钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

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。     

剪跨比对CFRP加固无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应的影响研究

剪跨比对FRP抗剪加固梁的裂缝开展和破坏模式有重要影响,但对FRP加固梁抗剪强度及尺寸效应的影响研究较少.采用三维细观数值模拟方法,考虑混凝土细观组成的非均质性及碳纤维布(CFRP)与混凝土之间的相互作用,建立了CFRP加固无腹筋钢筋混凝土梁剪切破坏力学分析模型.在验证细观模拟方法合理性的基础上,拓展模拟与分析了剪跨比...     

基于三维细观数值方法的钢筋混凝土悬臂梁抗剪行为研究

从细观角度出发,结合混凝土内部组成的微/细观结构特征,考虑钢筋与混凝土之间的非线性粘结-滑移行为,建立了钢筋混凝土悬臂梁力学行为研究的三维细观尺度数值分析模型与方法。基于建立的数值方法,对已有关于钢筋混凝土悬臂梁在循环往复荷载作用下的抗剪破坏试验进行模拟,模拟结果与试验结果的良好吻合表明了细观数值方法的可行性。进而在此基础上,拓展模拟了不同箍筋率下钢筋混凝土悬臂梁的剪切破坏过程,揭示了箍筋对悬臂梁滞回特性及抗剪承载力的影响规律。研究表明:1）细观数值分析模型能较好的模拟构件的宏观力学性能,且能细致的描述裂缝在混凝土中的发展过程;2）随着配箍率的增加,梁抗剪承载力及延性增加,但随着配箍率增加,钢筋混凝土梁抗剪承载力增加趋势减缓。建立的细观尺度数值方法可为有/无腹筋混凝土梁抗剪/抗弯破坏尺寸效应提供理论支持。     

钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏及尺寸效应律研究

相比于混凝土材料,钢筋混凝土构件的破坏模式与机制更为复杂,采用混凝土材料层次的尺寸效应理论难以描述钢筋混凝土构件破坏的尺寸效应行为。为研究钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏的尺寸效应行为,从细观角度出发,建立了钢筋混凝土悬臂梁三维细观尺度数值分析模型。结合现有试验数据,验证了细观模拟方法的可行性与合理性,进而拓展模拟与分析了剪跨比及配箍率对钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏尺寸效应行为的影响规律,发现:剪跨比对悬臂梁抗剪承载力有较大影响,对尺寸效应的影响很小;配箍率的增大提高了悬臂梁抗剪承载力,同时削弱了梁的抗剪强度尺寸效应。根据剪跨比及配箍率对悬臂梁抗剪强度的影响机制与规律,基于Bažant材料层次尺寸效应律,建立了钢筋混凝土悬臂梁抗剪强度尺寸效应理论公式。对比模拟结果及试验数据,验证了所提尺寸效应理论公式的准确性与合理性。     

高温下混凝土动态压缩行为细观数值研究

结合混凝土细观非均质性,考虑高温下细观组分力学性能退化效应及率效应的影响,建立了高温作用下混凝土动态压缩破坏行为及应变率效应研究的细观尺度数值分析模型。首先对混凝土热传导行为进行模拟,进而将"结果输出"作为"初始条件"对混凝土动态力学行为进行细观模拟,模拟与已有试验结果的良好吻合验证了数值方法的可行性及准确性。在此基础上,研究了高温加热后混凝土动态单轴压缩破坏行为及细观破坏机制,揭示了高温作用对动态压缩强度放大系数的影响规律。结果表明:高温加热后,混凝土动态冲击破坏集中在力学性能薄弱的加载端;相比于应变率效应,温度退化效应对混凝土力学性能（如强度、割线模量）影响更为显著。     

结构尺寸对钢筋混凝土短柱抗震性能影响:细观分析

地震作用下,钢筋混凝土短柱由于承受竖向和水平荷载共同作用而往往产生脆性压-剪破坏行为,该脆性破坏可能表现出尺寸效应行为。借助混凝土细观结构特征,考虑非均质性以及钢筋/混凝土非线性相互作用的影响,建立了钢筋混凝土短柱力学行为研究的三维细观尺度数值模型。在模拟结果与试验结果吻合良好的基础上,研究了轴压比对不同结构尺寸尤其是大尺寸钢筋混凝土短柱抗震性能,如抗剪承载力、滞回特性、延性性能和耗能能力等参数的影响。最后,借助相关试验和模拟数据,基于经典的Bažant尺寸效应律思想提出了能够反映尺寸效应影响钢筋混凝土短柱抗剪承载力修正公式。     

轻骨料无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应:细观模拟

轻骨料混凝土具有轻质、高强及保温隔热性能好等优点,被广泛应用于工程结构中。采用细观数值模拟方法,将普通及轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了无腹筋混凝土梁剪切破坏行为模拟的三维细观力学分析模型,研究了不同尺寸普通及轻骨料无腹筋混凝土悬臂梁在单调加载下的剪切破坏模式与失效机制,揭示了名义剪切强度的尺寸效应规律。此外,结合模拟结果对相关设计规范抗剪承载力计算公式的准确性和安全性进行了初步探讨。研究结果表明:区别于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁由于骨料强度较低而首先发生破坏;不同尺寸混凝土梁的剪切破坏模式基本一致,梁的名义剪切强度展现出明显的尺寸效应;相比于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁剪切破坏表现出具有更强的尺寸效应。     

