大跨半钢板混凝土简支梁承载力性能试验研究

为了研究大跨半钢板混凝土组合梁的承载力和变形性能, 对一个1∶3缩尺的大跨简支梁试件进行了静载试验研究。通过分析试件在加载过程中的挠度、应变和裂缝的发展, 研究了此类构件的受力特点和破坏形态, 结果表明该类型构件中的钢板、混凝土和钢筋能够很好的协同工作, 整个构件具有较高的承载力和刚度, 同时表现出很好的延性。最后, 通过对比实测数据和理论计算结果, 检验了现行规程中组合梁正截面抗弯承载力和短期刚度的计算公式, 为工程设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

新型U形外包钢-钢筋砼T形截面组合梁的试验

对新型U形外包钢-钢筋混凝土组合简支梁在施工状态下及在正常使用(组合)状态下的性能进行了试验。试验观察到的结构工作性能与试验前对其工作性能的预测基本一致。该组合梁在施工状态下,外部U形钢板独自承担着来自预应力砼预制板构件的偏心荷载,在该偏心荷载作用下,构件产生很小的变形。对于跨度为6m的边梁,在施工过程中需要在梁的跨中截面处设置一个临时支撑,用来阻止U形外包钢的侧边钢板的扭转屈曲变形。在正常使用(组合)状态下,该组合梁的抗剪承载力试验值大大超过有限元软件的理论计算值。试件的荷载-位移曲线表明,该组合梁结构具有很好的延性。在试件破坏前,组合梁中的混凝土和U形外包钢截面之间具有较好的粘结性能。     

FRP布加固混凝土框架子结构抗连续倒塌的精细有限元分析EI北大核心CSCD

外贴FRP布加固是一种有效提高既有建筑抗连续倒塌性能的手段,但现有FRP布加固方式存在降低结构抗震性能、加固施工不便等缺点。该文采用数值模拟方法分析了FRP布加固方式对现浇和装配式混凝土框架子结构抗连续倒塌与抗震性能的影响,并开展了优化方案研究。基于通用有限元软件LS-DYNA建立了FRP布加固混凝土框架子结构的连续倒塌精细数值模型,其中混凝土、钢筋与FRP布分别采用实体、梁与壳单元进行模拟,考虑了FRP布和钢筋的滑移、新旧混凝土界面的粘结失效和机械套筒处的钢筋截面损失。试验验证表明该方法可准确模拟试验试件的破坏模式和承载力发展。分析试验试件的不同粘贴方案结果发现:对现浇混凝土子结构,梁底与梁侧中性轴粘贴纵向FRP布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布后,小变形下的结构倒塌抗力提升有限(最大仅2.6%)、基本不影响结构抗震性能,而对大变形下的结构倒塌抗力提升幅度可达49.5%;对于装配式混凝土子结构,在梁底、梁顶与梁侧底部外贴纵向布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布可将小变形和大变形下的结构抗力最大提升24.2%和48.1%,使得装配式子结构在小变形下受力等同现浇结构,提升了原装配式子结构的抗震性能。对上述最优方案进一步的分析表明:保持FRP布用量不变而将塑性铰区内U形横向FRP布的分布范围和条数增加可提高大变形下的结构倒塌抗力,而不影响小变形下的加固效果。     

钢筋混凝土楼板连续倒塌的一种简化模拟方法

楼板作为框架结构的重要组成构件,显著影响结构抗连续倒塌性能。该文提出了一种新的钢筋混凝土楼板简化数值模拟方法,把楼板沿两个平面方向离散形成一个梁网,每个方向上的网络线采用纤维梁单元来模拟钢筋和混凝土的组合受力行为。其中,采用T/L形截面的纤维梁单元模拟楼板边缘区域的梁板交界节点,以考虑楼板对梁在连续倒塌小变形下弯曲受力以及破坏形态的影响;采用矩形截面的纤维梁单元模拟楼板的中心区域,以考虑楼板在大变形下发挥的薄膜拉力。采用这种方法不仅解决了以往用壳单元模拟刚度过高的问题,还大大提高了整体结构的运算效率。该文对T/L形截面异形柱和单双向楼板试验分别进行模拟,结果表明该简化方法能够高效准确的模拟钢筋混凝土楼板的大变形力学行为,为整体结构的抗连续倒塌分析提供了有力的工具。     

