基于ABAQUS的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土损伤塑性本构模型取值方法研究

该文基于ABAQUS有限元软件中的混凝土损伤塑性模型（CDPM）,研究钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的CDPM本构参数的取值方法,包括屈服面函数、塑性势能函数中参数的确定,以及单轴应力-应变关系的定义,并分析不同CDPM本构参数对数值结果的影响。通过对纤维混凝土材料的典型多轴加载力学行为以及混杂纤维混凝土柱构件的抗震性能进行了数值模拟并与文献试验结果进行对比,验证该取值方法的合理性及适用性。结果表明,采用CDPM并选择适当的本构参数能够准确地描述钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的非线性力学行为,该方法能够为纤维混凝土结构在复杂荷载状态下的精细化设计与分析提供参考。     

基于损伤的型钢混凝土构件数值分析

为了对型钢混凝土构件进行精细化建模分析,首先建立了仅依靠材料参数的混凝土本构关系以及损伤演化方程,根据型钢应变的发展以及屈曲影响,得到了型钢损伤本构模型.通过对型钢与混凝土粘结-滑移机理的进一步分析,进而建立了一种同时考虑粘结损伤和力学损伤的型钢与混凝土界面损伤模型,以合理考虑粘结-滑移对构件力学性能的影响.最后,对型...     

低屈服点钢材与Q345B和Q460D钢材本构关系对比研究

为进一步探讨材料本构行为对构件及结构受力性能的影响,首先,进行了LYP100低屈服点钢材的本构关系试验研究,分析此材料的单调性能、滞回性能、耗能能力及循环本构模型等。在此基础上,全面对比LYP100和LYP160低屈服点钢材、普通钢材（Q345B）及高强度钢材（Q460D）的本构关系。最后,通过对比不同钢材的循环本构模型以及理想弹塑性模型对结构构件滞回行为的预测结果,深入研究材料本构关系对构件及结构的重要影响。结果表明:低屈服点钢材单调以及循环强屈比均在2.0~3.0以上,是普通钢材以及高强度钢材的2.0倍~3.0倍。同时,低屈服点钢材具有更好的延性和耗能能力。由于低屈服点钢材具有显著的各向同性强化行为,其采用循环本构模型和理想弹塑性模型的计算结果差异更大。因此,在结构计算分析中,需要根据所采用的钢材选取适当的本构关系模型。     

高强箍筋约束高强混凝土轴心受压本构关系研究

约束混凝土是克服高强混凝土脆性的重要措施,采用高强箍筋约束能够有效的改善受压构件的力学性能。同时,约束混凝土的本构关系是结构非线性分析的基础,本构关系的选取对计算结果的合理性有显著影响。该文基于多组高强箍筋约束高强混凝土轴压试验数据,提出了改进的约束混凝土本构模型,分析了高强箍筋应力的发挥水平,给出了约束混凝土峰值应力、峰值应变和极限应变的计算公式。计算结果表明建议的本构模型与试验曲线符合较好。该模型可用于高强箍筋约束混凝土构件的非线性分析。     

再生粗骨料混凝土应力-应变关系

再生粗骨料混凝土应力-应变关系是实现其材料到结构力学分析的桥梁纽带,成为再生粗骨料混凝土结构基础理论的基石。介绍了作者团队多年来在再生粗骨料混凝土应力-应变关系方面取得的研究进展：采用模型化再生粗骨料方法,研究了复杂界面过渡区对再生粗骨料混凝土破坏行为的影响,揭示了再生粗骨料混凝土细观损伤本质与演化机理;从静力作用到动力作用,系统地开展了不同工况下再生粗骨料混凝土应力-应变行为试验研究,探明了载荷条件对再生粗骨料混凝土应力与变形的影响规律并建立了相适应的力学与数学模型;进一步考虑再生粗骨料性能时空变异性,发现了再生粗骨料混凝土力学响应的概率分布特征,提出了再生粗骨料混凝土随机损伤本构关系;基于获得的本构模型,完成了再生粗骨料混凝土构件时变可靠度分析和结构动力非线性分析,为再生粗骨料混凝土在实际工程中的安全应用提供了理论支撑;提炼了相关研究结论并对未来研究工作进行了展望。     

