承压型组合剪力键剪切性能试验与承载力计算

针对抗剪需求较大的钢-混凝土组合结构，改进了一种带横向焊钉的承压型组合剪力键。设计并开展了10个承压型组合剪力键和1个非承压型组合剪力键单调推出试验，明确了混凝土端部承压、混凝土强度、肋板厚度、肋板孔径和焊钉直径对承压型组合剪力键失效模式和破坏过程的影响。建立了承压型组合剪力键有限元模型，在结合试验验证仿真模型可靠性的基础上，进一步揭示了承压型组合剪力键受力机理。以试验变量为基础，建立并分析了108个承压型组合剪力键有限元模型，推导了承压型组合剪力键极限承载力与各参数变量之间的线性关系，对极限承载力分析结果进行多元线性回归提出了承压型组合剪力键极限承载力计算模型。结果表明：承压型组合剪力键混凝土板失效模式为大面积竖向裂缝和端部裂缝，内表面形成由焊钉高度附近向下延伸的斜主裂缝，非承压型组合剪力键混凝土板无明显端部裂缝，承压型组合剪力键极限承载力约为非承压型组合剪力键的1.4倍；与肋板孔径和焊钉直径相比，承压型组合剪力键极限承载力对混凝土强度和肋板厚度更为敏感。该研究提出的承压型组合剪力键极限承载力计算公式物理意义明确，计算值与仿真和试验结果吻合较好，可为组合剪力键设计和工程应用提供参考。     

智能混凝土损伤自修复全过程分析

混凝土及其结构能够自动适应环境，在受到损伤后能够自行修复，是解决结构中的混凝土损伤的最佳途径。利用内置内含修复胶粘剂的胶囊实现了混凝土损伤的自修复，一旦混凝土中出现损伤或裂缝，胶囊破裂，其中的修复胶粘剂流出，使其修复。通过有限元软件ANSYS，建立了混凝土有限元模型，对其损伤自修复全过程进行了计算分析，揭示了损伤自修复的机理。最后，通过试验验证了计算分析方法的正确性和合理性。     

混凝土拱坝地震非线性响应中的应变率效应研究

通过引入多轴有效硬化函数和S型率相关强度准则，改进了混凝土损伤塑性(concrete damage plasticity, CDP)模型，称为S-CDP模型，能够更加合理地反映混凝土材料的应变率效应和三维塑性变形行为。基于S-CDP模型建立了大岗山拱坝的率相关数值模型。利用所建的率相关数值模型，分析了地震作用下坝体混凝土的应变率分布规律、动态增长因子的变化规律以及混凝土应变率效应对坝体动力响应的影响。结果表明，S-CDP模型能够合理反映受拉区混凝土材料的率效应，在地面峰值加速度为0.557g,0.663g,0.836g的地震动荷载作用下，拱坝坝体混凝土的动强度增长最多能达到23%,然而并不能保证坝体混凝土的动强度始终提高20%及以上。在水工建筑物抗震设计时，若将混凝土的动强度提高固定的20%,可能会造成计算的损伤结果与实际的损伤有所偏差，动强度提高固定的20%计算得到的损伤结果相较于该文中采用S-CDP模型计算得到的损伤结果偏大。因此在水工建筑物抗震设计时，推荐选用合适的混凝土率相关本构模型进行计算，以尽可能的保证计算的精确度。     

基于G-S-G的混凝土结构裂缝识别及监测方法

为解决复杂约束条件下现代混凝土结构裂缝的精准监测问题,提出基于G-S-G混凝土结构裂缝智能识别及监测方法。将灰度共生矩阵理论(GLCM)和自组织特征映射神经网络(SOM)模型结合,并通过数字图像处理技术(DIP)及数字特征筛选法(DFS)辅助分析,研究提高混凝土结构裂缝识别及监测精度的智能方法;并基于工程实例(柱的偏心受压试验),验证方法的可行性及准确性。结果表明,在有限的样本空间下,基于GLCM-SOM的裂缝识别模型,通过构建的标准特征样本集(角二阶矩(ASM)、熵(ENT)等)排除环境因素及孔洞、凹陷等缺陷的干扰,获得较高的识别精度;基于SOM-GLCM的裂缝监测数据显示,筛选出的相关(COR)和聚类阴影(CLS)损伤特性指标与裂缝的发展情况具有良好的线性关系,可作为裂缝延展趋势的敏感特性指标。提出的G-S-G裂缝检测方法,充分结合GLCM与SOM各自的独特优势,建立起精准识别裂缝损伤的网络模型,并对裂缝的发展趋势进行有效监测。研究有助于实现现代混凝土结构裂缝损伤的高精度智能化健康监测。     

