预应力混凝土梁受力全过程有限元分析

采用考虑材料非线性的有限元方法,选取适当的混凝土、普通钢筋和预应力筋的本构关系和单元类型,对6根预应力混凝土梁的受力全过程变形性能进行了非线性有限元分析,获得了梁的跨中弯矩-挠度曲线,受压边缘混凝土和预应力筋的荷载-应变曲线以及屈服位移、极限位移和位移延性系数等计算成果,与试验成果对比符合良好表明,基于ANSYS程序建立的有限元数值模型用于研究预应力混凝土受弯构件的变形性能是可行的.     

ABAQUS显式分析梁单元的混凝土、钢筋本构模型

目的 为准确模拟地震作用下钢筋混凝土梁柱构件的弹塑性受力特性,解决ABAQUS软件显式分析模块缺乏用于三维梁单元的混凝土本构模型及钢筋本构模型的问题.方法 采用的混凝土单轴本构模型考虑了箍筋对混凝土的约束影响以及混凝土裂面效应的影响,钢筋单轴本构模型合理考虑了Bauschinger效应,利用ABAQUS用户子程序接口VUMAT进行二次开发,编制了用于显式动力分析的梁单元混凝土、钢筋本构模型的计算程序,并对往复荷载下钢筋混凝土柱受力性能进行了数值模拟.结果 通过与ABAQUS自带的钢筋本构模型对比,验证了采用笔者给出的混凝土与钢筋本构模型能够较好地反映钢筋混凝土柱在低周往复荷载作用下的滞回性能以及双向弯曲耦合性能.结论 数值模拟结果与试验结果吻合良好.笔者开发的混凝土、钢筋本构模型能够用于混凝土梁柱构件在复杂受力状态下的动力非线性响应分析.     

ABAQUS中三维梁单元材料单轴本构模型的二次开发

为了在ABAQUS软件中实现对三维钢筋混凝土纤维梁单元的弹塑性计算,利用ABAQUS软件隐式模块下的用户自定义子程序接口UMAT,基于Mander受压骨架曲线、过镇海受压加卸载规则及滕智明受拉加卸载规则组合的混凝土本构理论和OpenSEES中Steel02采用的钢筋本构理论,在ABAQUS软件中开发了用于空间梁单元的混凝土和钢筋单轴本构滞回模型,并与已有的低周反复加载试验结果进行了比较.结果表明,本文基于ABAQUS软件二次开发的材料单轴滞回模型能够较好地模拟空间钢筋混凝土杆系结构的弹塑性滞回行为.     

钢筋混凝土梁柱边节点滞回性能数值模拟

为准确模拟梁柱边节点在地震条件作用下的滞回响应,建立考虑黏结退化机制的梁柱边节点有限元模型。基于ANSYS有限元平台,采用Voce-Chaboche混合强化模型定义钢筋的循环本构关系,开发组合弹簧单元实现往复荷载作用下钢筋与混凝土间的黏结退化机制,根据损伤理论提出往复荷载作用下黏结滑移本构关系预测模型。有限元计算得到的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、应力云图与试验结果的对比表明：混合强化本构能更好地描述往复荷载作用下钢筋的滞回响应,组合弹簧单元成功地反演了往复荷载作用下钢筋与混凝土的黏结退化特征,往复荷载作用下节点梁中塑性铰的发育导致梁塑性伸长,将对边节点柱造成不利影响,梁柱边节点数值模拟结果与试验结果吻合良好,为准确模拟梁柱边节点的滞回性能提供了理论基础和技术平台。     

玄武岩纤维混凝土单轴受拉损伤本构模型研究

为探究玄武岩纤维混凝土单轴受拉状态下的受力行为,采用等效应变假定理论,建立玄武岩纤维混凝土单轴受拉损伤演化方程。结合相关试验数据对考虑纤维影响的材料参数进行标定,得到单轴受拉损伤本构模型。通过试验曲线与理论曲线对比分析,验证损伤本构模型的准确性。以玄武岩纤维混凝土-钢筋梁三分点加载为例,运用该本构模型进行结构有限元分析,数值模拟结果与试验结果吻合程度较高,表明运用该损伤本构模型对结构受力进行分析具有可行性。     