基于离散元的钢筋混凝土梁极限承载力研究

通过PFC2D建立考虑骨料级配的钢筋混凝土梁离散元细观数值模型,开展钢筋混凝土梁极限承载力的研究。混凝土标准棱柱单轴压缩模拟验证了混凝土单元细观参数的准确性。通过修改平行黏结模型获得了适用于钢筋模拟的平行-强化黏结接触模型,钢筋单轴拉伸模拟验证了钢筋单元细观参数的准确性。建立了无缺口钢筋混凝土梁离散元数值模型,在此基础上生成预制缺口钢筋混凝土梁数值模型,根据缺口位置及倾角分为9种工况,分析了各工况下梁的裂缝扩展规律及极限承载力。结果表明：缺口位置对裂缝的扩展过程影响较大,一般起裂位置均位于缺口顶端;缺口倾角仅对裂缝扩展初期有影响,后期裂缝依然会沿竖向发展;缺口梁极限承载力约为无缺口梁极限承载力的95%～98%。     

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。     

混凝土劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度尺寸效应的细观数值分析

混凝土作为非均质材料,其材料性能存在随试件几何尺寸变化的尺寸效应。该文在细观层次上将混凝土看作由粗骨料、砂浆和二者界面过渡区组成的三相复合材料,采用刚体弹簧元数值方法模拟了混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度的尺寸效应,并与已有的试验结果进行了对比验证。结果表明:劈裂加载的试件破坏形态和劈裂抗拉强度与试验结果均具有良好的一致性,并且小尺寸试件所表现出的尺寸效应要明显于大尺寸试件;对不同尺寸四点弯曲钢筋混凝土梁开展细观数值分析得到跨中截面混凝土的弯曲抗压强度,随着梁有效高度的增加,名义弯曲抗压强度整体上呈现降低的趋势,但当梁有效高度大于240mm时趋于稳定。     

基于损伤模型的钢筋混凝土梁剪切破坏全过程分析

剪切破坏是钢筋混凝土梁的典型破坏形态,但迄今为止并未建立起较为准确的分析方法。该文尝试基于混凝土弹塑性损伤本构关系和非线性有限元分析方法,对钢筋混凝土梁的剪切破坏全过程开展较为精细的数值模拟研究,并对某剪切破坏梁试验与其数值模型的裂缝发展过程及力-位移曲线进行了对比分析。结果表明,该文采用的方法能够较好地模拟钢筋混凝土梁在剪切破坏全过程中的整体非线性响应,并能够追踪梁中裂缝产生和发展的全过程。该文模型将为钢筋混凝土构件剪切破坏研究提供一条可行的途径。     

钢筋混凝土梁冲击试验数值模拟研究

摘要: 采用弹塑性损伤帽盖模型对筋混凝土梁冲击试验进行了数值模拟,数值模拟得到的碰撞力、梁体跨中挠度以及梁体破坏状况与实验情况吻合较好。在此基础上讨论了混凝土材料应变软化段、描述塑性体积的帽盖面、强度准则子午线形状、偏平面形状以及钢筋混凝土结构建模方式对冲击数值模拟的影响。     

BFRP筋混凝土深梁动态剪切破坏尺寸效应模拟EI北大核心CSCD

为研究玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋混凝土深梁动态剪切破坏机制及其尺寸效应规律,考虑混凝土非均质性、混凝土/BFRP筋相互作用以及混凝土和BFRP筋在材料层面的应变率效应,建立了BFRP筋混凝土深梁细观尺度三维数值模型。利用已有的试验数据验证了该数值模拟方法的合理性和准确性,采用该方法研究了不同尺寸但几何相似的BFRP筋混凝土深梁在不同应变率下的剪切破坏模式及失效机制。分析了截面尺寸、配箍率、应变率对BFRP筋混凝土深梁剪切破坏及相应尺寸效应规律的影响。结果表明:动载下梁的破坏模式与静载时存在较大差异,但均表现出尺寸效应;增大应变率及配箍率均能有效提高梁承载力且削弱剪切尺寸效应,但应变率的作用程度明显大于配箍率。     

基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。     

水泥砂浆加固RC梁的抗冲击性能模拟分析

为研究高强钢绞线网-聚合物改性水泥砂浆(简称聚合物砂浆)加固钢筋混凝土梁的抗冲击性能,在3根未加固梁和4根加固梁的落锤冲击试验的基础上,采用显式有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立了包括混凝土梁、冲击锤头在内的有限元模型,对在冲击荷载作用下加固前、后混凝土梁的抗冲击性能进行了数值分析。之后,对采用不同直径钢绞线和不同厚度聚合物砂浆加固层的钢筋混凝土加固梁进行了参数分析。研究结果表明:高强钢绞线网-聚合物砂浆加固能显著提高钢筋混凝土梁的抗冲击性能;合理增加砂浆加固层厚度有利于改善梁身裂缝和破坏模式;选用恰当直径的钢绞线加固钢筋混凝土梁有助于钢绞线承载能力的发挥;工程实际中,需合理考虑砂浆层厚度和钢绞线直径对加固效果的影响。     

