基于粘结的型钢轻骨料混凝土梁有限元分析

为研究粘结滑移对型钢轻骨料混凝土梁受力性能的影响,对型钢轻骨料混凝土梁进行了非线性有限元模拟,并且和试验结果进行了比较。基于型钢和混凝土界面存在的粘结力,引入局部粘结滑移本构关系,对型钢应力分布、裂缝形态、荷载一挠度曲线进行了分析。分析中考虑了剪跨比、型钢放置情况等影响因素。分析结果表明：型钢轻骨料混凝土梁受力性能和型钢普通混凝土梁相似,随剪跨比增大,逐渐由斜剪破坏过渡到弯曲破坏。荷载一挠度曲线可明显地划分为三个阶段。考虑粘结的有限元分析结果和试验结果吻合较好,未考虑粘结的有限元计算承载力和刚度均比试验值大。     

弯曲裂缝引起FRP混凝土界面剥离的数值分析

目的找出混凝土裂缝扩展对纤维增强材料FRP与混凝土界面粘结性能的影响规律.方法基于断裂力学理论,采用商业软件ANSYS中的界面单元模型(Cohesive Zone Model CZM),模拟素混凝土梁跨中I型裂缝扩展以及FRP与混凝土界面II型裂缝的扩展过程.结果随着混凝土裂缝的扩展,加固梁承载力出现两个峰值:第一个峰值出现在混凝土宏观裂缝扩展的起始点,此时FRP布的应力低于500 MPa,FRP与混凝土界面切应力在混凝土裂缝附近较大,其余部分切应力及界面滑移量基本为零,界面处于完全粘结状态.第二个峰值出现在FRP与混凝土界面发生剥离时刻,之后界面剥离从混凝土跨中裂缝位置向梁端部扩展,加固梁的承载力保持在第二个峰值上,FRP布应力达到1 480 MPa,界面粘结切应力及滑移量向FRP端部移动,跨中完全剥离的界面,切应力降为零,滑移量保持不变.结论计算得到的荷载随混凝土开裂的变化趋势及峰值荷载与试验值吻合较好,说明笔者提出的数值模拟方法能较准确地预测CFRP加固带缝混凝土梁的承载力.     

碳纤维板-混凝土界面黏结性能的试验研究与有限元分析

碳纤维板与混凝土的界面黏结性能是碳纤维加固混凝土结构的关键性能之一,对加固结构的力学行为和破坏形态等有着重要影响.进行了4个试件的碳纤维板-混凝土黏结双面剪切试验,研究了设置不同粘贴长度的试件的界面力学行为和破坏模式,分析了黏结长度对界面极限承载力和应力分布的影响.试验结果表明:加载点附近应力远大于端部应力,板端黏结界面剪应力沿板长方向大致呈指数衰减分布.在试验研究基础上,在ANSYS中采用正交弹簧单元组模拟界面黏结,建立了试件的有限元模型,并采用试验分析得到的局部黏结滑移曲线关系作为有限元模型中的界面弹簧单元刚度,计算发现有限元分析结果和试验结果比较吻合,从而验证了本文有限元模型的有效性.以本文试验得到的黏结滑移曲线关系为基础,通过拟合得到了基于几种经典黏结滑移本构形式的界面本构模型.试验及有限元分析表明:当拉伸应力超过碳纤维板强度的24%时,碳板已开始从混凝土表面剥离.为保证充分利用碳纤维板的强度,应采用可靠锚具对碳纤维板进行锚固.     

CFRP加固混凝土梁的非线性有限元分析

碳纤维复合增强材料(CFRP)具有轻质、高强等特点,在我国混凝土结构加固中得到了广泛的应用.本文基于有限元软件ANSYS,对材料本构关系的选取、有限元模型的建立、网格划分、二次受力的实现及混凝土与CFRP之间的粘结滑移处理方式进行了探讨.以9根试验梁作为依据,将试验结果与数值模拟结果进行对比分析.结果表明,数值模拟结果与试验结果基本一致,所建立的有限元模型能较好地反应真实状况;且利用ANSYS可以较好地模拟CFRP加固梁在承载过程中的荷载效应,为实际工程提供了参考.     