预应力混凝土扁梁框架内节点的三维有限元模拟分析

为了分析轴压比对预应力混凝土扁梁框架内节点抗震性能的影响,运用ANSYS软件,模拟了单调荷载作用下预应力混凝土扁梁框架内节点的荷载-位移曲线,并与相应的试验结果进行比较分析。在有限元模拟试验的扁梁框架内节点的基础上,用ANSYS软件模拟了未做过试验的不同轴压比下的扁梁框架内节点荷载-位移曲线,模拟结果表明,轴压比的增大在一定程度上可以提高试件的承载力,但是太大的轴压比则会使试件的延性不足,反而会对抗震不利。     

钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱节点的非线性有限元分析

以简化的Varma模型作为钢材的循环本构关系模型,建立了2类钢管混凝土柱与组合梁连接节点——梁钢筋贯通钢管节点和梁钢筋与上加强环焊接连接节点的三维非线性分析模型,并采用有限元软件ANSYS对其在低周反复荷载作用下的滞回性能进行了非线性分析。结果表明：由有限元模型得到的低周反复荷载作用下的滞回曲线及骨架曲线与试验所得的结果吻合较好,但在屈服荷载后差异较大;如能恰当地选择材料的本构关系、计算模型和破坏准则,则能够采用有限元模型准确地预测上述2类节点的弹塑性行为和整体抗震性能,并用于节点滞回性能的非线性参数分析。     

低周反复荷载下异形钢管混凝土柱力学性能有限元分析

为了研究低周反复荷载下异形钢管混凝土柱的力学性能,以试验研究为基础,在参考常用的方钢管混凝土柱核心混凝土本构关系的基础上,提出了适用于L形钢管混凝土柱核心混凝土在低周反复荷载作用下的应力-应变关系,采用有限元程序Opensees,模拟了低周反复荷载下L形钢管混凝土柱的荷载-水平位移(p-Δ)关系曲线;分析了L形钢管混凝土柱抗震性能的影响因素.结果表明:计算结果与试验结果吻合较好;轴压比是构件骨架曲线的主要影响因素,随着轴压比的增大,试件的刚度逐渐变小,水平极限承载力变小,曲线将会出现下降段,且下降幅度有增大的趋势;截面宽厚比D/t和截面长宽比D/B对构件骨架曲线的影响相似,总体上对荷载-位移骨架曲线的形状影响很小,主要表现在对水平承载力大小的影响.     

平端板连接半刚性梁柱组合节点的弯矩-转角模型

目的研究半刚性连接弯矩-转角关系,为半刚性组合框架设计提供依据.方法采用连接弯矩-转角关系的数学模型模拟方法,并利用4个平端板连接半刚性梁柱组合节点的拟动力试验和低周反复荷载试验的结果进行验证.结果给出了平端板连接半刚性梁柱组合节点弯矩-转角关系的模型,包括单调加载和循环加载模型.在单调荷载作用下,连接的弯矩-转角关系曲线有三线性和幂函数两种形式;在循环荷载作用下,给出的连接滞回模型同样包含两种形式：第一种,骨架曲线采用与单调荷载作用下相同的三线性形式,滞回曲线采用最大点指向形式;第二种,骨架曲线采用与单调荷载作用下相同的三参数幂函数形式,而滞回曲线同前.结论与现有试验数据的比较表明,给出的平端板连接弯矩-转角关系模型与试验结果吻合较好,可供工程设计使用.     

