混凝土结构中考虑滑移效应的钢筋本构模型研究

以钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）结构中的钢筋滑移效应为研究对象,通过黏结应力分布简化模型,得到了钢筋应力-滑移关系,基于已有拉拔试验数据验证了该钢筋滑移关系的可靠性。结合塑性铰长度模型建立了可考虑滑移效应的钢筋应力-应变理论关系,分析了混凝土强度、钢筋直径和塑性铰长度等参数对该关系的影响,提出了考虑滑移效应的双线性钢筋本构模型。基于OpenSEES有限元平台,将该模型用于纤维截面的宏观单元模型中模拟RC柱的侧向荷载-位移反应,通过与已有试验结果、不考虑钢筋滑移效应的纤维模型计算结果及考虑钢筋滑移效应的零长度纤维模型计算结果进行对比分析,验证了本文模型的精度和可靠性,并对其适用范围进行了讨论。结果表明,基于本文钢筋本构的纤维模型可以更为准确地计算RC柱的荷载-位移曲线,且能够考虑由钢筋滑移变形引起的柱顶附加水平位移。     

基于C语言的RC梁截面M-φ曲线研究

根据混凝土梁截面弯曲变形平截面假定和钢筋与混凝土各自的材料本构关系推导了梁单元在弯矩轴力下截面内力的计算公式,并通过他们提出了数值计算的方法和步骤,利用C语言实现了编程计算,通过程序进行RC梁单元从开始加载到破坏的全过程非线性分析,得出了截面M-φ曲线,得出了合理的计算结果,特别是曲线下降段的结果,最后研究了不同本构关系对RC梁截面M-φ曲线下降段的影响。     

基于截面轴力与弯矩屈服面本构积分的梁-柱单元

梁-柱单元模型是杆系结构有限元分析的基础,现有的塑性铰模型和纤维模型无法兼顾计算精度与效率。该文依托Euler-Bernoulli梁理论,并以塑性理论和数值方法为基础,选用截面组合思想构建截面的轴力与弯矩的屈服面,提出了在截面内力空间上基于轴力与弯矩屈服面进行截面本构积分的平面梁柱单元。通过一悬臂柱的静力弹塑性分析和框架柱的动力弹塑性分析算例,验证了所提出的截面轴力弯矩(NM)耦合单元模型,在计算精度上接近纤维模型,在计算效率上远高于纤维模型。     

低速冲击下RC梁的动态响应和破坏机理研究

考虑材料非线性和应变率相关性等因素的影响,运用LS_DYNA非线性有限元软件对RC梁横向低速冲击试验进行了数值模拟,从动态损伤扩展、冲击能量转化等方面研究了RC梁的冲击响应过程和破坏机理。结果表明：RC梁的冲击响应过程可分为局部响应、整体响应和回弹变形三个阶段;RC梁的损伤主要发生在局部响应阶段,梁体变形主要发生在整体响应阶段;局部响应阶段的冲击力完全由梁体惯性力平衡,整体响应阶段的变形模式和截面弯矩分布与刚塑性模型基本相同;受拉钢筋变形耗能是RC梁最主要的冲击耗能机制。     

CFRP 纤维布加固RC 柱的有限元分析模型

为了建立统一的碳纤维(CFRP) 布加固钢筋混凝土(RC) 柱的抗震性能的评价手段, 基于二维有限元分析研究探讨分析模型; 对3 个CFRP 布加固RC 柱进行了2D-FEA 参数模拟分析, 考察了现存的裂缝模型、材料本构关系、混凝土的压缩模型对分析结果的影响。通过分析比较得出, 混凝土使用Darwin-Pecknold 的等价一轴应变模型能很好地模拟CFRP 布加固的RC 柱的非线性特性及其强度; 而且修正Kent-Park 模型能够较好地模拟箍筋、CFRP 布对混凝土的横向约束作用, 同时Darwin 的破坏准则可以较好地评价二轴应力下混凝土的破坏过程。通过考察CFRP 布加固的RC 柱的荷载-变形关系、柱子反弯点和柱脚处混凝土、钢筋和CFRP 的应力-应变的发展, 进一步证实了CFRP 布对RC 柱的抗震加固十分有效。      