FRP加固混凝土梁剪弯段的剥离应力分析

为更有效地分析外贴纤维复合材料(FRP)片材加固混凝土梁剪弯段的剥离应力问题,提出了避开对整根加固梁进行有限元分析的困难,取加固梁两弯剪裂缝间梁段作为空间非线性有限元计算模型的思路,并用圣维南原理和数值模拟方法说明该简单模型的合理性和可靠性.并基于此模型,以FRP应力、剪跨比、FRP-混凝土粘结滑移本构关系、FRP层数...     

基于梁段的FRP加固混凝土梁剥离破坏分析

为更合理分析增强纤维复合材料(FRP)加固混凝土梁剪弯段的剥离破坏,提出了一个基于加固梁两裂缝间梁段的空间有限元模型,并用圣维南原理和数值方法证实其合理性和可靠性;进而以FRP应力、FRP层数、剪跨比、FRP-混凝土粘结滑移本构关系和梁段长度作为影响因素,对此模型做非线性有限元计算分析.结果表明:FRP应力和层数对剥离荷载有显著影响,数值计算与多个既有实验结果基本一致.     

单弹簧联结单元法的改进算法

单弹簧联结单元法是在实体单元与梁单元的切向设置单弹簧联结单元,模拟钢筋与混凝土切向的相互作用.其切向刚度是由钢筋与混凝土之间的粘结力与滑移量的关系确定,法向变形协调则通过建立法向自由度约束方程保证.在单弹簧联结单元法的基础上,提出了基于钢筋混凝土滑移关系全量曲线的非线性迭代解法,对单弹簧联结单元法进行了改进.在钢筋和混凝土之间直接引入粘结滑移本构关系,由钢筋和混凝土之间的全量滑移量直接求解相互作用力,不仅可以考虑本构关系曲线的下降段,而且受加载方式的影响较小,使得单弹簧联结单元法的求解速度和精度大大提高.     

超高性能混凝土板加固足尺钢筋混凝土梁抗剪性能

为进一步研究超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete, UHPC)预制板加固钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)梁的抗剪性能,开展了3根足尺RC梁的试验研究,包含1根对比梁和2根UHPC预制板加固梁,关注UHPC板及其内嵌CFRP板条对RC梁抗剪性能的影响。试验结果表明：试验梁均发生受剪破坏,但加固梁的承载力、刚度和延性均明显提高,其中,因内嵌CFRP板条提高了UHPC板的抗裂性能,极限荷载及对应位移分别提高了30.8%和28.5%;螺杆力学锚固发挥了侧向约束作用和销栓作用,在一定程度上提高了UHPC板的贡献。同时,通过建立非线性有限元模型对试验梁进行了数值分析,模拟结果与试验结果吻合度高,表明模型所选的本构关系及相关参数合理,可用于预测UHPC板加固RC梁的全过程受力行为。     

表层嵌贴预应力CFRP板条加固RC梁抗弯性能有限元分析

利用ABAQUS有限元软件对表层嵌贴预应力碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)板条加固钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁的抗弯性能进行非线性有限元分析.首先,通过模拟试验中的5根表层嵌贴预应力CFRP板条加固RC梁,将数值模拟结果与试验结果进行对比,以验证所建立模型的正确性;然后,利用验证后的有限元模型深入分析CFRP预应力水平、CFRP加固量、混凝土强度等级、纵向配筋率等因素对钢筋混凝土加固梁抗弯性能的影响.分析结果表明:CFRP预应力水平和CFRP加固量对RC梁的开裂荷载影响较大;纵向配筋率对RC梁的承载力影响较大;混凝土强度等级对RC梁的抗弯性能有一定的影响,但是不如其他影响因素明显.     