锈蚀钢筋混凝土梁动态抗弯性能细观数值研究EI北大核心CSCD

为研究锈蚀对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁动态力学性能的影响,考虑钢筋锈蚀和应变率效应及混凝土内部结构的非均质性,建立锈蚀钢筋混凝土梁两阶段三维细观尺度数值模型。钢筋的非均匀锈蚀膨胀以施加非均匀径向位移的方式模拟,并以保护层开裂“最终状态”作为之后混凝土梁动载模拟的“初始输入条件”,获得锈蚀后的动态力学行为。在验证了数值模型合理性的基础上,分析了钢筋锈蚀引起的保护层锈胀开裂行为及不同应变率下构件力学性能的变化。结果表明:钢筋锈蚀使混凝土梁产生了明显的纵向裂缝,梁的承载力随钢筋锈蚀率增加而降低;高应变率下,混凝土梁发生冲切破坏,梁的承载力显著提高;锈蚀混凝土梁承载力损失与锈蚀后梁频率降低系数(反映刚度损失)近似呈线性规律,且低应变率下的承载力对频率变化更加敏感。最后,基于模拟结果回归分析,发展建立了考虑锈蚀及应变率耦合影响的混凝土梁动态抗弯承载力预测公式。     

冲击荷载下钢筋混凝土缺口梁破坏模式的试验研究

钢筋混凝土梁在使用过程中内部的微裂缝和缺陷逐渐衍生扩展导致混凝土发生开裂。冲击荷载下钢筋混凝土缺口梁的承载性能和能量耗散与无缺口梁明显不同。为了合理评估钢筋混凝土缺口梁的抗冲击性能,利用落锤冲击试验机对不同配筋率的钢筋混凝土缺口梁进行了动态三点弯试验。通过对比分析冲击过程中锤头冲击力、支座反力和跨中位移,探讨了冲击速度对钢筋混凝土缺口梁破坏模式、承载力和能量耗散的影响。试验结果表明：钢筋混凝土缺口梁的破坏模式随着冲击速度和配筋率的增大由弯曲破坏逐渐转变为弯剪破坏;弯曲/弯剪破坏模式下支反力最大值和静态抗弯/抗剪承载力的比值与冲击速度呈线性增长关系;将支反力-跨中位移曲线简化为平行四边形后分别建立了静态抗弯/抗剪承载力与冲击速度的经验公式,为合理评估钢筋混凝土缺口梁的抗冲击性能提供参考依据。     

考虑材料组成特性的混凝土轴拉破坏过程细观数值模拟

为反映骨料、砂浆及其之间的界面过渡区的组合特点和材料性能,基于材料细观非均匀性和有限元方法的混凝土破坏过程细观数值模拟需进行复杂、细致的网格剖分,导致了繁重的前处理工作和可观的计算量。该文对混凝土材料细观单元材质组成的单一化假定进行改进,将内嵌界面过渡区材料的规则化单元视为一种广义复合材料单元,建立了复合型界面损伤模型。采用等效方法确定单元的复合弹性关系,通过有限元法计算单元的局部应力;用细观层次上弹性力学性能的弱化描述单元组成材料的损伤,混凝土材料的破坏过程通过单元各组分的损伤模拟。应用该复合型界面损伤模型研究了混凝土试件的单轴拉伸破坏过程,细观数值模拟结果符合混凝土试件的宏观破坏特征,表明该模型可作为分析混凝土材料破坏过程的一种有效途径。     

冲击荷载作用下装配式钢筋混凝土梁力学性能研究

为了研究装配式钢筋混凝土梁（简称PC梁）的抗冲击力学性能,通过对5根PC梁和1根作为对比的现浇钢筋混凝土梁（简称RC梁）进行落锤冲击试验,研究了不同拼装位置和套筒灌浆料饱满度对PC梁的抗冲击性能影响。详细地分析了各个试件的破坏形态、冲击力、支座反力、跨中位移、整体变形耗能能力等性能。结果表明:1）冲击作用位置,拼装位置以及冲击荷载强度共同影响构件的破坏形态。随着冲击位置远离于构件拼装位置,PC梁破坏形态、接触刚度、整体抗冲击刚度等力学性能均接近于RC梁的力学性能,其抗冲击性能的设计可以参考RC梁进行设计;2）相同强度的冲击荷载作用下,预制试件拼装位置与冲击位置相同时,PC梁破坏形态表现为拼装处严重的局部破坏,刚度退化较大,整体变形耗能不如其他拼装位置的梁以及RC梁,考虑此工况的构件需采取合理的措施,提高其抗冲击能力;3）套筒灌浆饱满度对梁的抗冲击性能有影响较大,其决定PC梁的破坏形态以及刚度;4）拼装位置处交接面的边界条件是影响PC梁抗冲击性能数值分析是否准确的关键因素。