钢纤维再生粗骨料混凝土受压声发射特性与损伤演化

为了探究钢纤维掺量(体积率0、0.8%、1.5%)对C30再生粗骨料混凝土(质量分数取代率0、100%)基本力学性能的影响，结合声发射特征参数和应力-应变曲线来描述钢纤维再生粗骨料混凝土在轴心受压过程中的损伤演化规律。试验结果表明，通过对声发射损伤定位、撞击计数与能量计数分析，可实现钢纤维再生粗骨料混凝土轴心受压破坏从累计损伤到微裂缝演变，再到宏观裂缝扩展的全过程动态监测，不同钢纤维掺量再生粗骨料混凝土与普通混凝土试件在加载过程中损伤点的密集集中位置与试件最终破坏位置相符；基于声发射累计撞击计数建立的混凝土损伤模型可用于分析钢纤维再生粗骨料混凝土的损伤演化规律。     

钢筋混凝土微平面动态本构模型

在B．P．Bazant等人提出的混凝土微平面模型基础上通过引入钢筋的影响提出了一个钢筋混凝土动态本构模型。本构模型的建立通过平行耦合假定考虑钢筋和混凝土的相互作用。混凝土模型采用能反映各种复杂受力行为并被充分验证的M5微平面模型，钢筋采用Cowper—Symonds型率相关的双线性模型。最后参照M4微平面模型对应变率效应的处理方法，将提出的钢筋混凝土模型推广到动态模型范畴。此模型可适合钢筋混凝土的静力、动力显式分析。     

超高层钢-混凝土混合结构地震损伤模型研究

以型钢混凝土框架-混凝土核心筒结构为研究对象,考虑不同类型构件在某典型超高层钢-混凝土混合结构中的地震损伤分布特点及损伤演化规律,建立了考虑不同类型构件重要性的钢-混凝土混合结构楼层地震损伤模型,并基于提出的楼层地震损伤模型,选取了位置权重系数和损伤值权重系数二者组合的形式,建立了能够反映钢-混凝土混合结构楼层损伤分布规律的整体结构损伤模型。并通过PERFORM-3D软件对一钢-混凝土混合结构进行了非线性地震反应计算,分析了该结构在地震作用下的损伤分布规律和损伤发展情况,利用本文提出的地震损伤模型对结构各层次的地震损伤指标进行了计算,验证了该损伤模型的合理性。     

利用等效砌体材料模型分析爆炸荷载作用下砌体墙碎片尺寸分布

爆炸碎片导致的次生破坏和人员伤亡往往是巨大的,正确了解建筑物结构可能产生的碎片分布对其抗爆防爆设计至关重要。该文基于连续损伤力学和微裂缝发展的理论,提出了一种采用等效材料模型分析砌体墙结构在爆炸荷载作用下可能产生的碎片尺寸分布的数值方法,等效材料模型考虑了应变率对材料强度的影响。通过与材料精细模型的对比分析,证明了等效材料模型的可靠性;所提出的数值方法有效地提高了爆炸荷载作用下砌体墙碎片分布的计算效率,可用于预测砌体墙在一定爆炸事件中可能产生的碎片尺寸分布。     

混凝土随机损伤本构模型研究新进展

综述了混凝土微观损伤机理与随机损伤本构模型研究现状,介绍了本课题组在混凝土随机损伤本构模型方面取得的研究进展:进行了考虑mode-II微裂缝的微观损伤机理分析,提出并验证了混凝土随机损伤本构模型——束-链模型,发展了测定多轴受压混凝土损伤变量的X-射线CT方法。最后,得到了相关研究结论。     

