不同缺口类型钢筋力学性能试验及数值分析

为模拟局部锈蚀对钢筋静力及疲劳性能的影响,对4种缺口形状、6种缺口尺寸的100根钢筋进行轴向静力拉伸和疲劳拉伸试验.基于静力拉伸试验结果,给出了缺口形状、缺口深度与钢筋屈服载荷、极限荷载间的定量关系,分析了缺口尺寸对应力集中系数的影响;基于疲劳拉伸试验结果,研究了缺口形状和缺口尺寸对钢筋疲劳寿命的影响,建立了钢筋应力范围-疲劳寿命-缺口深度的曲线方程;在试验基础上,建立了精细有限元三维实体计算模型,分析了缺口附近的应力分布状态,解释了坑蚀形态导致钢筋性能退化的原因.结果表明:三角形缺口应力集中系数最大,依次为变长度三角形、径向椭圆形和轴向椭圆形,应力集中程度随应力水平和缺口深度的增加而增大;不同缺口类型钢筋的实际应力范围和疲劳寿命在对数坐标下呈线性关系;三角形和变长度三角形锈坑应力集中梯度较大,率先进入塑性变形阶段,从而较早发生破坏.     

锈坑对钢筋高温后力学性能的影响

为了研究高温后钢筋锈坑的应力分布，通过机械加工来模拟锈蚀钢筋并研究了钢筋在高温后力学性能的变化，最后采用有限元软件计算了模拟锈坑的应力分布.结果表明：对于带有单个模拟锈坑的试件，相同条件下双曲线形锈坑的应力集中系数大于椭圆形锈坑；当模拟锈坑的宽度相同时，其应力集中系数随着深宽比的增大而增大；当经历800 ℃的高温作用后，模拟锈坑的应力集中系数较常温时下降了10%左右；对于带有2个模拟锈坑的试件，锈坑夹角在30°~90°时的应力集中系数明显增加.     

钢结构三面围焊直角焊缝应力集中的有限元分析

针对钢结构设计规范八类构造细节中的三面围焊直角焊缝的应力集中问题,采用ABAQUS软件进行有限元计算,得出钢结构构件的整体应力集中分布,并探讨该类连接节点在改变角钢厚度、钢板厚度和焊脚尺寸等单因素,以及钢板厚度和角钢厚度共同作用时,应力集中系数的变化规律。结果表明:随着钢板厚度的增加,应力集中系数逐渐减小;钢板厚度增加到一定程度时,应力集中系数趋于稳定;随着角钢厚度的增加,应力集中系数逐渐增大;随着焊脚尺寸的增大,应力集中系数总体呈下降趋势;随着钢板厚度与角钢厚度比值的增加,应力集中系数逐渐减小,比值增加到一定程度后,应力集中系数趋于稳定。     

混凝土内部锈蚀钢筋应力集中特性研究

为了研究滨海环境下预应力钢筋混凝土结构内部锈蚀钢筋力学性能的退化过程,需要明确锈坑形状、深度及混凝土开裂程度等因素对锈坑处应力集中系数的影响。本文采用精细化有限元方法实现了混凝土内部钢筋在不同锈坑形状、锈蚀深度和混凝土开裂程度等多因素影响下的应力集中问题的数值模拟,分析总结了锈蚀钢筋应力集中程度的变化规律。     

不均匀锈蚀对高强钢丝应力集中影响的研究

本文采用有限元软件ANSYS,建立高强钢丝实体模型,进行不均匀锈蚀对高强钢丝应力集中影响的数值分析。通过改变长宽深三维尺寸的比例达到模拟深窄型和开放性锈蚀坑的效果,探讨长宽深各因素变化对应力集中及应力分布的影响,并横向比较三者对应力集中系数的影响程度。结果表明:高强钢丝应力集中系数随着锈蚀坑长度的增加而下降,随其宽度的增加而上升,随其深度的增加而上升;锈蚀坑长度因素对高强钢丝应力集中系数的影响程度最大,深度因素次之,宽度因素最小;对三个因素的影响率进行直线拟合,呈现出高度的线性相关性。计算结果与试验结果进行对比,验证了数值分析的可靠性。     

钢筋蚀坑对其疲劳断裂特性的影响

基于降载勾线法,对人工钻孔模拟蚀坑的3根HPB300钢筋试件开展了疲劳裂纹扩展试验,并结合FRANC3D软件对钢筋疲劳裂纹扩展规律进行了数值分析.在此基础上,以不同应力幅值对12种尺寸的半椭圆形蚀坑钢筋模型的裂纹扩展过程进行了数值分析.结果表明:钢筋裂纹扩展速率前期缓慢增长,后期迅速增大;初始裂纹深度较大的钢筋疲劳寿命明显缩短;初始裂纹深宽比越大的钢筋疲劳寿命越短;应力幅值增大会使缺陷钢筋疲劳寿命缩短,并且初始裂纹深宽比越大的钢筋,其后期裂纹扩展速率增长越快,疲劳寿命缩短越明显.     

