钢筋混凝土结构裂缝损伤状态模型建模方法与分析

提出了一种钢筋混凝土(RC)结构裂缝损伤状态模型的有限元建模方法.基于弥散裂缝数值模型,采用ANSYS中APDL实体建模技术,通过调控单元应力应变关系矩阵来模拟裂缝开裂后的力学行为,建立钢筋混凝土结构在含有稳定裂缝损伤情况下的状态模型.作为数值算例,分析了钢筋混凝土简支梁在不同开裂状态、不同开裂位置和多种阻尼工况下的静动力特性.结果表明,混凝土首次开裂对结构静动力特性影响最大,已有裂缝的张开闭合对结构的影响较小.简支梁的不利开裂位置集中在荷载响应较大的支座和跨中附近,以支座处最为不利.阻尼削弱钢筋混凝土梁的动态响应,对结构影响机理复杂,非线性明显.上述分析验证了该裂缝损伤状态模型建模方法的合理性和有效性.     

高速公路拓宽差异沉降对路面结构的影响

为减少扩建高速公路拼接段的差异沉降,采用有限元ANSYS程序,研究了高速公路拓宽工程中新旧路基差异沉降对路面结构的力学影响.通过对路面应力进行计算,分析了拓宽沥青路面在使用期内不同阶段承受附加应力的力学特点与破坏方式,并预测了纵向开裂的出现位置.结果表明:早期开裂中,沥青混凝土面层和基层顶面产生较大拉应力,裂缝产生位置随着最大拉应力偏离新旧路基连接面而靠近旧路中心线方向;后期开裂中,最大拉应力和纵向开裂位置出现在新旧路基衔接处附近,且在靠近旧路一侧;当最大差异沉降超过1.5cm,沥青路面基层产生的附加应力大于其容许拉应力0.21MPa时,路面便会产生开裂现象.     

混凝土开裂对BFRP混凝土界面应力的影响

以最大主拉应力作为混凝土开裂的判别依据,采用基于能量的指数型软化损伤模型,利用扩展有限元模拟钢筋混凝土梁的裂缝扩展过程.通过在试验梁裂缝位置处预设初始裂缝,对比不同荷载水平下的裂缝扩展高度,得到与试验梁基本一致的裂缝扩展结果.进一步将该方法用于玄武岩纤维布(BFRP)加固预损伤钢筋混凝土试验梁的失效分析中,模拟了试验梁由于混凝土裂缝扩展引起的界面剥离全过程,给出了混凝土裂缝扩展与界面应力分布之间的对应关系,得到混凝土开裂是导致BFRP剥离的主要原因的结论.     

钢筋混凝土梁裂缝分布受保护层厚度影响试验研究

通过12根保护层厚度不同的钢筋混凝土梁试验,量测了正常使用各级荷载下受拉区内不同高度梁侧面处的裂缝间距与裂缝宽度.分析了混凝土保护层厚度变化对平均裂缝间距和平均裂缝宽度的影响规律.结果表明:底面至侧面1.5as范围内,平均裂缝间距和平均裂缝宽度随保护层厚度c的增加而增加.确定了裂缝宽度最大值的出现位置:c=60～70 mm时在粱底面;c=40～50 mm时在梁底面,但梁腹处裂缝也有一定宽度;c=20～30 mm时在梁腹.研究了保护层厚度不同的钢筋混凝土梁受拉区范围内不同高度处与钢筋重心水平对应的混凝土侧表面裂缝宽度之间的比值关系,通过理论分析与试验数据拟合,提出了该比值的计算方法,比较结果表明计算值与实测值吻合较好.     

考虑温度非均匀性的沥青路面温度应力分析

为了合理评价温度对沥青路面结构的影响,考虑沥青路面温度沿深度方向的非均匀性分布和温度对沥青混凝土模量的影响,利用有限元法计算分析了不同面层初始裂缝深度和不同气温下的路面结构温度应力与应力强度因子变化情况。结果表明:面层表面开裂后,裂缝处的温度应力显著减小,面层底面的温度应力有所增大;裂缝初始深度越大,日平均温度越低,温差越大,面层底面的温度应力越大,裂缝处的应力强度因子也越大。在青藏公路沿线平均气温低、日温差大的条件下,一旦面层表面开裂,沥青路面结构将产生较大温度应力,导致裂缝快速向下扩展。     