不锈钢焊接截面简支梁非线性变形性能研究

为研究不锈钢梁非线性变形性能,对5根不锈钢焊接工字形截面梁开展三点弯曲加载试验。建立了考虑不锈钢材料非线性、构件几何初始缺陷和截面焊接残余应力的有限元模型,根据试验结果对数值模型的准确性进行验证。基于验证的有限元模型,对中国CECS 410《不锈钢结构技术规程》和Real-Mirambell建议的不锈钢梁挠度计算方法进行分析。在此基础上,根据平截面假定和不锈钢应力–应变关系曲线,提出不锈钢梁截面屈服弯矩M_0.2的简化计算公式;考虑截面焊接残余应力对梁初始变形刚度的不利影响,提出针对不同材料牌号梁变形刚度的折减系数建议取值,对CECS 410和Real-Mirambell的挠度计算方法进行修正。分析结果表明,修正公式能够准确合理地计算不锈钢焊接工字形梁的挠度。     

钢筋混凝土黏结滑移效应计算方法与应用

以钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)结构中锚固区域的黏结滑移效应为研究对象,基于一致黏结滑移本构模型,根据微元法建立锚固区域控制方程,通过积分计算并考虑实际工程中的边界条件,解得钢筋应力-滑移关系解析模型,与既有拉拔试验数据对比,验证了该解析模型的可靠性。进而,基于OpenSEES有限元平台,将模型与零长度纤维截面单元嵌套,结合纤维梁柱单元,建立考虑钢筋黏结滑移效应的数值建模方法。通过与既有RC构件的拟静力试验及应用传统宏观本构的数值模型进行对比,从构件层面进一步对解析模型的可靠性进行验证。结果表明：提出的钢筋应力-滑移模型能较好的反映长锚固钢筋受拉时的滑移行为;应用钢筋应力-滑移模型的零长度纤维模型能较为准确地计算RC柱的滞回曲线,相较于应用传统宏观本构的数值模型,提高了RC柱刚度与强度及其退化规律的预测精度,且对于不同设计参数的RC构件,能够更加准确的表征不同加载状态下的钢筋滑移行为。     

考虑粘结滑移的SRC梁柱单元宏观模型建模理论及方法研究

基于型钢混凝土组合结构粘结滑移机理,将型钢混凝土梁柱单元积分段中型钢纤维的轴向变形分为型钢的轴向变形和粘结滑移两部分,依据平截面假定,以此来描述型钢和混凝土变形的差异,从而反映粘结滑移效应。通过将粘结滑移本构引入到既有的型钢单轴本构模型中,推导出考虑粘结滑移效应型钢本构模型,并提出纤维状态的确定方法。利用OpenSEES有限元平台,将建立的材料本构模型植入到软件中,并应用该材料对SRC框架柱进行数值模拟分析。通过模拟结果与试验结果的对比,验证新材料的合理性和准确性。     

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱塑性铰区弯矩-转角恢复力模型

采用Clough双线性恢复力模型作为双壁空心管柱塑性铰区弯矩-转角关系恢复力模型。推导了骨架线上两个控制点即屈服点和极限点的弯矩、转角计算式。基于建立的弯矩-转角恢复力模型,计算了9个双壁空心管柱试件截面的屈服弯矩和极限弯矩以及水平力加载位置的屈服水平位移、极限水平位移和水平力-位移滞回曲线,计算结果与试验结果符合较好。     

500 MPa级钢筋自密实混凝土偏压短柱受力性能试验及有限元模拟分析

通过对7根500 MPa级钢筋自密实混凝土短柱试件的偏心受压试验,研究了试件的受力特征以及高强钢筋与自密实混凝土之间的协同工作性能。试验结果表明,500 MPa级钢筋在柱中与自密实混凝土协同工作性能良好,试件在偏心受压全过程中基本符合平截面假定。采用ABAQUS软件,建立500 MPa级钢筋自密实混凝土偏压短柱的有限元模型,利用试验实测结果验证模型的适用性与可靠度,并分析自密实混凝土强度、初始荷载偏心距和纵筋配筋率对偏心受压短柱力学性能的影响规律。试验实测值与有限元模拟分析结果表明,500MPa级钢筋自密实混凝土偏压短柱正截面受压承载力可采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中的相关公式计算;为保证一定的安全储备,建议500 MPa级钢筋的设计强度取值为f_sd=f_sd'=420 MPa,材料分项系数取值为γ_s=1.2。     