坑蚀对结构钢材低周疲劳性能的影响

为研究坑蚀对钢材低周疲劳性能的影响,以中国常用的结构钢材Q345为例,通过有限元分析并基于微观断裂判据循环空穴扩张模型(CVGM),对坑蚀钢材试件进行低周疲劳断裂预测,并通过与完好试件的结果对比,分析了蚀坑对钢材低周疲劳寿命的影响机理。在此基础上,研究了蚀坑的几何特征、分布形式以及荷载的应变幅等因素对钢材低周疲劳寿命的影响规律。结果表明:由于蚀坑断裂起始点等效塑性应变的加倍累积,与均匀锈蚀相比,蚀坑的存在更显著地改变了钢材的应力分布,进而降低其低周疲劳寿命,降低幅度可达50%以上;蚀坑深度和直径分别达到截面宽度的5%和厚度的20%以上时,断裂起始点的等效塑性应变随蚀坑深度增大而增加,低周疲劳寿命相应减小;多蚀坑试件的低周疲劳寿命总体上比单蚀坑试件明显降低,降幅为20%～30%;随应变幅增大,坑蚀对钢材低周疲劳性能的影响逐渐增大;基于强度等效原则的等效厚度设计方法无法反映坑蚀对钢材低周疲劳性能的影响。     

基于ANSYS的锈蚀钢筋在静载下的力学性能研究

为了研究锈坑对钢筋静载作用下的受力性能,利用ANSYS有限元软件建立带有不同深度和长度锈坑的钢筋模型,对其施加不同大小的静力荷载。结果发现,带有锈坑的钢筋在锈坑周边及其底部有明显的应力集中现象,随着锈坑深度的增加,应力集中现象越发明显,随着锈坑增加,应力集中位置由锈坑四周往锈坑底部发生转移,研究表明锈坑引起的钢筋最大截面损失率是影响钢筋力学性能下降的主要原因。     

一种考虑深基坑坑角效应的土压力计算方法

深基坑是一个复杂的三维空间问题,基于ADINA三维空间有限元研究了土压力的坑角效应及其影响因素和基坑的几何尺寸效应,并与理论值进行了比较,验证了对基坑工程进行三维分析的必要性。提出了土压力坑角效应影响系数、坑角效应的影响范围、拟长深比。     

拱桥吊杆锈蚀高强钢丝疲劳性能试验研究

为了评价拱桥服役吊杆的残余寿命,以使用10余年的吊杆高强钢丝为对象,通过自然锈蚀、人工锈蚀及机械损伤方法得到轻微锈蚀、严重锈蚀以及点蚀状态的钢丝样本,根据拉伸试验和疲劳试验、破坏断口形貌分析,研究了锈蚀钢丝的拉伸性能、疲劳寿命以及破断机理。在此基础上用精细有限元计算模型分析蚀坑对钢丝应力集中的影响。试验结果表明,锈蚀对钢丝的拉伸强度影响不大,承载力变化主要取决于钢丝有效截面的减少程度;锈蚀导致钢丝的延性下降;钢丝疲劳性能受锈蚀程度的影响具有先敏感后迟钝的特征,即锈蚀初期钢丝的疲劳寿命因锈蚀而显著降低,但进一步锈蚀引起的钢丝疲劳寿命下降不明显。有限元分析结果表明,点蚀钢丝的疲劳寿命不仅取决于蚀坑底部的应力集中程度,还受到应力集中区域的影响。     

轻型车辆的预制正交异性钢板的疲劳分析

对轻型车辆的正交异性钢板进行疲劳分析,考虑疲劳敏感区域处的初始缺陷,获得疲劳寿命。采用3种模型精确模拟肋与隔板连接处的应力集中现象,并用Paris公式模拟裂纹发展状况。为了分析连接处焊接节点初始缺陷的影响,研究了不同初始裂纹下钢板的疲劳寿命。为正交异性钢板疲劳寿命的评估提出了一个合理的方法。     

