高温下钢筋混凝土梁抗冲击性能的细观数值分析

结合混凝土细观结构特征,考虑高温下钢筋和混凝土细观组分力学性能退化行为及材料的应变率效应,建立了钢筋混凝土梁细观数值分析模型,研究了高温经历时间和落锤冲击能量对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响.主要分析了高温下钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的破坏过程、冲击力时程、支座反力时程和跨中位移反应.研究结果表明:细观数值模型由于考虑了细观组分的非均质性,获得了较为合理的温度场分布;随着加热时间的增加,混凝土梁在冲击荷载作用下破坏更加严重,冲击力持续时间和跨中最大位移增大,但是冲击力峰值减小;随着冲击能量的增大,钢筋混凝土梁的剪切破坏更加严重,冲击力峰值增大,跨中最大位移随冲击能量增大而线性增加.     

带肋钢筋-混凝土界面黏结破坏行为细观模拟

钢筋与混凝土之间的良好黏结是钢筋混凝土结构共同承载受力的基本前提.结合混凝土细观结构及带肋钢筋结构特征,考虑钢筋与混凝土间摩擦阻力及机械咬合作用的影响,建立了带肋钢筋与混凝土界面非线性黏结破坏行为研究的细观尺度分离式相互作用模型.在与已有试验结果吻合良好的基础上,首先讨论了细观力学分析方法的优势,研究了钢筋-混凝土界面黏结-滑移行为与破坏机制,分析了钢筋黏结应力的分布特征.进而基于细观数值分析方法讨论了骨料分布、保护层厚度、混凝土强度等级、钢筋直径和钢筋肋高等因素对钢筋-混凝土界面黏结破坏行为的影响规律,得到了一些规律性认识.     

钢筋混凝土轴压柱长细比效应的细观数值研究

钢筋混凝土柱名义轴压强度的尺寸效应源于:1)混凝土材料本身的非均质性及其力学非线性;2)钢筋/混凝土相互作用的高度复杂性.此外,长细比效应是影响钢筋混凝土柱最终破坏模式及其承载能力的另一重要因素.考虑混凝土材料细观结构的非均质性,及钢筋与混凝土间的非线性黏结滑移等因素,建立了钢筋混凝土柱轴心受压加载下力学行为研究的细观尺度力学分析模型.首先通过反演法确定了混凝土各细观组分的力学参数;进而对不同长细比钢筋混凝土柱在轴心受压加载下的破坏行为进行了数值模拟研究.结果表明:低长细比柱轴压加载下主要发生压剪破坏;而高长细比柱则发生屈曲失稳破坏,且由于端部效应的影响,破坏区域集中于柱的端部;长细比值小于9时,柱名义强度无明显变化,而大于9时,柱的屈曲强度迅速降低.     

钢筋混凝土节点核心区剪切破坏尺寸效应试验研究

设计了最大节点核心区尺寸为700 mm×700 mm的14个几何尺寸相似的钢筋混凝土(RC)框架梁-柱节点(中间层中节点)试件,对其在不同加载方式(单调与循环加载)下的力学性能进行了试验研究.研究了荷载形式、配箍率及尺寸对节点核心区剪切破坏行为的影响规律;重点分析了节点核心区名义剪切强度的尺寸效应规律,并初步讨论了尺寸效应产生的根源.试验结果与分析表明:(1)不同荷载形式作用下RC梁-柱节点的破坏均为核心区脆性剪切破坏;(2)由于低周疲劳损伤特性,循环荷载作用下节点剪切强度较低,且变形能力较弱;(3)节点名义剪切强度随结构尺寸增大而减小,尺寸效应显著;(4)随着箍筋率的提高,节点抗剪承载力及变形能力增强,剪切强度的尺寸效应行为被削弱.本试验中,混凝土破坏的主导效应以及加载的低周疲劳特性是剪切破坏尺寸效应产生的主要原因.     

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.     

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.     

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.     

弹体高速冲击载荷下钢筋混凝土的破坏行为实验与细观数值模拟

钢筋混凝土在土木工程与国防领域具有广泛而重要的应用,且存在明显的尺寸效应,有必要进行大尺寸侵彻实验研究其在高速冲击下的动态响应.本文开展了100 mm大口径卵形弹高速侵彻钢筋混凝土靶的实验,并对靶体的破坏模式、侵彻深度和开坑直径进行了详细分析.由于钢筋的加入导致混凝土具有更为复杂的非均质性和各向异性,各组分的变形、破坏和相互作用对混凝土力学特性产生重要的影响.基于Voronoi技术提出了一种钢筋混凝土三维细观快速并行建模方法,解决了骨料大规模投放以及钢筋和骨料交叉检测的难题,并结合KC模型对实验工况进行了细观数值模拟,得到了靶体和钢筋的破坏模式、弹体侵彻深度以及弹道偏转,实验结果与数值模拟结果吻合良好,说明该细观模型能够有效和准确地预测钢筋混凝土的破坏行为.     