反复水平荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱抗震性能的数值分析

建立考虑材料非线性、几何非线性、几何初始缺陷、残余应力影响的有限元模型,对反复水平荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱的受力性能进行模拟分析。通过与相关试验结果的比较,验证了有限元模型的正确性。在此基础上,对85个箱形构件进行数值分析,研究反复水平荷载作用下常偏压箱形钢柱的抗震性能。研究结果表明,腹板宽厚比是影响构件抗震性能的最主要因素,腹板宽厚比越大,构件的刚度、承载力退化越严重,延性越差。对于中等长细比的构件,当轴压比较小时,构件的抗震性能受整体失稳、局部屈曲和塑性变形的相互影响;但当轴压比较大时,整体失稳将起控制作用。柱顶弯矩使构件的骨架曲线发生平移,但柱顶弯矩对构件抗震性能的影响相对较小。根据有限元计算结果,回归出反复荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱可承受的最大柱顶剪力和位移延性系数的拟合公式。     

带约束拉杆十形截面钢管内核心混凝土的等效单轴本构关系

介绍了11 个带约束拉杆和5 个不带约束拉杆的十形截面钢管混凝土轴压短柱试件的试验研究,讨论在不同约束拉杆间距与直径、钢板厚度与屈服强度、截面尺寸下试件的破坏与承载力特点。分析了带约束拉杆十形截面钢管混凝土的约束特点。在合理假定的基础上,将十形钢管混凝土截面划分成1 个无拉杆的方形和4 个有拉杆的矩形钢管混凝土区域,借鉴约束混凝土本构模型,建立了力学概念清晰的各区域核心混凝土等效单轴本构关系。采用建议的本构关系对相关试验的试件进行了荷载-应变全过程分析,计算曲线和试验曲线吻合良好。     

钢筋混凝土柱纵筋屈曲长度简化计算模型

为研究钢筋混凝土柱在地震作用下的纵筋屈曲及影响因素,该文基于最小能量原理,提出了考虑钢筋非线性的纵筋屈曲长度简化计算模型。采用不同配筋形式的73个矩形钢筋混凝土柱,验证简化屈曲模型的可靠性,并与Dhakal和Maekawa提出的简化计算模型（D&M模型）进行对比分析。结果表明：屈曲时纵筋进入非线性,通过误差分析,纵筋等效弹性模量取0.025倍钢筋初始弹性模量;箍筋对纵筋的侧向约束可简化为线性弹簧,弹簧刚度与箍筋截面面积及配箍形式有关;简化计算模型可以较好地预测纵筋屈曲长度,预测结果明显优于D&M模型。     

预应力钢绞线网加固钢筋混凝土柱恢复力模型研究

基于16根采用新型预应力钢绞线网张拉锚固技术加固的钢筋混凝土柱和2根对比柱在反复荷载作用下的试验结果, 进行了恢复力模型研究。结合之前相关试验研究, 确定出材料的本构关系, 建立了预应力高强钢绞线网约束加固钢筋混凝土的应力-应变关系方程;考虑构件轴力的二次矩效应, 提出了在反复荷载下预应力加固钢筋混凝土柱骨架曲线的计算方法, 建立了相应理论模型;结合Clough滞回规则, 建立了相应的恢复力模型。研究表明：对试验的材料本构关系适当简化, 通过合理的假定, 由基本的内外力平衡方程和简单的滞回规则, 可得到构件从加载到破坏全过程与试验吻合良好的骨架曲线和滞回曲线, 由此建立的恢复力模型简单、适用, 可为预应力高强钢绞线网加固钢筋混凝土柱设计和施工提供参考。     

600MPa级钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

为研究配置600 MPa级钢筋混凝土柱的抗震性能,对5个配置600 MPa级钢筋混凝土柱和1个对比普通钢筋混凝土柱进行低周往复荷载试验;分析了钢筋强度、箍筋间距和轴压比对试件破坏形态、滞回性能、承载力及延性、耗能性能以及刚度与强度退化的影响。研究结果表明：试件仍主要发生弯曲破坏,但600 MPa级纵筋与混凝土间出现了明显的粘结失效,且纵筋容易断裂;提高钢筋强度,试件的承载力和能量耗散均显著增加,但延性和耗能能力有所降低;而增大箍筋间距会明显降低试件延性和耗能能力,加快试件后期的强度衰减,但基本不影响承载力。总体上看,600 MPa级钢筋混凝土柱具有较好的抗震性能,能通过合理的设计将其应用于抗震结构中。     