钢筋混凝土框架的三维非线性有限元模拟分析

采用ANSYS软件中非线性分析常用单元:SOLID65、LINK8及COMB IN39,分别模拟混凝土、钢筋以及钢筋与混凝土的黏结滑移,建立分离式模型模拟四层两跨钢筋混凝土框架的荷载位移曲线,通过与试验结果的比较,验证模型的正确性。然后根据ANSYS中建立分离式有限元模型模拟不同轴压比、不同混凝土强度及不同配筋情况下框架的荷载位移曲线,分析以上因素对水平承载力的影响。     

混凝土率相关单轴塑性损伤本构的开发及应用

为了对爆炸作用下钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)构件动力响应进行简化分析,需要合理描述混凝土和钢筋的应变率效应,而LS-DYNA中缺乏能够考虑混凝土应变率效应的单轴本构模型,因此,结合Faria单轴塑性损伤模型,通过黏性规则化方法调整率无关模型的损伤阈值演化律以考虑应变率效应,并利用LS-DYNA将该模型编制为用户材料子程序VUMAT.以单个单元测试了高应变率下材料的基本性能;基于纤维模型模拟了RC梁在爆炸、冲击作用下的动力响应.结果表明:该本构模型能反映混凝土受拉应变率效应高于受压应变率效应的事实,同时也能较准确地模拟爆炸与冲击作用下RC梁的动力响应.     

混凝土四相复合模型的三维细观破坏模拟

考虑到混凝土内部细微裂隙的存在对混凝土强度和变形的重要影响,提出将混凝土视为砂浆、骨料、界面和随机缺陷组成的四相复合材料模型。混凝土细观单元服从应变空间内增量形式的弹塑性损伤本构,采用破坏单元网格消去法模拟混凝土裂纹扩展,数值模拟了三维混凝土单轴压缩和不同均质度试样的单轴拉伸弹塑性损伤破坏过程。结果表明：文中建立的混凝土四相复合材料模型中增加随机缺陷的模拟,一定程度上符合混凝土成形实际情况;随机缺陷的体积百分比是决定弱化混凝土宏观强度程度的主要因素;均质度低的单轴拉伸试样裂纹咬合明显,均质度高的试样断裂更清晰,数值模拟结果与试验结果较吻合。     

预应力双高混凝土梁弹塑性分析

为研究高强钢筋高强混凝土预应力梁的数值模拟方法,以基于Canny中的ms模型对3根采用C80级混凝土,1860级钢绞线和HRBF500的不同换算配筋率的预应力梁构件进行了数值模拟.先选取合理的材料本构关系及参数,得到滞回曲线,骨架曲线,能量耗散曲线等,再对得到的试验数据进行比较,可知基于力的纤维模型梁柱单元能够较好的模拟预应力梁在低周反复作用力下的受力情况.     

钢筋混凝土受扭构件计算模型的修正与研究

钢筋混凝土受扭构件合理的计算模型需要一套准确的材料本构关系方程,考虑了钢筋混凝土受扭构件开裂后受拉混凝土的作用,分析了其对受扭构件承载力和变形的影响。对计算模型中的受拉混凝土和钢筋的本构关系方程作了改进,并对受扭构件承载力和变形做了计算,理论结果和试验结果吻合较好。     

混凝土单轴压缩过程中损伤演化与声发射分析

为了研究混凝土单轴压缩状态下的损伤演化过程,利用声发射设备采集试样破坏过程的声发射数据,基于声发射信号建立声发射能量表述的损伤本构方程,对损伤程度进行量化表述,提出了损伤因子在启裂强度和损伤强度的取值区间.基于连续介质损伤力学,对微裂纹的发育过程和声发射能量数综合分析.结果表明,理论应力-应变曲线与试验曲线吻合较好,混凝土单轴压缩过程各阶段吻合度较高,混凝土单轴压缩损伤本构模型具有一定的合理性.     

基于损伤的PHC桩单轴受拉动态本构模型研究

通过引入应变率强化因子、损伤弱化因子和预应力强化因子,并分析它们对预应力混凝土强度的影响,建立了一个单轴受拉动态本构模型用于描述PHC桩在冲击载荷作用下的冲击特性.对比了试验结果与该模型的数值模拟结果,结果表明:模型预示结果在变形趋势上符合很好,在数值精度上与试验结果符合良好.本成果可为振动沉桩过程中控制振动锤参数提供依据,能有效防止因拉应力过大而导致PHC桩被拉断的事故.     