基于不同混凝土本构模型的混凝土双向板火灾行为分析

为考查本构模型对混凝土双向板火灾行为的影响,建立不考虑骨料类型影响的混凝土高温本构模型,编程对混凝土试验板火灾行为进行分析,验证了本构模型的有效性。在此基础上,基于EC2、ASCE和该文模型,分析本构模型、火灾工况、板厚和骨料类型等参数对混凝土双向板火灾行为的影响规律。结果表明,与EC2和ASCE模型计算结果相比,该文模型所得结果均趋于保守。     

FRP布-混凝土界面粘结性能的有限元分析

FRP(纤维增强复合材料)布与混凝土界面的粘结性能是粘贴 FRP 布加固混凝土结构中的关键问题。首先讨论了该界面问题有限元分析的难点及建模方法,根据使用现有有限元程序试算的结果,讨论了界面问题中混凝土力学行为的特点及对混凝土本构模型的要求;在此基础上,提出了适用于分析 FRP 布-混凝土界面问题的混凝土本构模型,并编制了相应的程序,对 FRP 布-混凝土面内剪切问题进行了分析。分析结果与试验结果吻合较好,并给出了混凝土本构模型中相应参数的建议取值。基于数值模拟结果,对 FRP 布-混凝土界面粘接力学机理进行了讨论。     

混凝土确定性及随机性损伤本构模型研究进展

混凝土损伤本构模型的建立对表征混凝土力学行为与认识其本质至关重要。从确定性与随机性两个层面梳理了国内外混凝土损伤本构模型的研究历史和最新进展情况,针对不同模型的损伤定义方式、损伤演化规律、损伤物理机制等进行探讨,通过对比分析总结了混凝土材料的非线性、随机性和动力荷载下的率敏感性等特征,提出发展混凝土损伤本构模型的关键问题,为建立更完善的混凝土损伤本构模型提供参考。     

损伤力学理论在混凝土结构中的应用技术进展

总结了最近几年国内外基于损伤力学理论的混凝土结构性能研究。详细概述了静力损伤本构关系、动力损伤本构关系、弹塑性损伤本构关系、混凝土随机损伤本构关系、徐变损伤模型、冻融作用下的损伤模型和腐蚀-化学作用下的损伤模型。总结了该研究领域存在的一些问题,并对今后的研究方向提出了建议。     

超高性能混凝土单轴拉压本构关系研究

超高性能混凝土（UHPC）是一种具有超高强度、超高耐久性和超高韧性的新型水泥基复合材料,因其优越的性能而受到国内外土木工程领域的广泛关注,具有广阔的工程应用前景。单轴受拉和受压应力-应变本构模型是进行UHPC构件力学性能分析的前提和基础。为了进一步深入研究UHPC力学性能,本文归纳总结了国内外不同学者提出的UHPC本构模型,包括单轴受压应力-应变关系和单轴受拉应力-应变、应力-裂缝宽度关系,对其进行了分类和比较,发现了现有模型的共同点和存在的差异,并对这种差异进行了原因分析,最后将部分本构关系应用于ABAQUS有限元分析软件,对高强钢筋UHPC梁进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了部分本构模型的合理性,最后提出了一些研究结论。本文研究成果将为UHPC的结构性能研究进行结构分析和结构设计提供依据。      

单向受拉状态下的钢纤维混凝土本构模型

在混凝土中添加随机分布的钢纤维能有效提高混凝土力学性能。为了更好地考虑纤维对单向受拉状态下钢纤维混凝土（SFRC）的增强作用，提出一个钢纤维混凝土的弥散开裂本构模型。在弹性阶段，纤维混凝土被视为简单复合材料，基于两相复合材料理论，对SFRC的弹性刚度矩阵进行修正；在受拉开裂后，混凝土的塑性变形量被视为纤维与混凝土界面脱粘过程中滑移量，利用粘结滑移模型计算纤维在混凝土开裂面上的桥接作用。该文通过有限元软件ABAQUS中子程序二次开发接口Umat，进行Fortran编程，在ABAQUS中实现该本构模型。通过数值模拟结果与受拉实验数据进行对比，验证了该本构模型的准确性。通过数值模拟分析，进一步探究钢纤维混凝土相关参数对抗拉性能的影响，为钢纤维混凝土在实际的工程中的应用提供建议。     

