHPC structures is twice that of unreinforced UHPC structure, and the dynamic deflection of the UHPC pavement structure increases exponentially with increasing fatigue load. The fatigue life is about 1.2 × 10⁷ cycles under a fixed force of 9 kN and a dynamic deflection of 0.35 mm, which meets the requirements for fatigue performance of pavements on steel bridge decks under traffic conditions of large flow and heavy load.     

Performance of soft-hard-soft (SHS) cement based composite subjected to blast loading with consideration of interface properties

This paper presents a combined experimental and numerical study on the damage and performance of a soft-hard-soft (SHS) multi-layer cement based composite subjected to blast loading which can be used for protective structures and infrastructures to resist extreme loadings, and the composite consists of three layers of construction materials including asphalt concrete (AC) on the top, high strength concrete (HSC) in the middle, and engineered cementitious composites (ECC) at the bottom. To better characterize the material properties under dynamic loading, interface properties of the composite were investigated through direct shear test and also used to validate the interface model. Strain rate effects of the asphalt concrete were also studied and both compressive and tensile dynamic increase factor (DIF) curves were improved based on split Hopkinson pressure bar (SHPB) test. A full-scale field blast test investigated the blast behavior of the composite materials. The numerical model was established by taking into account the strain rate effect of all concrete materials. Furthermore, the interface properties were also considered into the model. The numerical simulation using nonlinear finite element software LS-DYNA agrees closely with the experimental data. Both the numerical and field blast test indicated that the SHS composite exhibited high resistance against blast loading.     

持续荷载下混凝土抗压强度的时效模型

从现有混凝土棱柱体单调加栽的应力-应变全曲线和混凝土徐变计算模型出发，综合考虑持续荷载下混凝土抗压强度的徐变衰减效应和龄期增强效应，构建混凝土抗压时效强度的估算模型并编制了相应的计算机程序。通过对C20、C30和C40混凝土在持续荷载下多个性能指标及其变化规律进行计算分析，并与以往试验观察数据和有限元数值分析结果进行比较，验证了模型的合理性和实用性。     

高温条件下沥青路面结构剪应变分析

温度和应力荷载的耦合效应是评价沥青路面结构稳定性的关键因素。温度梯度和外荷载是路面结构变形和破坏的直接原因。基于沥青混合料热粘弹变形理论,建立了高温动态载荷作用下路面破坏的耦合动力学模型,模拟分析了沥青路面温度场和应力场的分布规律以及影响沥青路面破坏的关键因素。模拟结果与监测结果基本一致,表明该模型用于沥青路面日变温度分析是可靠的。天气情况对监测结果有很大影响,温度变化直接影响模量,进而影响压缩性和抗剪强度,但对竖向应力影响不大。通过对不同温度下沥青路面变形的监测和模拟结果的比较,进一步验证了模型的可靠性,为沥青路面的优化设计和损坏控制技术提供了关键参数。     

地震载荷作用下钢混梁柱节点多重屈服面模型

针对地震载荷作用下混凝土梁柱节点结构,提出了一个多屈服面强度模型。通过详细定义加载—卸载—再加载过程,该强度模型可以处理弹性变形、非相关流动、硬化和混凝土损伤。数值计算表明,该模型能够很好地模拟地震载荷作用下混凝土梁柱节点的变形行为。     

半柔性复合路面结构设计理论和设计方法

半柔性路面是一种在开级配沥青混合料中填充水泥胶浆而形成的兼具沥青路面与水泥混凝土路面特点的复合路面。通过对半柔性复合路面破坏状态调查,提出了相应的设计标准。结合半柔性复合路面材料的抗压模量、劈裂强度、应力应变关系曲线及其结构的荷载响应特点,提出了该路面结构的设计理论及设计方法。     

Cyclic behavior of prefabricated reinforced concrete frame with infill slit shear walls

A composite structural system consisting of prefabricated reinforced concrete frame with infill slit shear walls (PRCFW), with good ductility, is a new type of earthquake resistant structure. Pseudo-static tests were performed to evaluate the seismic behavior of the PRCFW system. Two one-bay, two-story PRCFW specimens were both built at onehalf scale. Additional computational research is also conducted to enhance the nonlinear analytical capabilities for this system. Combined with the concrete damaged plastic (CDP) model provided by finite element program ABAQUS and the constitutive model of concrete proposed by Chinese code, the damage process of the PRCFW structure under cyclic load is simulated. The simulated results show a good agreement with the test data, the dynamic behavior of the PRCFW system can be simulated sufficiently accurate and efficient to provide useful design information. The experimental and numerical study show that this system has the potential to offer good ductility and energy absorption capacity to dissipate input energy, and stiffness adequate for controlling drift for buildings located in earthquake-prone regions.     

沥青路面多尺度结构的荷载响应分析

为了从材料细观结构角度研究沥青路面结构的荷载响应,采用离散元方法,建立了柔性基层沥青路面典型结构模型,并进行了竖向荷载作用下沥青混凝土层应力和应变的计算,通过与经典路面响应程序计算结果的比较,验证了路面结构离散元模型和离散元计算方法的正确性.以验证过的路面结构模型为基础,采用较小的细观尺度描述了沥青混凝土结构层底部位置处粗集料、沥青砂浆和空隙的分布和体积大小,从而建立了路面结构的多尺度模型,并计算了荷载作用下多尺度模型的响应.结果表明,荷载引起的路面结构应力和应变在沥青混凝土内呈现显著的不均匀分布特征;粗集料与砂浆接触处的应力明显高于沥青砂浆内部的应力,两者的比值随着沥青砂浆模量的降低而增大;考虑材料细观结构后,粗集料与砂浆接触处的荷载响应明显高于宏观路面结构响应,而沥青砂浆内部的荷载应力小于不考虑细观结构时的宏观路面结构应力.     

关于半柔性复合路面结构设计的探讨

半柔性路面是一种在开级配沥青混合料中填充水泥胶浆而形成的兼具沥青路面与水泥混凝土路面特点的复合路面。本文通过对半柔性复合路面破坏状态调查,提出了相应的设计标准,结合半柔性复合路面材料的抗压模量、劈裂强度、应力应变关系曲线及其结构的荷载响应特点,提出了该路面结构的设计理论及设计方法。