超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能试验研究

依据功能梯度这一概念,利用超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）优秀的裂缝控制能力,将普通钢筋混凝土梁的受拉区纵向钢筋周围部分混凝土替换为UHTCC,开展了超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁受弯性能的研究工作.继理论分析工作后,本文进行了无腹筋长梁4点弯曲试验研究,通过4组不同厚度UHTCC层的复合梁弯曲试验结果验证了理论公式的正确性;并通过与普通钢筋混凝土梁的对比发现,使用UHTCC控裂的功能梯度复合梁不仅承载力较普通钢筋混凝土梁有所提高,降低钢材的用量,还可以有效控制梁的变形值,提高构件的延性.根据试验结果和理论分析还确定了复合梁中UHTCC层的最佳厚度,不但节约材料的用量,提高粱的弯曲性能,还能有效地将正常工作条件下梁的裂缝宽度控制在0.05mm以内,防止钢筋锈蚀破坏的发生,从而提高结构的耐久性.     

钢筋增强超高韧性水泥基复合材料RUHTCC受弯梁的计算理论与试验研究

UHTCC（ultrahigh toughness cemenfitious composite）是一种超高韧性新型水泥基复合材料，具有应变硬化的受拉特性和优良的裂缝分散能力，可显著提高结构的力学性能和耐久性，被有关权威专家认为对防裂、限裂及抗震要求较高的结构能极大提高其耐久性和抗震性，具有重大的突破意义和较广泛的推广应用前景．本文着眼于该新型材料，研究了钢筋增强超高韧性水泥基复合材料即RUHTCC梁的弯曲性能．以平截面假设为依据，根据物理方程、变形几何方程以及力与弯矩的平衡方程，导出了RUHTCC梁从加载开始到极限破坏整个过程中受压区按折线应力分布图计算的正截面承载力基本方程，并给出了便于工程设计的按等效矩形应力分布图计算的简化公式，确定了等效矩形中两个等效参数的取值，并进一步推出了界限配筋率、正截面抗弯刚度以及韧性指数的计算公式．进行了两组不同配筋率的RUHTCC梁和普通钢筋混凝土RC梁的弯曲试验，结果与理论公式较为吻合，延性指数试验值与计算值存在一定差异．与RC梁的比较发现，RUHTCC梁有高的承载力、延性和控裂能力，且配筋率越小，其提高的幅度越大．     

混凝土强度等级对全珊瑚海水钢筋混凝土梁抗剪性能的影响

通过对全珊瑚海水钢筋混凝土梁(coral aggregate reinforced concrete beam, CARCB)和普通钢筋混凝土梁(ordinary aggregate reinforced concrete beam, OARCB)进行斜截面抗剪性能试验,研究了混凝土强度等级对CARCB的裂缝发展、破坏形态、跨中变形及抗剪承载能力的影响,建立了弯矩-跨中挠度、挠度-梁长、荷载-最大裂缝宽度的关系,探讨了CARCB抗剪承载力(Vcs)的计算模型.结果表明:随着混凝土强度等级的提高, CARCB正截面开裂荷载(Vcr)、斜截面Vcr和Vcs均逐渐增大.不同混凝土强度等级的CARCB,其裂缝宽度均随着荷载的增大而增长,加载初期,在梁跨中附近出现正截面弯曲裂缝,裂缝宽度开展非常缓慢,随着荷载的增加,在支座向集中力作用点处出现斜裂缝,斜裂缝宽度迅速增大,最终导致梁破坏.在C60的CARCB中采用有机新涂层钢筋能有效抑制钢筋锈蚀.最后,综合考虑箍筋锈蚀和高强珊瑚混凝土(coral aggregate concrete, CAC)的影响,提出了更加合理的CARCB抗剪承载力计算模型.     