RC梁-柱中节点核心区剪切破坏及尺寸效应数值分析

钢筋混凝土梁-柱中节点核心区剪切破坏具有脆性特征,因而其抗剪强度可能存在尺寸效应.在已开展的物理试验研究基础上,采用数值试验方法扩展讨论了结构尺寸(节点最大截面尺寸为900 mm×900 mm)、轴压比和体积配箍率对钢筋混凝土梁-柱中节点破坏机制与失效模式的影响,并揭示了它们对剪切强度尺寸效应的影响规律.研究结果表明:(1)单调加载下,梁-柱中节点展现为核心区的脆性剪切破坏,名义剪切强度具有明显尺寸效应;(2)轴压比的增大可提高中节点的抗剪承载力,同时强化了剪切强度的尺寸效应;(3)体积配箍率的增大将增强节点的抗剪承载力,但会削弱剪切强度的尺寸效应.此外,经典的Ba?ant材料层次尺寸效应律可描述中节点剪切破坏的尺寸效应行为,但其无法描述轴压比与配箍率的定量影响.     

活性瓷釉(CRE)涂层钢筋防腐蚀技术研究进展

活性瓷釉(CRE)涂层是近几年国际上才开始系统研究的一项新型钢筋防腐蚀涂层技术.CRE涂层能够显著提高钢筋的耐腐蚀能力,增加钢筋与混凝土之间黏结强度,提升结构的整体稳定性,从而改善结构的安全性和耐久性;该涂层材料成本低廉,加工工艺简单,利于大范围使用.首先对CRE涂层技术的特点进行了介绍,然后对当前CRE涂层技术的研究进展进行了综述,重点介绍了CRE涂层对钢筋混凝土黏结力学性能和钢筋耐腐蚀性能的影响,最后对该技术应用于我国的前景进行了展望.     

超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能理论研究

超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）无论在拉伸还是弯曲荷载作用下都表现出明显的应变硬化特征并且其极限拉伸应变稳定地达到3%以上,同时将传统水泥基材料在单轴抗拉荷载下单一裂纹的宏观开裂模式转化为多条细密裂纹的微观开裂模式,并且在极限荷载时其平均裂缝宽度仅为60μm.依据功能梯度这一概念,利用其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,先后完成了受弯理论分析、无腹筋复合长梁实验研究、试验研究与理论分析验证对比、裂缝控制分析等方面研究.结果表明,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,并且能够有效地防止钢筋锈蚀破坏的发生,从而提高结构的耐久性.对整个加载过程中复合梁的内力变化和裂缝开展进行了探讨,并按照弹性理论给出了正截面受弯各阶段内力分析、加载至破坏整个过程的弯矩-曲率关系的确定,以及跨中挠度、截面延性指标的计算,同时通过试验结果对理论公式进行了验证.     

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.     

基于能量标准的混凝土结构抗冲击设计

将冲击荷载分为软冲击和硬冲击，以受到软冲击作用的结构为研究对象，建立韧性设计方法的流程图。构思安全分析设计的思路，给出能量标准的安全系数概念，建立以能量标准对混凝土结构整体破坏进行安全校核的方法和准则，并以常见的混凝土板的冲击破坏为例，说明如何考虑破坏模式的影响。     

基于改进IDA的混凝土坝地震易损性研究

针对目前混凝土坝易损性分析研究中震害等级划分多采用单一指标以及增量动力分析法(IDA)中选取步长增量时未考虑结构响应等问题,本文提出基于改进IDA的混凝土坝易损性分析方法:首先采用功效系数法以位移、应力、损伤区域为指标对坝体结构破坏进行综合评价,并应用变权模型考虑指标数值对指标权重的影响;然后通过计算得到的坝体综合破坏指数,根据坝体震害等级划分采用变增量步长法改进IDA法,从而可以更加全面地计算分析坝体在不同强度地震作用下从弹性状态到完全破坏的结构响应过程;最后,以某混凝土坝挡水坝段为例,建立有限元模型计算结构地震响应,应用改进IDA法绘制其地震易损性曲线.结果表明,该方法可以分析坝体结构在不同地震强度作用下产生各个等级破坏的概率,进而为混凝土坝结构抗震安全设计等提供理论依据.     

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．     

爆破冲击荷载下花岗岩残积土的力学响应试验研究

地铁隧道盾构施工前,通常需要对风化层中的孤石进行爆破处理,爆破荷载不可避免地对周围土体产生扰动.为了调查爆破冲击荷载对花岗岩残积土力学行为的影响,开展了不同冲击速率、频率、振动峰值应力及有效围压作用下花岗岩残积土的冲击动力试验,分析冲击荷载引起的超静孔隙水压力和变形的发展规律与破坏模式.结果表明:高速冲击引起的颗粒重排会增大土的内摩擦角,但强度增大的同时也会破坏原生结构强度,土体产生更多裂缝;振动峰值应力与频率对残积土的影响均存在着临界值,振动峰值应力与频率超过临界值时,强度软化且变形量增大;低围压下残积土可能会出现剪胀与剪切带破坏;提出的3种爆破冲击破坏类型中,低频高振动峰值应力的冲击条件下易出现严重的冲击破坏,频率3 Hz、振动峰值应力400 kPa是厦门花岗岩残积土介于破坏型与亚稳定型的临界影响值,因此,工程实践中应关注低频、高振动峰值应力的爆破冲击对周围土体带来的危害.研究可为花岗岩风化层中爆破法处理孤石提供施工参数,也可为考虑爆破振动影响的土层的力学参数确定与评价提供技术支持.     