胶层对内贴CFRP加固圆形隧洞受力特性的影响

基于CFRP加固圆形隧洞的小比例尺模型试验,采用实体单元模拟胶层和衬砌混凝土,采用弹簧单元以及双线性界面黏结滑移关系模拟胶层和衬砌混凝土的弧形接触界面的黏结滑移行为,建立了"实体-弹簧-实体"三维有限元模型,并将有限元模型的计算结果与模型试验的实测结果以及界面应力理论计算结果进行了对比,验证了三维有限元模型的有效性.基于该有限元模型,着重分析了胶层厚度以及弹性模量的变化对混凝土应力、CFRP应力、胶层应力以及弧形接触界面复杂应力状态的影响.计算分析结果表明:胶层厚度以及弹性模量对隧洞衬砌混凝土的应力水平无明显影响,改变胶层的厚度以及弹性模量并不能明显地改善衬砌混凝土的受力状态;胶层的厚度以及弹性模量对弧形接触界面应力的影响十分显著,选择弹性模量较小的胶层,在施工过程中适当地减薄胶层的涂刷厚度,可以显著降低界面应力,从而减小内贴CFRP加固圆形隧洞结构发生剥离破坏的风险.     

CFRP筋复合增强板加固石梁受力性能有限元分析

采用有限元程序ABAQUS,对碳纤维增强复合材料(CFRP)筋复合增强板加固石梁的受弯性能进行数值建模.利用已有的荷载-挠度曲线、荷载-CFRP筋应变曲线数据对建立的模型进行可靠性验证,结果表明:有限元模拟结果和试验结果吻合良好.在此基础上,对加固后的石梁进行受力全过程截面应力分析,归纳得出荷载-变形特征曲线.基于平截面假定,提出采用CFRP筋复合增强板加固石梁的受弯承载力计算公式,计算得出的开裂弯矩与试验结果和有限元模拟结果吻合较好.     

高强混凝土框架边节点抗震性能分析

在四榀高强混凝土框架边节点试件的抗震性能试验研究工作基础上,用有限元非线性方法建立了计算模型并进行了简化.对高强混凝土采用等效单轴应变的增量正交异性模型,且考虑裂面效应的反复加载本构关系,对反复荷载下的应力-应变关系作了适当修改;钢筋的应力-应变关系中考虑了反复荷载下的Baushinger效应,同时对其软化段作了相应的简化;在粘结滑移模型中引用了斜压杆单元和反复荷载下的粘结滑移关系.根据以上模型编制了二维非线性有限元程序,并用所编程序对四榀高强混凝土框架边节点进行了分析,计算结果与试验结果符合良好.     

表层嵌贴CFRP板加固RC梁的抗弯性能

利用ABAQUS有限元软件对表层嵌贴碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)板加固钢筋混凝土(reiforced concrete,RC)梁的抗弯性能进行非线性有限元分析.通过模拟5根表层嵌贴CFRP板加固RC梁,并将数值模拟结果与试验结果、理论计算结果进行对比,以此验证所建模型的正确性.利用验证后的有限元模型深入分析嵌贴长度、开槽数量、加固方式、纵向配筋率对RC梁抗弯性能的影响.模拟结果表明:嵌贴长度和纵向配筋率对RC梁的抗弯性能影响较大;开槽数量、加固方式对RC梁的抗弯性能影响较小.另外,提出了CFRP板的界限加固量公式.     

CFRP布加固无粘结预应力连续梁受力性能试验研究

对10根经历了极限荷载的无粘结预应力混凝土连续梁用粘贴CFRP布进行了加固.完成了10根加固梁的试验,考察了平截面假定的适用性、无粘结筋的应力增长情况、加载过程中裂缝的分布与开展、跨中变形的发展、试验梁的破坏特征等.基于试验结果,建立了考虑原梁受荷历程影响的正截面承载力计算方法,提出了以中支座控制截面在极限荷载下的弹性弯矩计算值MLoad与张拉引起的次弯矩Msec之和(MLoad Msec)为调幅对象,以相对塑性转角θp/h0为自变量的调幅系数β的计算公式.     