纤维编织网联合钢筋增强混凝土梁受弯性能解析理论

纤维编织网增强混凝土（TRC）是一种新型的高性能纤维增强水泥基复合材料，其不但有良好的耐腐蚀性，还可以有效限制混凝土的裂缝发展，使混凝土的裂缝宽度和间距变得更小．但由于纤维本身的脆性特征，使TRC结构达到极限荷载时没有明显的破坏预兆，而普通钢筋混凝土结构则由于特殊保护层厚度的限制，具有较大的自重，且不能有效限制结构的主裂缝发展．为克服二者的不足，本文创新性地提出纤维编织网联合钢筋增强混凝土结构，其充分利用了TRC和RC的优点．采用TRC替代其受拉区保护层的部分混凝土，同时减掉纤维编织网所替代钢筋用量，以发展一种自重小、使用安全、耐久性好的结构．分析了这种结构适筋梁的受弯发展过程，基于平截面假定按非线性分析理论给出了整个受力过程不同阶段梁的承载力，M-φ关系和跨中挠度的解析计算公式．最后通过与试验结果的对比，验证公式的合理性．     

装配预制连续梁抗剪性能分析

为分析装配预制连续梁的斜截面抗剪性能,采用两点对称加载方式对3根钢筋混凝土连续梁进行抗剪承载力试验。分析企口现浇装配预制连续梁新旧混凝土的连接性能,对比分析整浇连续梁与装配预制连续梁的裂缝开展趋势、斜截面破坏形态、极限承载能力、荷载-纵筋和荷载-箍筋应变变化规律以及变形能力。结果表明:在加载过程中,装配预制连续梁接口区域内,裂缝延伸较快,截面刚度有所削弱,但斜截面抗剪承载力特征和变形能力与整浇连续梁相似,开裂荷载和极限荷载与整浇连续梁基本相同。     

基于梁-颗粒模型的钢筋混凝土结构爆炸破坏数值研究

钢筋混凝土在爆炸载荷下的力学行为研究是防灾减灾与防护工程领域的重要研究课题.在离散元框架内,开发了模拟钢筋混凝土结构;在爆炸载荷下破坏过程的三维梁-颗粒模型,在弹性范围内,用矩阵位移法描述梁的变形与受力的关系,提出了用应力表达梁的强度准则.基于Cowper-Symonds理论,开发了描述钢筋在高加载率荷载下变形的梁-颗粒模型.采用C＋＋语言开发了模拟程序.进行了钢筋混凝土板在爆炸载荷下破坏规律的实验研究,同时用开发的模型进行了数值模拟,模拟结果与实验结果的对比表明：模拟结果与实验结果基本一致,所开发的模型可以反应爆炸载荷下钢筋混凝土材料的破坏特征,能够真实地体现爆坑的形成、裂纹的扩展、层裂等现象.     

装配预制梁抗剪性能影响因素分析

为研究装配梁斜截面抗剪性能,设计了2根装配预制梁和1根整浇对比梁进行抗剪承载力试验,分析企口位置不同的装配预制梁的抗剪力学性能。采用有限元软件ADINA,建立6根装配预制梁模型,通过对设计的6根装配预制梁进行数值模拟,研究装配预制梁不同剪跨比和配箍率对抗剪承载力、构件破坏形态以及箍筋应力的影响。研究表明:在加载过程中,装配预制梁企口区域内的裂缝延伸较快,截面刚度有所削弱,但斜截面抗剪承载力特性和变形能力与整浇对比梁相似,开裂荷载和极限荷载与对比梁基本相同;钢筋混凝土梁抗剪承载力随剪跨比的增加而明显减小,而在其他参数相同时配箍率对抗剪承载力的影响较小。     

落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的实验研究

钢筋混凝土结构在受到爆炸、冲击等荷载作用时的设计及安全性受到越来越多的关注.本文采用落锤三点弯曲实验方法对具有不同黏结强度的钢筋混凝土梁进行研究,探讨不同速度冲击下混凝土结构的破坏机理及钢筋黏结强度作用,实验结果显示:(1)钢筋混凝土梁的冲击力响应曲线峰值与钢筋黏结强度无关,为混凝土结构的响应,随速度提高而提高;(2)裂纹分布和发展模式与冲击速度相关,在较低速度冲击下,钢筋混凝土梁主要呈现弯曲破坏模式,随加载率提高向剪切破坏模式为主转变,更高速度下为冲切破坏控制;(3)钢筋黏结强度对破坏模式转变有影响,钢筋混凝土黏结强度低,越易产生剪切破坏,且易出现混凝土的块状破碎崩落,塑性铰破坏也会提前.     