基于扩展有限元法的钢筋混凝土梁复合断裂过程模拟研究

针对钢筋混凝土梁裂纹扩展问题,基于扩展有限元法,建立了预置裂纹的简支混凝土梁三维模型,用粘聚裂纹模型描述裂纹面间的力学行为,采用线性的软化曲线表示裂纹尖端断裂过程区的应变软化行为,分别对素混凝土梁和钢筋混凝土梁的复合断裂过程进行模拟,分析了纵向钢筋对裂纹扩展路径、荷载-挠度和荷载 -CMOD (裂缝开口处张开位移)曲线的影响,并与文献中的试验结果进行对比,计算结果与试验结果吻合良好,展示了扩展有限元法在结构断裂破坏分析方面的独特优势。     

单向面内约束混凝土双向板抗火性能试验研究及数值分析

为了分析简支板受到单向面内约束作用下的火灾行为,对两块足尺混凝土双向板进行了面内荷载和竖向荷载共同作用下的火灾试验。研究了双向板在受火过程中沿板厚混凝土温度场分布规律、钢筋温度、板平面内外变形以及板角平面外约束力变化规律,并与相关试验进行对比。在此基础上,基于EC2和ASCE本构模型,编程对试验板温度场、变形行为和力学机理进行了数值分析。结果表明:当板受到单向面内约束作用时,其裂缝模式及变形规律与四边简支板明显不同,且易出现完整性破坏;板角裂缝分布情况对板角约束力有重要影响;本构模型对火灾下约束板的力学机理影响较大。     

采用通用有限元程序的弥散裂缝模型和分层壳单元模拟钢筋混凝土构件裂缝宽度

该文基于弥散裂缝模型,采用通用有限元程序的分层壳单元计算钢筋混凝土构件裂缝宽度的方法。讨论了理论基础,Bazant和Oh提出的经典裂缝带理论主要针对素混凝土构件,严重的局部化效应导致显著的网格依赖性,而将裂缝带理论拓展到工程常用的配筋混凝土构件时,由于多裂缝分布发展的特点,裂缝带宽应修改为平均裂缝间距而使计算结果与网格无关。在理论基础讨论的基础上,给出了采用通用有限元程序的弥散裂缝模型和分层壳单元计算钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算流程,其中,平均裂缝间距将有限元分析中的“应变”概念和工程设计中的“裂缝宽度”概念紧密联系起来,是计算流程中最关键的参数。以某承受负弯矩的简支组合梁混凝土板开裂分析为例,验证并讨论了网格相关性、大软化模量导致数值收敛困难的应对策略、平均裂缝间距的决定性作用等重要问题。     

Shear behavior model for steel fiber-reinforced concrete members without transverse reinforcements

Due to the complex shear mechanism of steel fiber-reinforced concrete (SFRC) members, there is lack of comprehensive shear behavior models for SFRC members. The shear behavior model, based on a smeared crack model, requires the tensile stress–strain constitutive equation of SFRC membrane subjected to biaxial stresses. After SFRC panel tests under biaxial stresses were recently conducted, it has been possible to create a more complete smeared crack model for estimating the shear behavior of SFRC members. It is, however, very difficult to conduct such experiments for different types of steel fibers, various amount of steel fibers, different ranges of concrete strengths, etc. Thus, in this study, steel fibers are modeled as average direct tensile contribution elements in a modified smeared crack truss model, considering directionality and distribution of fibers. In this way, only simple bond tests are required to reflect the effects of different characteristics of SFRC. In addition, the shear contribution of steel fibers can be obtained considering the bond failure of steel fibers. The proposed model was compared to the test results of 8 SFRC panels and 80 SFRC beams, and the shear behavior of the SFRC members was well estimated.     