海水浪溅下混凝土中锈蚀钢筋性能试验研究及仿真分析

75根海水浪溅环境下混凝土中I级和II级锈蚀钢筋的拉伸试验表明 :要考虑由于锈坑引起的应力集中对强度的影响。讨论了屈服强度、极限强度、极限伸长率和破坏形式与重量锈蚀率的关系 ,分析了钢筋的应力应变关系和极限强度与屈服强度比值随锈蚀率提高的变化规律。海水浪溅环境比大气环境下的锈蚀钢筋承载能力低 15 %左右 ,截面损失率与重量损失率的差异要小。锈蚀钢筋有限元仿真分析表明 :锈坑引起的应力集中使屈服荷载比仅考虑面积减小的计算荷载低 5 0 %左右 ;初始直径越大 ,锈坑对强度的影响越小 ;锈坑形状和宽度对强度的影响不明显。数据存在一定离散性 ,对可能原因进行了分析。     

玻璃纤维增强轻骨料混凝土力学性能及疲劳损伤研究

通过室内试验研究了玻璃纤维掺量对轻骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等力学性能,以及玻璃纤维掺量和应力比对轻骨料混凝土疲劳寿命的影响。试验结果表明:玻璃纤维的加入在一定程度上虽然降低了轻骨料混凝土的抗压强度,但使抗折强度和折压比显著增大,明显改善了轻骨料混凝土的弯曲韧性;轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度随玻璃纤维掺量的增大呈现先增大后减小规律,当玻璃掺量为1.5时,劈裂抗拉强度达到最大值。同一应力比下,玻璃纤维掺量越大轻骨料混凝土的疲劳寿命越长;当玻璃纤维掺量相同时,应力比越大,轻骨料混凝土的疲劳寿命越短;随着玻璃纤维掺量的增多,疲劳方程的斜率和截距都逐渐增大,表明疲劳寿命对应力比的敏感性逐渐增大。     

单箱多室波形钢腹板箱梁偏载系数参数分析

通过建立三跨连续的单箱双室波形钢腹板箱梁桥模型,采用精细化的ANSYS空间网格划分,研究箱梁宽跨比、翼缘宽跨比、横隔板位置、波纹形状、波形钢板厚、波形钢板高度等参数对多室波形钢腹板箱梁应力增大系数和位移增大系数的影响,探究其对偏载系数的敏感度,并与理论分析方法进行对比。结果表明:应力增大系数与位移增大系数的变化规律有差异,中跨的偏载系数值要略大于边跨,宽跨比、横隔板位置、腹板厚度与应力增大系数呈正相关,翼缘宽跨比、横隔板位置、腹板高度与位移增大系数呈正相关,偏载系数对波形钢腹板相关参数的敏感度较低。     

交叉加劲钢板深梁弹性屈曲分析

以交叉加劲钢板深梁为研究对象,利用有限元软件ANSYS分析其弹性屈曲性能,讨论了抗弯刚度比、跨高比、钢板深梁厚度对其弹性屈曲性能的影响;考虑钢板深梁在钢框架的弯剪受力特性,根据板的经典理论建立了交叉加劲钢板深梁屈曲荷载计算公式,提出了等效屈曲系数。结果表明:交叉加劲钢板深梁的临界屈曲荷载随抗弯刚度比增大而增大,但达到门槛刚度比后,增大幅度急剧减小,得到门槛刚度比约为10;临界屈曲荷载随跨高比和板厚的减小而减小,等效屈曲系数随板厚减小而增大;等效屈曲系数与跨高比关系曲线由二次抛物线形向波浪形渐变,交叉加劲钢板深梁受力特性由剪切主导向弯曲主导过渡。     

复杂应力下H形钢悬臂柱柱脚焊缝热点应力分析

H形钢悬臂柱柱脚焊缝的疲劳性能对钢柱疲劳寿命起控制作用,应用热点应力的表面外推法,通过建立数值计算模型,对弯矩、扭矩和弯扭共同作用下柱脚焊缝热点应力进行了分析。选取翼缘与底板厚度比(t_1/t_2)、翼缘和腹板厚度比(t_1/t_3)、腹板厚度(t_3)与型钢截面高度(h)作为影响因素,对热点应力集中系数SCFhs进行参数分析。分析结果表明,其它条件不变的情况下,弯矩作用下的热点应力集中系数SCFmhs随着(t_1/t_3)和(t_3)的增大而减小,但与(t_1/t_2)关系不大,h增加可导致SCFhs增大,建议取为1.40;扭矩作用下的热点应力集中系数SCFths随着(t_1/t_2)和(t_3)的增大而减小,但与(t_1/t_3)关系不大,h增加可导致SCFths增大,建议取为1.20;弯扭共同作用下的热点应力集中系数SCFmths随着(M/T)的增大而增大,建议取1.05 SCFths。     