静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度

为探究静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度，以湿法缠绕工艺制备中厚玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)圆柱耐压壳结构模型，对其初挠度进行测试，并开展静水压破坏试验，分析了结构的极限承载能力、应变响应和破坏模式。基于实测初挠度及破坏模式，建立含缺陷复合材料圆柱壳的非线性分析有限元模型，同时考虑壳体几何缺陷及承压过程中的复合材料面内损伤，编制ABAQUS接口子程序USDFLD，对模型的损伤过程进行数值模拟，获得静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱壳的渐进失效过程，并与试验结果对比验证。研究表明：在静水压下中厚GFRP圆柱壳结构在破坏前载荷几乎呈线性增加，最终破坏模式为材料的压缩破坏，整体屈曲破坏模式不明显。考虑结构的几何缺陷和材料损伤演化后，采用非线性有限元模拟得到的壳体极限强度与试验结果吻合良好，可以作为预测含缺陷中厚复合材料圆柱壳极限强度的方法。采用该方法对影响中厚复合材料圆柱耐压壳极限强度的关键参数进行了研究，为深海复合材料耐压壳的研究设计提供参考。     

混凝土双轴拉-压综合随机损伤本构关系研究

实际工程中的混凝土结构大多处于复杂应力状态,该文考虑混凝土组成材料物理性能的差异及横向变形性等特点,基于混凝土单轴受拉弹簧-摩擦块细观单元,建立混凝土双轴拉-压随机损伤细观模型。在双轴拉-压荷载组合作用下,根据混凝土破坏过程中的能量守恒原理,分别建立超高强高性能混凝土、普通混凝土及高强混凝土综合随机损伤本构关系,并针对损伤本构函数进行多参数灵敏度分析。通过理论值与试验结果的比较,验证了提出的随机损伤本构关系的有效性。     

错流微通道低温交叉换热等体积补偿机理研究

建立了错流微通道低温交叉换热系统物理模型、不同尺度错流微通道单元数学模型及传热单元数值模型。针对不同错流微通道模型,提出了等体积补偿理论计算模型及计算方法,并进行了单元模型传热数值模拟研究。构建了不同尺度及形状错流微通道实验模型并对单元理论模型及数值模型进行了实验验证。研究表明:等体积补偿法可用于解决复杂错流微通道换热器换热面的工程计算难题,为不同尺度不同结构的微通道错流交叉换热设计提供理论依据及工程设计计算方法。     

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力——应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。     

高强钢管混凝土撞击后力学性能数值研究

为分析高强钢管混凝土撞击后力学性能，该文建立了高强钢管混凝土在低速侧向撞击下以及轴压剩余承载力数值模型，模型考虑了高强钢和混凝土的材料应变率效应等以及动力-静力加载工况之间的结果衔接。使用现有高强钢管混凝土低速侧向撞击和静力加载试验结果对所建立模型的合理性进行了验证。采用建立的有限元模型，对高强钢管混凝土低速侧向撞击和静力侧向加载后的破坏形态、局部损伤和跨中挠度对于其轴压剩余承载力的影响规律进行了对比分析，理清了影响其轴压剩余承载力的关键因素，并发展了相应的简化计算模型。     

基于数据驱动的大体积结构裂缝深度反演EI北大核心CSCD

裂缝是混凝土结构的主要病害,查明裂缝的深度能够为结构的耐久性和安全性评价提供可靠的信息,但同时也是混凝土结构检测的难点之一。提出了一种基于数据驱动的学习算法,通过考察波经过带缝结构传播的信号预测裂缝深度,采用扩展有限元法(Extended finite element methods,XFEM)和边界吸收层模型模拟了带缝大体积混凝土结构中的波传播过程,将接收点的观测信号和裂缝信息配对。基于人工神经网络的机器学习模型建立了基于XFEM数据集的裂缝深度预测模型。对于含未知裂缝信息的混凝土结构,通过测得的观测点信号,利用建立的机器学习模型实现裂缝深度的实时预测。通过2个数值算例验证了该算法的性能,结果表明所提出的数据驱动算法能够准确预测裂缝深度。     