L形截面钢筋混凝土柱的空间有限元计算

作者对等肢L形截面钢筋混凝土柱,在压弯和小扭矩共同作用下进行试验工作和有限元计算。结果表明：扭矩对于异形截面的大长细比构件的截面承载力,具有一定的影响。特别是在裂纹出现之后,扭矩将会加速构件的破坏。空间有限元程序考虑了混凝土单元开裂、压屈、压碎及钢筋屈服对刚度矩阵的作用,模拟了试件变形直至破坏的过程。对柱的数值计算符合试验分析的结果。     

型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术研究

采用ANSYS程序对6个型钢混凝土梁试件的受力性能进行非线性有限元数值分析,对型钢混凝土结构数值模拟中混凝土和钢材材料模型定义、有限元建模、钢筋单元生成及后处理等关键技术进行系统研究。着重对型钢混凝土粘结滑移性能的数值模拟技术进行了研究。采用由ANSYS程序单元库中非线性弹簧单元combination-39组成的三维连接单元模拟型钢混凝土在不同部位及不同方向上的界面相互作用,建议了非线性弹簧单元粘结力-滑移曲线与型钢混凝土粘结滑移本构关系的转换技术,并提出了生成非线性弹簧单元的实用方法。最终形成考虑粘结滑移的型钢混凝土数值模拟技术。型钢混凝土梁数值模拟结果与试验结果吻合较好,表明所建立型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术合理、可行,可适用于基于ANSYS程序的型钢混凝土结构有限元数值模拟和受力性能深入研究。     

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。     

基于钢板钢筋连接的拼接GFRP管混凝土组合构件抗弯性能试验研究

基于钢板钢筋连接的拼接GFRP管混凝土组合构件是利用在两个独立的GFRP管连接处的内部设置钢板钢筋连接件,再在内部浇筑混凝土,而形成的一种新的连续GFRP管混凝土组合构件。目前,国内外对拼接GFRP管混凝土组合构件的抗弯性能研究尚未见到相关报道,所以,该文对拼接GFRP管混凝土组合构件进行抗弯性能试验研究很有意义。试验结果表明,连接钢筋含量影响着拼接构件的破坏模式,含钢率为1.96%的试件破坏发生在连接处,含钢率为2.94%的试件破坏发生在焊接钢筋端部附近,此外,含钢率高的试件承载力比含钢率低的明显高,并且拼接构件承载力均高于相应对比试件,说明,试验所采用的钢板钢筋连接是可行的,均能保证试件正常工作,建议最小含钢率取为1.96%。     

PRC连梁-混合联肢剪力墙抗震性能分析

PRC连梁-混合联肢剪力墙是将传统的钢筋混凝土联肢剪力墙中的混凝土连梁用钢板-混凝土组合（PRC）连梁代替而形成的一种新型结构体系,对其抗震性能尚缺乏系统研究。该文在对PRC小跨高比连梁构件研究成果的基础上,设计出了PRC连梁-混合联肢剪力墙的BS基本模型试件,利用有限元软件对PRC连梁-混合联肢剪力墙抗震性能进行数值模拟,研究了连梁内嵌钢板部分、连梁钢筋部分和混凝土部分的应力分布情况,分析了结构的塑性铰发展规律。研究了耦联率、连梁截面尺寸、单面墙肢高宽比、楼层总高度和楼板作用等参数对该种新型结构体系抗震性能的影响,建议适合于高烈度抗震设防区PRC连梁-混合联肢剪力墙合理耦联率的取值范围为40%~60%。     

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。     

复杂大跨空间钢结构施工过程综合监测技术研究

施工过程监测对复杂大跨空间结构的安装与施工具有重要意义。根据施工方法的不同,施工监测应选用针对性的监测指标。该文对大跨空间钢结构施工过程常用的监测指标与相应的监测手段或设备,以及新型监测技术进行详细地分析研究。结合北京新机场航站楼核心区钢结构屋盖施工过程,综合选取关键杆件应力应变监测、基于三维激光扫描的位移与变形监测以及重点区域无人机监测等手段,对结构施工过程的受力特征、变形与部分施工质量问题进行详细监测和检查。该综合监测技术为复杂大跨空间钢结构的施工提供了全面可靠的解决方案。     