坑中坑开挖对悬臂式支护结构侧移的影响分析

悬臂式支护结构比内撑式支护结构对变形更为敏感,坑中坑开挖将对悬臂式支护结构侧移产生较大影响。利用有限元计算程序,建立坑中坑有限元模型并作全面数值模拟研究,得到了坑中坑不同开挖位置、深度及大小对围护结构变形的影响规律,并探讨了相应的变形控制措施。结果表明：外坑围护结构最大侧移随坑趾系数的增大而减小,并且坑趾系数存在临界值,最大侧移随着深度比和面积比的增大而增大；围护结构侧移受深度比影响最大,坑趾系数次之,面积比最小；增大内坑围护结构刚度和入土深度对抑制外坑围护结构变形增大的作用不明显,相反,内坑设置支撑能起到显著的作用。     

Q690D高强钢螺栓连接疲劳性能试验研究

为探究Q690D高强度钢材螺栓连接的疲劳性能,对Q690D高强钢母材、有孔板和螺栓连接三组试件进行疲劳试验,拟合了S-N设计曲线,并与现行规范进行比较,对其疲劳特性及疲劳寿命给予评价。试验结果表明：Q690D高强钢母材、有孔板、螺栓连接疲劳极限比GB50017理论计算值分别提高了170%、76.02%、47.76%,比AISC360理论计算值分别提高了200%、131.77%、70.49%,说明Q690D高强钢螺栓连接具有较高的抗疲劳能力。讨论了应力集中与螺栓预紧力对试件疲劳强度的影响,应力集中系数越大,疲劳强度越小,螺栓预紧力能缓和应力集中程度,可间接提高疲劳寿命。基于零塑性累积应变率假设得到了疲劳损伤公式,应力集中在一定程度上可以反应损伤发展,损伤曲线可以解释疲劳破坏机理。     

具有腐蚀坑缺陷的套管强度评估

近年来,油田套管腐蚀越来越严重,据统计,大港油田某区块套管腐蚀达到34.4%,造成了严重的套损、套漏等问题。基于上述问题,以弹性力学理论和球形腐蚀坑套管力学模型为基础,分别建立了具有两个腐蚀坑缺陷和一个腐蚀坑缺陷的套管-水泥环-地层三维有限元模型,通过具有两个腐蚀坑缺陷的模型对套管上的应力分布规律的研究,发现腐蚀坑之间的距离大于0.65 mm时,可以用具有单个腐蚀坑缺陷模型来评价套管的强度。基于单个腐蚀坑缺陷的模型,研究了腐蚀坑的半径、深度对套管强度的影响及其应力集中系数的变化规律,且研究了不同钢级在地层水化条件下对具有腐蚀坑的套管的受力影响。结果发现,有腐蚀坑缺陷的套管,其最大应力和应力集中系数随腐蚀坑深的增加而增大,且腐蚀坑半径越小,应力集中系数越大,最大达到2.0以上;其次,地层水化后加快具有腐蚀坑的套管的损坏。     

高弹模CFRP粘贴法修复钢桥板疲劳裂纹

针对钢桥中钢板疲劳裂纹进行了一系列疲劳裂纹修复试验研究,以确定不同修复方法下结构的疲劳性能。高弹模CFRP（碳纤维增强复合材料）修复法是通过粘贴高弹模CFRP布来增大结构刚度,以延长结构疲劳寿命,且碳纤维材料基本不会产生疲劳裂纹,具有较好的抗疲劳效果。采用数值模拟和试验研究相结合的方法,首先对修复钢板的应力分布和特点进行了详细的分析,然后通过3组对比疲劳试验,确定了不同修复方法对损伤钢板疲劳寿命的增强效果。最后利用修复试验值与各国规范规定的S-N曲线进行比较,分析已修复钢板的疲劳性能。研究结果表明：在止裂孔上覆盖粘贴高弹模CFRP布可有效减小孔边应力集中,具有延长结果疲劳寿命的效果,修复后的裂纹钢板的疲劳寿命是仅用止裂孔修复的裂纹钢板疲劳寿命的8倍以上。仅用止裂孔法修复损伤钢板不足以满足各国规范规定的疲劳强度要求,而在止裂孔法上进一步采用高弹模CFRP布修复后的损伤钢板的抗疲劳性能更优,其疲劳强度等级高于美国规范AASHTO中的A类细节等级。