碳纤维布加固指接木梁的强度性能

通过有限元分析木梁和指接梁的典型破坏特征,对不同构件的CFRP进行加固分析,得出提高指接木梁弯曲承载能力的加固模式.考虑材料线性和非线性本构关系,以及损伤因素对碳纤维布加固指接木梁的力学影响,利用ABAQUS 软件对指接点进行有限元分析,建立简化模型,设计出精确描述模型损伤行为和性能的数值方法.结果表明,运用CFRP加强材来增强木梁力学性能的方法有效,木梁的变形性能得到明显改善.     

纵向非均匀锈蚀梁的非线性有限元分析方法

针对实际工程中存在的受拉钢筋纵向非均匀锈蚀梁,从锈蚀钢筋混凝土本构关系入手,对锈蚀梁结构性能退化和破坏特征进行分析.建立锈蚀梁有限元模型,钢筋单元采用三维杆单元,混凝土单元采用8节点实体单元,钢筋与混凝土之间的粘结单元采用非线性弹簧单元.利用大型有限元ANSYS分析软件,对纵向非均匀锈蚀梁的受力性能进行模拟,模拟结果与其他非线性分析方法结果类似,说明采用非线性有限元方法分析纵向非均匀锈蚀梁受力性能正确有效.     

碳纤维布加固指接木梁的强度性能

通过有限元分析木梁和指接梁的典型破坏特征，对不同构件的CFRP进行加固分析，得出提高指接木梁弯曲承载能力的加固模式.考虑材料线性和非线性本构关系，以及损伤因素对碳纤维布加固指接木梁的力学影响，利用ABAQUS 软件对指接点进行有限元分析，建立简化模型，设计出精确描述模型损伤行为和性能的数值方法.结果表明，运用CFRP加强材来增强木梁力学性能的方法有效，木梁的变形性能得到明显改善.     

PCRC梁受剪性能有限元分析

为了进行PCRC梁受剪性能有限元分析,基于钢材和混凝土的材料本构、单元类型、边界条件等,考虑构件的材料和几何非线性以及钢板笼与混凝土之间的接触作用,采用ABAQUS有限元分析软件,建立PCRC梁受剪承载力计算有限元分析模型.将有限元计算得到的荷载-挠度曲线和钢板笼破坏形态与试验结果对比,吻合性较好.并利用ABAQUS后处理得到混凝土应力云图和损伤云图,进行PCRC梁的受剪机理分析,知其破坏形态似拱形-桁架模型,为后续进行PCRC结构有限元分析提供参考.     

内嵌CFRP板条加固超载损伤钢筋混凝土梁试验研究

为研究超载情况下内嵌CFRP板条加固损伤混凝土梁的抗弯性能,进行了5根钢筋混凝土梁的抗弯试验,模拟了超载损伤状态,研究了加固梁的破坏形态、承载能力和刚度,分析了超载重复次数和超载幅值对加固梁抗弯性能的影响.试验结果表明:内嵌CFRP板条加固损伤混凝土梁可以提高梁的承载能力,提高幅度在16%~27%.超载重复次数和超载幅值影响加固梁的屈服荷载、极限荷载和刚度,屈服荷载和极限荷载随着超载重复次数和超载幅值增加而降低,刚度随超载重复次数的增加而减小.建立了承载力计算公式,理论计算结果与试验结果吻合良好.     

预应力碳纤维条带加固混凝土圆柱滞回性能有限元分析

采用环向预应力碳纤维条带加固钢筋混凝土圆柱,能够对核心混凝土提供主动约束,避免纤维复合材料的应力滞后,显著提高柱的承载力、延性和抗震性能.为模拟预应力碳纤维条带加固钢筋混凝土圆柱拟静力试验的非线性响应过程,利用有限元软件ABAQUS的实体单元建立了圆柱的有限元模型,对其滞回曲线和骨架曲线等进行了分析,并将其结果与试验结果进行比较;最后进行了预应力度、轴压比对加固效果的参数影响分析.结果表明,实体单元有限元模型可以较好地模拟预应力碳纤维条带加固钢筋混凝土圆柱在低周往复荷载作用下的非线性响应,使用预应力CFRP加固能够提高钢筋混凝土圆柱的抗震性能.