大跨度屋盖钢桁架安装控制技术

湿地论坛·国际会议中心项目主体结构为现浇混凝土框架结构，中央大厅屋盖为空间钢桁架结构。屋盖钢桁架跨度大，高空安装精度高，施工难度大。为提高钢桁架安装精度，本文使用Midas计算软件对桁架变形进行模拟分析，通过控制钢桁架在施工过程中的变形，提高了钢桁架安装精度，确定了较为先进合理的屋盖钢桁架施工工艺。     

高延性混凝土加固钢筋混凝土梁抗震性能试验研究

为研究高延性混凝土(HDC)加固钢筋混凝土(RC)梁的抗震性能,设计了8个RC梁试件,采用HDC和碳纤维布(CFRP)条带加固,通过低周反复荷载试验,研究剪跨比、加固方式对其破坏形态、变形和耗能能力等的影响。试验结果表明:采用HDC围套加固RC梁,HDC面层良好的拉伸应变硬化和多裂缝开展特性能有效控制剪切裂缝发展,明显改善构件的脆性破坏特征;HDC加固层与原构件协同工作良好,加固层对内部混凝土形成良好的约束作用,HDC加固梁的承载力、变形和耗能能力明显提高,其加固效果明显优于CFRP条带加固;剪跨比较大时,在HDC加固层配置钢筋网,试件的变形和耗能能力明显提高,但对承载力贡献较小。基于桁架-拱模型理论,提出HDC加固梁的抗剪承载力计算方法,计算结果与试验值吻合较好。     

小剪跨比钢板-混凝土组合板抗剪性能的试验研究

通过2块小剪跨比钢板-混凝土组合板试件在集中力作用下抗剪性能试验,对组合板抗剪性能进行了初步分析。试验中主要变化了钢板厚度,得到组合板的极限承载力、变形、受剪破坏形态以及裂缝的发展情况。试验结果表明:小剪跨比钢板-混凝土组合板试件中混凝土最终破坏以斜压破坏为主;通过栓钉的连接,钢板和混凝土协同工作性能良好;截面应变分布基本符合平截面假定。钢板通过栓钉与混凝土的组合效应,显著提高了混凝土的抗剪能力,同时也改善了构件整体延性,该试验的组合板中钢板承担的剪力占总剪力的50%左右。     

钢板-混凝土组合板抗剪承载性能的试验研究与数值分析

主要通过试验研究与数值模拟,分析钢板-混凝土组合板在受剪状态下的承载力、变形、裂缝发展情况以及钢板与混凝土参与抗剪程度等。进行了3块钢板-混凝土组合板试件和1块无钢板混凝土试件的抗剪承载力试验。结果表明:钢板-混凝土组合板试件的剪切破坏形式主要是斜拉破坏;钢板承担了约50%以上总剪力,由于钢板的协同作用,混凝土承担的剪力与按照规范计算的混凝土抗剪承载力相比有较大幅度的提高;随着栓钉间距的增大,构件的抗剪承载力减小。基于修正压力场理论对ABAQUS进行了材料层面的二次开发,建立了适合钢板-混凝土组合板抗剪分析的数值仿真模型,模拟结果与试验结果吻合较好。     

板柱节点冲剪破坏后的精细有限元分析

按实际结构构造建立了板柱节点的精细有限元模型,采用实体单元和梁单元分别模拟混凝土和钢筋,采用生死单元技术模拟冲剪过程中混凝土开裂和冲剪后的钢筋断裂。3类典型冲剪试验的模拟验证表明该方法可以准确模拟冲剪和冲剪后的位移和承载力。基于该模型对约束节点的冲剪受力全过程进行了进一步的分析,结果表明:面内约束的板柱节点试验中,整体性钢筋和受弯钢筋对冲剪后承载力贡献为42%和58%;提高配筋率对节点冲剪前后的刚度均提升显著,而板厚增加仅对节点冲剪前的承载力和刚度有显著提升;欧美澳中四国规范在计算约束节点冲剪强度值时至少仍有36%的承载力储备,现有冲剪后承载力计算方法低估了负弯矩钢筋贡献,其冲剪后强度的计算值也都低于试验值。