基于非均布荷载的柔性基层沥青路面纵向开裂分析

为研究柔性基层沥青路面纵向裂缝的产生机理和发展规律,实测了子午线货车轮胎在不同轴重和胎压下的接地印迹与应力。借助实测的子午线轮胎接地面积和简化的非均布轮载应力,建立了轮胎-路面非均布条形荷载力学计算模型,对不同沥青层厚度的柔性基层沥青路面结构进行了三维有限元分析,计算超载和设计轴载工况下2种路面结构最大拉应力和最大剪应力值及其发生位置,并依托级配碎石基层沥青路面足尺试验路进行了加速加载破坏试验,得到了中低温环境下沥青层开裂类型、发生位置和发展变化规律,提出以轮胎胎纹间隙处的最大剪应力作为沥青路面自顶向下开裂的力学指标;基于力学分析指标和足尺试验路疲劳破坏作用次数,构建沥青路面自顶向下疲劳开裂预估模型。研究结果表明:柔性基层沥青路面最大拉应力远离轮迹带,其应力值远小于沥青混合料的容许拉应力,对沥青层自顶向下扩展的纵向开裂无影响;最大剪应力发生在路表或距路表一定深度范围内,轴载越大,最大剪应力越接近路表,水平力越大,最大剪应力越靠近轮底中心;当轮载水平力系数由0增加至0.5时,最大剪应力由轮底边缘移至子午线轮胎第2条凸纹与第3条凸纹间隙处。足尺试验路重轴载加速加载破坏试验时,柔性基层沥青路面最先发生了位于轮底中心、源自路表自顶向下扩展的间断纵向裂缝,随重复轮载作用纵向裂缝逐渐连通,裂缝的扩展方向与轮胎胎纹走向一致,印证了纵向开裂源于轮底轮胎胎纹间隙处的理论分析结果,明晰了柔性基层沥青路面自顶向下开裂的关键破坏源。     

高强钢筋混凝土梁裂缝宽度的试验研究和分析

为了研究配置高强钢筋混凝土梁开裂后的使用性能,对14根配置500MPa钢筋的混凝土梁进行了受弯性能试验.给出了梁侧面裂缝宽度沿裂缝高度的分布规律;梁底面裂缝宽度沿梁宽变化规律;典型位置处平均裂缝宽度与弯矩关系等,并对裂缝宽度值进行了统计分析.由本次试验和其他相关试验的数据分析表明:在钢筋应力较高时产生的次生裂缝会明显抑制主裂缝的扩展速度;我国现行规范的裂缝宽度公式的计算值明显大于试验值,不适用于配置高强钢筋混凝土梁的情况.对钢筋高应力下的裂缝宽度主要影响因素进行了分析,并提出了配置高强钢筋混凝土梁裂缝宽度的2种计算模式.建议公式与试验结果吻合较好.     

考虑混凝土软化特性的钢衬钢筋混凝土压力管道承载性能研究

采用损伤塑性模型,考虑混凝土软化特性,对三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道进行非线性有限元分析,并与模型试验结果进行对比.与不考虑混凝土软性特性相比,考虑混凝土软化的计算结果在混凝土开裂范围、最大裂缝宽度、钢材应力等方面与模型试验成果吻合更好.考虑混凝土软化特性的计算结果表明:在设计内水压力作用下,管顶内侧和管腰外侧混凝土最易开裂,最大裂缝宽度的计算值约为0.26mm,小于规范规定的裂缝宽度限值;钢衬的最大应力出现在管顶,钢筋的最大应力出现在内层钢筋管顶位置,钢衬和钢筋的最大应力分别为132.1MPa和143.5MPa,均小于相应钢材的允许应力,满足强度安全要求.     

带缺陷钢筋混凝土叠合梁抗弯性能的试验研究

为了研究带缺陷的钢筋混凝土叠合梁抗弯性能的变化情况,通过在叠合梁跨中和加载点位置叠合面上放置泡沫板,模拟了在生产制造、装配施工阶段出现的质量缺陷,试验研究了带缺陷的钢筋混凝土叠合梁的抗裂性能、极限抗弯承载力及破坏特征。结果表明:与无缺陷试件相比,2根带缺陷试件的开裂弯矩均下降约10%,在跨中叠合面设置缺陷的试件极限抗弯承载力下降约3%,加载点位置叠合面的缺陷使极限抗弯承载力下降约15%;竖向裂缝出现前,缺陷对试件抗弯刚度的影响较小;竖向裂缝出现后,跨中叠合面缺陷对试件裂缝发展影响较小,加载点位置叠合面缺陷使裂缝沿叠合面水平方向发展,并最终在缺陷处叠合面产生1～2 mm的滑移。试验结果可为钢筋混凝土叠合梁的设计和检测提供参考。     