活性粉末混凝土钢纤维增强增韧的细观机理

活性粉末混凝土(RPC)是一种新型超高强度水泥基复合材料, 掺入钢纤维可改善RPC韧性, 弥补脆性大的不足. 通过8字型RPC200试件的轴向拉伸试验, 应用带扫描电镜的实时加载和CCD技术详细地观测了钢纤维黏结－滑移拔出过程、RPC基体细观结构变化和物理力学特征, 分析了基体钢纤维掺量对单根钢纤维拔出时表面黏结物的形态、初裂荷载、极限荷载、界面黏结强度以及拔出功的影响, 给出了各物理量随基体纤维含量变化关系的统一表达形式. 分析了界面黏结力的构成以及钢纤维对RPC的增强增韧作用. 指出基体纤维对单根纤维黏结性能的影响存在最优掺量ρ_v,opt=1.5%.     

钢筋混凝土断裂全过程声发射特征辨识及相关参量影响

以声发射参量为切入点,通过开展带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件声发射试验,采用振铃计数率-时间曲线、累计振铃计数-时间曲线、能量-时间曲线和累计能量-时间曲线等,研究了不同设计强度等级和不同配筋率混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程声发射参量基本特性.研究结果表明:通过振铃计数-时间曲线和能量-时间曲线相互结合,可以更加准确地判断三点弯曲梁试件的起裂荷载和失稳荷载;初始设计强度对混凝土和钢筋混凝土断裂过程声发射参量具有一定影响;配筋率不同,钢筋混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程也不相同,其对应的声发射信号也存在有一定差别.为进一步研究混凝土三点弯曲梁断裂破坏过程提供了一定的试验依据.     

空间薄壁截面梁的双重非线性有限元模型

本文根据Bernoulli-Euler梁理论和Vlasov薄壁杆件理论,通过设置单元内部节点并对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑剪切变形及其耦合、弯扭耦合和二次剪应力影响的空间薄壁截面梁双重非线性有限元模型.以TL格式描述几何非线性应变,并推得几何刚度矩阵.同时考虑了材料非线性,假定材料为理想弹塑性体,符合Von Mises屈服准则和Prandtle-Reuss增量关系,采用有限分割的方法,由数值积分得到空间薄壁截面梁的弹塑性刚度矩阵.算例表明本文所建模型具有良好的精度,适用于空间薄壁结构的有限元分析.     

基体开裂对黏弹性层合圆柱壳延迟失稳的影响

研究了基体蠕变开裂对黏弹性层合圆柱壳的前屈曲变形特征和分岔蠕变屈曲的影响．采用Schapery的耦合基体开裂的积分型本构关系描述铺设单层的力学行为，由细观力学方法将损伤变量值与基体裂纹密度相关联，并建立基体裂纹密度演化与拉伸应力的幂型关系．基于Donnell型扁壳理论和Karman．Donnell几何非线性关系得到黏弹性层合圆柱壳在轴向压缩下的前屈曲变形与分岔屈曲控制方程，综合应用有限差分、三角级数展开以及Taylor的卷积积分数值递规算法求解问题．针对多组几何参数、损伤演化参数以及两端边界条件，分析对称铺设玻璃纤维／环氧复合材料圆柱壳在耦合基体蠕变开裂时的分岔蠕变屈曲行为．数值结果表明：基体横向开裂损伤显著降低了短圆柱壳分岔蠕变失稳的临界时间和持久临界荷载，但这种影响随着圆柱壳径厚比的增加而减弱直至消失，对中长圆柱壳，损伤效应与圆柱壳两端的边界条件有关．     

体外预应力加固钢筋混凝土梁式空心板桥的有限元分析

以内蒙古通辽市境内的公德屯桥为工程实例,通过静载荷试验说明桥梁需要加固,采用有限元程序ANSYS进行有限元建模研究和施加横向预应力的仿真计算,把均匀设计理论引入加固设计中.研究了各因素对挠度校验系数、应变校验系数的变化规律,综合考虑确定了优化设计方案.通过对加固前、后主梁跨中截面对比分析可知,采用施加横向预应力的方法来对钢筋混凝土空心板桥进行加固,能有效改善荷载横向分布情况,增加空心板结构间的横向联系,避免单板受力现象,且加固效果明显.     