半刚接钢框架内填RC 墙结构简化分析模型

该文提出了一种用于分析半刚接钢框架内填RC 墙结构(简称PSRCW)滞回性能的简化分析模型(即斜向板带模型),基于混凝土应力-应变关系给出了斜向板带的轴力-位移关系曲线,采用Pivot 塑性滞回模型模拟斜向板带的力学行为。采用有限元方法分析了板带恢复力模型、板带数量及倾角对PSRCW 结构斜向板带模型的影响,结果表明Pivot 塑性滞回模型可较好地模拟斜向板带的滞回性能,可采用7 条以上板带及40°~50°之间板带倾角描述PSRCW 结构的整体性能。应用该简化模型对有关试件进行了滞回性能模拟,并与试验结果比较,两者吻合良好。     

ECC材料力学性能与本构关系研究进展

混凝土在国内外应用广泛,但普通混凝土材料存在抗拉强度低、韧性差和脆性特征明显等缺点。自20世纪90年代采用性能驱动设计方法(PDDA)成功配制工程水泥基复合材料(ECC)后,仅在几年时间里,ECC材料受到了研究者的广泛关注。相比普通混凝土,采用PDDA得到的ECC的外掺纤维与基体界面有良好的粘结作用,这使得ECC材料具有应变硬化和多缝开展等重要特征。由于ECC优异的力学性能,使用其替代混凝土便成为解决混凝土脆性、裂缝开展等相关问题的一种有效的新途径。 然而, ECC的制备极不容易,由于基体胶凝材料产地不同或者纤维种类不同,某一地区配制成功的配合比大多无法适用于其他地区。因此,根据当地情况进行ECC材料的配合比设计仍然是各国学者青睐的课题。一方面,欲使用ECC代替混凝土用于建筑结构等,就必定要深入研究ECC材料层面的基本力学性能。建立ECC的本构模型对ECC构件甚至结构层面的研究都十分重要,但相关研究较少。另一方面,由于ECC材料良好的裂缝控制能力,国内外学者也致力于使用ECC材料进行结构加固修复的研究。 各国学者先后成功配制极限拉应变大于3%的ECC,这为进一步广泛开展ECC的研究和应用创造了很好的条件,用于配制ECC的纤维种类也更加丰富。在ECC拉伸、压缩、弯曲和剪切等大量的材料试验研究基础上,近几年,一些科研团队开始尝试用ECC部分甚至完全代替混凝土来浇筑梁、柱等构件,然后进行ECC构件层次的力学性能和耐久性等研究;另有部分研究人员也致力于建立ECC的本构模型,开展数值模拟分析。此外,由于ECC优异的力学性能,也有学者提出可以采用3D打印技术来建造无筋ECC建筑。 本文从ECC材料层面的单轴单调拉压力学性能、单轴循环拉压滞回性能、多轴力学性能及破坏准则、ECC与普通钢筋和纤维增强塑料(FRP)筋两种筋材的粘结性能方面进行综述,相应介绍了几种本构模型并简要对其进行评价,以期为用ECC代替混凝土进行建筑结构设计、选取本构模型进行数值模拟分析、编制规范和技术规程等提供参考。最后,对今后进一步开展ECC力学性能研究、建立本构模型提出展望。     

Minimum reinforcement in concrete structures and material/structural instability

The problem of the assessment of minimum reinforcement in concrete members has been examined both theoretically and experimentally by the bridged crack model. The model has been demonstrated to be an efficient numerical tool for investigating the behavior of structural elements in bending, and allowed to show the minimum reinforcement percentage depends on the structural element size, and decreases with increasing beam depths. In the model, Linear Elastic Fracture Mechanics concepts are used to determine the equilibrium and the compatibility equations of a beam segment subjected to bending in presence of a mode I crack. Recently, the model has been extended to include the presence of closing stresses as a function of the crack opening in addition to steel reinforcement closing traction. This allows to characterize the mechanical behavior of fiber reinforced structural elements. A criterion for accounting for crushing in compression has been introduced as well, to bound from below (minimum reinforcement) and from above (maximum reinforcement) a region of stable and ductile mechanical behavior as a function of the mechanical properties as well as of the size of the structural element. Some experimental results are commented under this light.