钢筋混凝土结构锈胀开裂及裂缝扩展试验研究

采用加速腐蚀试验,系统地研究了钢筋直径、混凝土强度、腐蚀电流密度、保护层厚度、钢筋位置和类型等因素影响下钢筋混凝土锈胀开裂及裂缝扩展的规律.试验结果表明:腐蚀电流密度对锈胀开裂时间的影响最为显著,其他依次为钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度;锈胀裂缝随时间增长呈线性增大趋势;各种因素对锈胀裂缝扩展的影响程度依次为腐蚀电流密度、保护层厚度、混凝土强度和钢筋直径;腐蚀电流密度越大、保护层厚度越小,锈胀裂缝扩展越快;混凝土强度等级越高、钢筋直径越小,锈胀裂缝扩展越缓慢.对比分析发现,钢筋位于上部和相同腐蚀电流下采用变形钢筋时,锈胀开裂晚且裂缝扩展更缓慢;钢筋位于角部时开裂早且裂缝扩展快.分析了各种因素影响机理并提出了提高耐久寿命的措施.     

界面端脆性开裂扩展的数值模拟

用有限元分析了简支梁下表面粘贴异质材料后粘贴材料性能及结合角对界面端附近应力分布的影响,在此基础上,分别应用最大切应力准则和最大周向拉应力准则对界面端开裂扩展进行了数值模拟.计算结果表明,粘贴材料的性能及结合角仅对界面端附近的应力数值有影响,而对其分布规律影响不大;界面端或者由最大切应力引起沿界面开裂扩展,或者由最大周向拉应力引起垂直于界面在梁内开裂扩展.     

双层预应力大跨度地铁车站结构震害模拟与分析

以箱型双层预应力大跨度地铁车站开发为研究背景,采用动塑性混凝土损伤本构模型,用拉压损伤因子描述混凝土在循环荷载下的非线性与疲劳性能,综合考虑了震前土-结构自重应力、钢筋混凝土预应力和地铁车站结构的阻尼效应,对土-地铁结构相互作用系统地进行了地震过程的非线性数值模拟.分析了震害发生时大跨度预应力地铁车站结构的破坏过程、破坏形式和抗震薄弱位置.结果表明:地铁车站侧墙底部外侧首先产生裂缝,之后顶板中板在与侧墙连接处、跨中底部等位置出现裂缝,并迅速开展,部分位置甚至形成贯通裂缝;其中靠近底板位置处的侧墙外侧易产生竖向拉压破坏,顶板和中板的跨中及板在与侧墙连接处易产生水平向拉压破坏;侧墙与顶板底板连接处交替出现剪应力集中.靠近底板处的侧墙外侧与顶板在与侧墙连接处上侧位置破坏时间早,因而是影响框架安全的关键部位.     

受力状态下混凝土试件碳化试验研究

为了研究混凝土桥梁的碳化规律,采用加速碳化试验方法,进行了碳化环境下受力状态混凝土试件的耐久性试验,分析了碳化混凝土的退化机理和规律.结果表明:拉、压应力分别加快和减缓了混凝土碳化的速率,且应力变化越大,碳化速率的改变就越大;桥梁常用C50强度混凝土的碳化深度远小于低强度混凝土,但C50强度混凝土受拉时的相对碳化深度大于低强度混凝土.根据试验结果修正了现有混凝土碳化深度预测模型中的工作应力影响系数.当混凝土桥梁的裂缝宽度满足规范要求时,裂缝对混凝土碳化的影响很小;预应力混凝土桥梁的耐久性能优于钢筋混凝土桥梁.     

钢筋混凝土保护层锈裂行为的细观有限元模拟

为了研究混凝土材料非均匀特性对保护层锈裂行为的影响,基于蒙特卡罗方法建立了随机骨料模型,采用Matlab软件编写了骨料生成和投放代码,并考虑了界面层的影响.通过改变锈蚀层厚度,对钢筋锈胀引发的混凝土保护层开裂行为进行了细观有限元模拟.结果表明,混凝土内钢筋锈蚀产物膨胀具有非均匀性,砂浆与骨料的界面是钢筋混凝土保护层锈胀过程中的最薄弱环节.当锈蚀层的最大厚度为1.24μm时,界面开始产生裂缝,随后钢筋周围砂浆产生裂缝;当锈蚀层的最大厚度为9.00μm时,混凝土保护层表面出现裂缝,此时钢筋的有效锈蚀率仅为0.186%;当锈蚀层的最大厚度达到18.00μm时,混凝土中钢筋之间裂缝贯通,此时裂缝分布图与实测锈胀开裂相似,表明细观模拟计算可靠.     