高边坡卸荷变形的梁-颗粒模型模拟

为了模拟与预测岩质高边坡在开挖卸荷过程中的变形特征,把高边坡离散为由颗粒单元与梁网络组成的复合结构,用离散元法描述颗粒单元运动,通过颗粒间的相对位移计算梁的变形及梁端力,通过梁的变形与破坏体现介质的损伤与渐进变形,并通过对单轴抗压实验的模拟验证模型与程序的可靠性,对三峡永久船闸高边坡开挖卸荷变形进行了模拟.结果表明:模拟结果与实测结果吻合较好,相差3%左右,说明基于离散元框架内的梁-颗粒模型可以反映高边坡卸荷变形机理.     

超轻质水泥基复合材料基本力学性能

为探究超轻质水泥基复合材料(ultra lightweight cement composite,ULCC)的基本力学性能及应力-应变曲线本构关系.以粉煤灰空心微珠为唯一轻质微集料,以水泥和硅灰为胶凝材料,以高效减水剂和减缩剂为外加剂,配制了钢纤维体积掺量为1%,表观密度介于1 250~1 550 kg/m3,轴心抗压强度介于47.9~70.0 MPa的4种不同密度等级的ULCC.对其分别进行单轴抗压和单轴抗拉试验,分别研究了ULCC的轴心抗压和轴心抗拉力学性能,测得了ULCC材料轴心抗压强度、轴心抗拉强度、弹性模量、泊松比及单轴抗压和单轴抗拉应力-应变曲线.结果表明:ULCC的抗压强度、抗拉强度和弹性模量均随密度的增加而增加; ULCC的轴心抗压强度和弹性模量与密度呈较强线性相关性.轴心抗拉试验结果表明ULCC抗拉应力-应变曲线关系呈现明显的峰后平台段,ULCC材料具有良好的拉伸变形能力.根据试验测得的ULCC单轴抗压和单轴抗拉应力-应变全曲线,建立了ULCC单轴抗压和单轴抗拉的分段式应力-应变本构方程.研究成果可为ULCC结构的设计和非线性有限元计算提供理论依据.     

轻集料混凝土局部受压试验及动力本构分析

为探究轻集料混凝土单轴局部受压动力特性,采用试验机对轻集料混凝土单轴局部受压本构关系进行相关试验研究.考虑了5种不同加载应变率和4种不同加载面积,在位移控制下,得到轻集料混凝土单轴局部受压应力-应变曲线.根据应力-应变曲线特征点的峰值应力、峰值应变和弹性模量,分析不同加载应变率与加载面积对特征点的影响.同时根据混凝土黏弹塑性损伤本构模型,考虑不同加载应变率和加载面积的影响修正模型参数,并通过试验数据验证理论模型的合理性.研究结果表明:加载应变率和加载面积对轻集料混凝土应力-应变曲线影响明显;不同加载面积对轻集料混凝土弹性模量、峰值应力及峰值应变有较大影响;所提出的理论模型能够准确描述轻集料混凝土材料局部动力荷载作用下的应变率效应和非线性行为.     

Simulation of Fatigue Stiffness Degradation in Prestressed Concrete Beams under Cyclic Loading

In order to investigate and research the fatigue cracking of prestressed concrete fatigue properties and loading and stiffness degeneration process,cyclic loading tests were carried out on six prestressed concrete beams and the stiffness degradation under fatigue was investigated. A simulation model of stiffness degradation is proposed based on the stiffness analysis of the fatigue-damaged section. The elastic modulus of damaged concrete and the effective residual area of steel were introduced as well as an adjusted three-stage concrete fatigue damage evolution model. The strip method was used to analyze concrete damage due to changing stress along the depth of the beam section. The simulation and test results were compared and a method of predicting fatigue deflection was presented based on the simulation model. The predicted results were compared with that of the neural network method. It is in good agreement for the simulation results with the test results. It is only less than 5% error for the simulation model which can reveal the two-stage degradation of prestressed concrete beams under cyclic loading. It is more precise for the simulation prediction method under proper conditions.