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。     

循环荷载下混凝土开裂-闭合行为计算方法研究

为建立混凝土塑性损伤(concrete damaged plasticity, CDP)模型中描述循环荷载下混凝土开裂-闭合行为的受压刚度因恢复因子w_c计算方法,基于混凝土开裂断裂能G_F建立了指数型软化应力σ-开裂位移w关系;对比评价了现有的混凝土拉、压损伤参数(分别为d_t、d_c)计算模型,选择了适用于钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)结构分析的d_t和d_c计算模型;并以受拉残存断裂能密度g_(FR)与开裂断裂能密度g_f之比的θ次方(θ≥1)建立了w_c计算模型。该计算模型同时考虑了单元特征长度l_(eq)和d_t对变量w_c的影响,并讨论了刚度恢复修正参数θ的取值。为解决CDP模型中的w_c只支持某一常数定义所存在的局限性,以循环荷载下严重破损的RC节点为研究对象,基于现有混凝土裂缝特征与受拉损伤状态的统计关系,提出了一种基于拉伸损伤水平d_t的模型简化处理方法。以0≤d_(t1)≤0.75和0.75≤d_(t2)≤d_(tm)(d_(tm)≤1)将RC节点模型划分为轻微损伤和损伤-破坏两个区域,并分别采用特征刚度恢复因子w_(cz1)和w_(cz2)定义两个区域的材料属性。通过对多组循环荷载下的RC节点进行数值模拟并与试验数据比较,验证了循环荷载下混凝土开裂-闭合行为计算方法的正确性以及模型简化方法的可行性。     

混凝土断裂的三维旋转裂缝模型研究

作为一种准脆性材料,混凝土在发生开裂后将表现一定的应变软化特性。基于Bazant提出的钝断裂带力学模型,将其扩展为三维旋转裂缝模型,并推导出相应的三维软化本构,应用于复杂应力路径下混凝土开裂扩展的三维数值模拟。通过对比四点剪切梁试验的数值模拟结果与试验结果,验证了该模型能较好地模拟混凝土混合型开裂行为。     

环形蠕动微泵的优化仿真和实验

本文分析了矩形截面环形蠕动微泵存在的泄漏问题及其对微泵性能的影响,减小泄漏是提高微泵背压和自吸能力的有效途径.通过Ansys有限元建立二维接触模型,模拟了各参数项对微泵泄漏率的影响,得出影响微泵泄漏率的主要参数为深宽比和挤压力,在一定范围内,深宽比越小、挤压力越大,则密封性越好,通过仿真拟合得到了计算泄漏率的近似公式;根据计算结果,设计制作了具有不同深宽比参数和不同挤压力的微泵,并对比测量了不同参数微泵的流量及背压,实现了最小2%的实际泄漏率.实验结果表明通过仿真拟合公式计算得到的泄漏率与实测泄漏率具有较好的吻合性.通过拟合公式优化设计微泵的结构参数,可有效降低微泵泄漏率,提高流量控制准确性,增大背压和自吸能力.     

随机荷载作用下参数不确定结构的疲劳损伤估计

基于改进区间分析和频域疲劳计算方法,对参数不确定结构在平稳高斯荷载作用下的疲劳损伤进行研究,提出完全混合和简化计算两种方法。采用区间变量模型定义结构的不确定参数,功率谱密度描述外荷载的随机性;利用有理级数显式表示结构区间频响函数及在平稳高斯荷载作用下不确定结构的应力响应区间。通过数值方法验证疲劳损伤期望率关于不确定参数的单调性后,将应力响应中不确定参数的界限完全组合提出完全混合方法,准确估计参数不确定结构的疲劳损伤期望率区间;简化计算方法则将不确定参数的界限适当组合,由显式表达式近似计算结构的疲劳损伤期望率区间。算例表明,两种方法均具有较高计算精度,且大幅减少计算量。