纵向受拉钢筋锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪性能

对纵向受拉钢筋锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪性能展开实验研究.实验梁根数为12根,实验变量为纵向受拉钢筋锈蚀程度以及剪跨比(a/d),采用电化学加速法模拟纵向受拉钢筋锈蚀,并通过3点加载实验调查锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪性能.实验结果表明,纵向受拉钢筋锈蚀导致的粘结退化会引起锈蚀梁的承载机制发生变化,最终影响到梁的抗剪承载力.具体表现在:锈蚀引起主斜裂缝向加载点移动,"拱机制"增强导致混凝土承担剪力增加,但和主斜裂缝相交的屈服箍筋数量减小导致"桁架机制"承担的剪力下降.上述承载机制迁移现象不仅与纵向受拉钢筋锈蚀程度有关,同时也受剪跨比的影响.     

混凝土梁教学实验中的异常开裂机理探讨

针对钢筋混凝土简支梁剪压破坏性教学实验,在加载临近极限承载力时,梁端上部受压混凝土出现竖向开裂的异常现象,认定混凝土受压区出现拉应力;通过剪跨段上部混凝土应变测试,得到随荷载增加应变由压变拉的试验数据;根据实测应变分布,计算钢筋与混凝土在完全锚固情况下的粘结剪力,并与混凝土对钢筋的实际粘结强度进行比较,得出钢筋与混凝土粘结破坏并产生滑移的结论;认为剪跨段短,上部纵向应变梯度大,滑移引起的钢筋相对伸长在混凝土中产生拉伸效应,是导致剪跨段上部混凝土竖向开裂的主要原因,并提出验证实验方案。     

应变模态在检测桥梁钢筋损伤中的性能研究

在用大型有限元分析软件ANSYS建立钢筋混凝土单跨简支梁实体模型的基础上,通过对混凝土中的钢筋在单一位置,不同位置相同损伤程度,不同位置不同损伤程度的多种损伤工况下,进行了全面的数值仿真模拟,对应变模态在钢筋混凝土桥梁检测中对钢筋损伤定位及相对损伤标定方面的性能进行全面的研究测试.研究结果表明,应变模态对梁底受拉钢筋的腐蚀损伤具有良好的敏感性,能准确地标定损伤的位置及相对损伤程度.     

保护层厚度及配筋参数对混凝土裂缝宽度的影响研究

混凝土保护层厚度和配筋参数是影响钢筋混凝土构件裂缝宽度的两个主要因素.本文通过设计配筋混凝土单轴拉伸试验,探究配筋混凝土的开裂过程,重点研究保护层厚度和配筋参数对配筋混凝土试件的裂缝宽度、裂缝间距的影响.试验结果分析表明,裂缝宽度随着钢筋应力的增大而增大;保护层厚度、配筋参数均为平均裂缝间距和平均裂缝宽度的主要影响因素;总结裂缝宽度随钢筋应力、保护层厚度以及配筋参数d/ρ的变化规律,为钢筋混凝土构件在实际工程中的裂缝控制提供依据.     

钢筋黏结退化的空间分布对RC梁受剪性能影响

为了分析钢筋黏结退化区段的空间分布对钢筋混凝土(RC)结构承载机制和破坏形态的影响,对10根模拟完全黏结失效的RC梁进行实验研究.从荷载挠度关系曲线、箍筋屈服举动、裂缝进展情况以及构件破坏形态出发,利用桁架和拱理论分析了纵向受拉钢筋不同区段的黏结退化及不同锚固形式箍筋的黏结退化对RC梁抗剪性能的影响.研究结果表明:纵向受拉钢筋的端部区域黏结失效比跨中区域黏结失效更为危险,破坏模式呈脆性,且承载能力有较大幅度的下降;端部黏结失效导致的上述影响在剪跨比较大梁中尤为明显;箍筋形式对梁的最终承载力影响不大,但相对于开口型箍筋,闭合型箍筋对斜裂缝开口进展有更好的限制作用.     

钢筋混凝土板局部受火有限元分析

用有限元分析的方法对三跨连续钢筋混凝土板火灾下的温度场进行了仿真计算,研究了边跨和边中两跨同时受火时结构的响应.发现两者最大挠度都发生在受火边跨;都是在支座处首先形成裂缝,之后裂缝随温度的升高不断扩展,最终在负筋截断处形成破坏铰,但出现塑性铰的位置和塑性区的范围不同.