RC columns externally strengthened with RC jackets

In this paper the behaviour in compression of RC columns externally strengthened with concrete jacketing is analysed and a cross-section analysis of the jacketed member under axial load and bending moment is developed. The focus was to study the effect of confinement of concrete jacket on concrete core and the behaviour of compressed bars with buckling effects. Some other important aspects such as shrinkage, creep, old to new concrete surfaces and bond split effects were not included in the model because: the use of thick non-shrink grout jacket and a well-roughened surface of old-to-new concrete was supposed; long term effects were included though corrective coefficients for monolithic behaviour proposed in the literature. A preliminary validation of the model adopted was made referring to the short-term experimental data available in the literature on the compressive behaviour of RC columns strengthened with concrete jacketing. Good agreement was obtained with the available data in terms of moment-axial force domains and moment–curvature diagrams. The analysis showed the effectiveness of this reinforcing technique in improving both the strength and the ductility of RC cross-sections of columns, highlighting the importance of an accurate choice of strengthened materials (concrete grade, thickness of jacket, space and diameter of stirrups, etc.).     

HRB600钢筋屈曲受力性能试验研究

HRB600高强钢筋已纳入我国钢筋产品国家标准,并商业化生产,但关于其非弹性屈曲受力性能、考虑屈曲的低周疲劳损伤模型的研究成果很少。对于HRB600高强钢筋的原状试件,该文完成了10个单调受压屈曲试验、16个考虑屈曲的循环拉压试验,测量了屈曲钢筋的平均应力-平均应变曲线和跨中横向位移,分析了非弹性屈曲对HRB600钢筋受压强度退化的影响,以及屈曲方向对试件强度退化、疲劳损伤的影响,提出了适用于HRB600高强钢筋、可考虑屈曲效应和不同加载方式影响的修正低周疲劳损伤模型。研究结果表明:单调受压屈曲时HRB600钢筋屈曲方向稳定,随长径比增大钢筋屈曲后强度退化加快;循环加载时HRB600钢筋屈曲方向不稳定,导致局部塑性应变集中和疲劳损伤对钢筋屈曲后强度退化的不利影响减轻;传统低周疲劳损伤模型明显低估了HRB600钢筋屈曲后的疲劳损伤,修正疲劳损伤模型能合理地考虑屈曲对HRB600钢筋低周疲劳损伤和断裂的影响。     

基于拟力法的钢支撑非线性滞回行为模拟

钢支撑在轴力作用下会同时发生材料非线性和几何非线性,复杂的力与变形关系是数值模拟过程中的重点与难点。该文基于拟力法的基本理论,提出了支撑非线性滞回行为的计算模型,通过塑性转动铰来模拟由屈曲行为引起的塑性弯曲变形;通过滑动铰来模拟由拉伸屈服和增长效应产生的轴向塑性伸长行为,模型中计及了弹性弯曲变形本身的几何非线性行为。该模型物理意义简单、力学行为明确,在模拟支撑非线性滞回行为的过程中保持初始刚度不变,塑性铰的变形可直观地衡量支撑的屈曲程度。数值模拟与试验结果对比验证了该方法的精确性与适用性。将该模型应用于某钢框架-支撑结构地震反应分析中,计算结果表明：该方法可以模拟支撑在复杂荷载作用下的非线性行为,具备拟力法所特有的精确、高效及稳定等优点。     

Finite element investigations on the dynamic plastic buckling of a slender beam subject to axial impact

The dynamic plastic buckling response of slender beams, with geometric imperfections, subject to an axial impact is modelled by the finite element method. One of the primary objectives for the current study was the development of an accurate numerical model, which was validated by comparison with experimental investigations. A sensitivity analysis was conducted that considered the element aspect ratio, element formulation, constitutive relationship, boundary condition and type of geometric imperfection. The buckling response was defined by a normalized modal parameter as a function of the effective slenderness ratio. The normalized modal parameter accounted for the axial position and amplitude of the transverse peak buckle with respect to the local stiffness characteristics and natural frequency parameters. For the parameters considered, the influence of modelled boundary conditions and element formulation on the computed buckling response was established. In relative terms, the aspect ratio, imperfection model and contact mechanics was of secondary importance on the modal behaviour.