一种高速铁路无砟轨道混凝土结构疲劳损伤模型

基于连续损伤力学理论和边界面概念,建立了高速铁路无砟轨道混凝土结构在循环荷载作用下的疲劳损伤模型.模型在主坐标系中采用了拉压两个边界面,根据加载面与极限断裂面、边界面之间的位置关系来计算高速铁路无砟轨道混凝土结构在复杂应力状态下的损伤,并由累积损伤与应变能释放率之间的关系确定循环加载中极限断裂面的变化规律.通过将该理论模型嵌入有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT,与同类模型进行比较验证了模型的可行性.最后对高速铁路双块式无砟轨道支承层进行了循环动荷载作用下的疲劳累积损伤分析.结果表明该模型不仅能够较好地反映支承层在循环荷载作用下疲劳损伤非线性演变规律,还可以展现其疲劳损伤分布形态的全过程,为研究高速铁路无砟轨道混凝土结构的疲劳损伤与寿命预测,提供了可行的理论分析方法.     

钛合金室温和高温三维复合型断裂实验研究

钛合金结构在复杂载荷和工况下的损伤容限对现代飞行器安全十分重要,但至今没有结构三维几何尺寸因素对材料高温断裂性能的影响结果报道.利用新发展的光测断裂试验技术,对航空结构材料TC11高温钛合金制成的紧凑拉伸剪切试样,在3种不同温度条件下进行了多种厚度（1.8～7.1mm）的I/II复合型断裂试验,系统分析了温度、厚度和复合载荷对断裂承载力和裂纹起裂角的影响.结果表明,TC11材料在室温下断裂承载力随厚度增加单调降低;在高温下则呈现与室温下不同的厚度效应：温度明显降低2mm试样的承载能力,而增强7mm试样的承载能力,4mm试样的承载能力则较少变化.I/II复合加载时起裂角在室温和高温条件下都存在一定的厚度效应和温度效应.这些复杂的厚度-温度耦合效应不能用已有断裂理论准确预测,必须发展新的三维复合型断裂理论和评定技术.     

考虑压-弯-剪共同作用的退化桥墩抗震性能及地震易损性分析

服役中的桥梁往往处于氯离子侵蚀的恶劣环境,钢筋混凝土(RC)桥墩作为主要耗能构件,在受氯离子侵蚀后钢筋会发生锈蚀劣化,导致桥墩的抗侧向能力发生退化,进而使其抗震性能衰减.准确建立压-弯-剪共同作用(AFSI)的锈蚀RC桥墩数值模型,是实现桥梁全寿命抗震评估的前提.本文首先基于修正压力场理论(MCFT)和纤维截面模型以及锈蚀理论建立了考虑AFSI的退化桥墩模拟方法.然后,以AFSI数值模型为基础,对一座中等跨径RC桥梁的桥墩进行了全寿命周期的抗震能力分析.最后,建立了算例桥梁的有限元模型,进行地震易损性分析,并研究了剪切作用对桥墩损伤概率的影响.研究结果表明,本文提出的AFSI模拟方法可有效对锈蚀RC桥墩进行模拟;在桥梁全寿命周期内,桥墩的抗侧向能力和耗能能力发生退化;锈蚀作用提高了桥墩在地震作用下的损伤概率,不考虑剪切作用将高估桥墩的抗震性能,低估桥墩的损伤概率,该特征在强震和锈蚀程度较高的情况下越发显著.     

基于归一化应变梯度变化的损伤识别方法研究

针对传统静态损伤识别测量方法存在测量系统布置烦琐、测点有限以及基于应变参量的损伤识别受加载条件限制的问题,一种基于归一化应变梯度变化(Differential Gradient of Normalized Strain,DGNS)的损伤识别方法被提出.通过对只含有矩形槽的试件和同时含有方形通孔和裂纹的试件的数值计算,说明该方法能够有效识别塑性变形、裂纹等损伤.实验中,提出采用应变等值线密度变化(Differential of Strain Contour Density,DSCD)取代DGNS用以识别结构损伤,两者具有相同的物理意义,但DSCD更加有效地保证云图的平滑性和可视性,实验证明DSCD可以有效地识别塑性损伤.研究表明,DGNS(DSCD)可以很好地刻画出结构塑性变形、裂纹损伤特性,剔除由于结构自身不均匀造成的应变集中区域的影响,有效地孤立出损伤区域;DGNS(DSCD)是结构的本征参数,不依赖于外部载荷幅值;相比于传统的应变损伤识别,DGNS(DSCD)具有更加敏感、更早捕捉损伤的优势.