钢管混凝土柱压-扭破坏尺寸效应细观数值分析

地震作用下,钢管混凝土柱容易受到扭转作用而发生压-扭破坏,扭矩作用将导致钢管混凝土柱的破坏加剧.本文首先建立了能够同时考虑混凝土非均质特性和混凝土/钢管接触行为的钢管混凝土柱力学分析模型及其数值模拟方法,进而模拟研究了钢管混凝土柱在压-扭联合作用下的失效破坏行为和尺寸效应规律.主要分析了截面尺寸、轴压比、含钢率和截面形状对钢管混凝土柱破坏模式、名义抗扭强度及其尺寸效应行为的影响.结果表明:随轴压比的增大,钢管混凝土柱抗扭承载力呈现先增大后减小的趋势,且当轴压比在0.4左右时,抗扭承载力达到最大值;钢管混凝土柱在压-扭联合作用下存在一定程度的尺寸效应,且根据本文模拟工况,名义抗扭强度下降幅度可达24%;此外,随轴压比的增大,名义抗扭强度的尺寸效应行为呈现先削弱后增强的趋势.基于本文数值试验数据及作者前期研究工作,提出了考虑轴压比和含钢率影响的钢管混凝土柱名义抗扭强度尺寸效应公式.     

高应变率下RPC动态力学性能的试验研究

利用5种钢纤维掺量活性粉末混凝土(RPC)圆柱形试件的SHPB冲击压缩实验研究了10×100~1.1×102s?1应变率范围内RPC的动态力学性能,分析了不同应变率和钢纤维掺量下RPC的应力波动特征、破坏模式、强度及耗能能力的变化规律以及应变率和钢纤维掺量的影响.提出了不同应变率和钢纤维掺量条件下RPC动态应力-应变响应的基本模式与本构模型.研究表明:应力波作用下素RPC的应力响应高于应变响应,脆性特征显著.掺入适量钢纤维后,RPC碎裂时的应变率和变形能力较素RPC有明显提高.相同钢纤维掺量下,应变率增加时,RPC的峰值抗压强度、峰值应变和残余应变均有不同程度的提高,其中残余应变提高的幅度最大.相同应变率条件下,提高钢纤维掺量对于改善RPC碎裂后的残余变形能力作用不大.钢纤维对RPC峰值抗压强度和峰值变形能力的影响不同,相同应变率下,钢纤维率不超过1.75%时,峰值抗压强度随纤维率增加而增加;纤维率超过1.75%后,峰值抗压强度开始逐步下降;峰值应变随钢纤维掺量增加而持续增大.相同应变率下,从冲击开始至残余变形阶段RPC的总耗能Edisp随钢纤维掺量增加而逐步提高,但纤维率超过2%后总耗能Edisp则开始逐步下降.不同变形阶段钢纤维对RPC耗能所起的作用不同.钢纤维率不超过2%时,钢纤维对提高峰值变形前耗能的作用大于对提高峰值变形后耗能的作用.应变率对总耗能和各阶段耗能均有显著影响,应变率越高,各阶段的耗能越大,动态冲击时的韧性越好.给出了RPC峰值抗压强度、峰值变形、残余变形,以及各阶段耗能随应变率和钢纤维率变化的经验模型.采用标准化的应力和应变作为广义应力与广义应变,以应变率和钢纤维率为界,将RPC的动态应力-应变响应模式简化为4类基本模型,并给出了每类模型的数学表达式.     

箍筋约束对小偏心加载下高强RC柱尺寸效应影响分析

旨在揭示箍筋约束作用对高强钢筋混凝土(RC)柱在小偏心(e_0=0.25h_0)受压加载下尺寸效应行为的影响.开展了最大横截面尺寸为800 mm×800 mm的12组几何相似的配箍率为0和0.66%的高强混凝土柱试验,此外,建立了钢筋混凝土柱力学行为分析的细观尺度分析模型,并在模拟与试验结果吻合良好的基础上,补充开展了更大配箍率柱(即:1.2%和2.4%)的数值试验,进而对偏心受压加载下柱的力学行为,包括破坏模式、名义受压应力,应变关系、承载力、名义压缩强度及峰值后软化行为等进行了研究,并对其名义压缩强度的尺寸效应进行了分析,进而揭示箍筋约束作用对小偏心加载高强钢筋混凝土柱破坏行为及尺寸效应影响机制,结果表明:1)小偏心受压加载下高强钢筋混凝土柱名义压缩强度存在明显的尺寸效应;2)Bazant尺寸效应律能够较好地描述钢筋混凝土柱在偏心受压加载下的尺寸效应行为;3)箍筋约束作用能够明显提高钢筋混凝土柱的强度及延性,且会削弱其尺寸效应;4)本文建立的细观数值模型能够很好地表征钢筋混凝土柱力学性能.     

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．