基于损伤理论的钢筋混凝土结构裂缝分析

依据裂缝开展与受拉损伤演化之间的内在联系,提出了基于损伤变量估计裂缝宽度的基本方法.将模型与损伤本构关系以及非线性有限元方法结合,可以精细地描述钢筋混凝土构件在外力作用下的非线性行为,特别是裂缝开展规律.与试验结果的对比表明,该方法不但具有良好的精度,而且能够描述构件非线性发展全过程中裂缝产生和扩展的规律.基于该方法精细分析混凝土结构中裂缝产生和发展的过程,可以为实际工程的分析和设计提供有力的依据.     

无腋角综合管廊结构足尺模型静载试验与有限元分析

装配整体式混凝土管廊结构一般不设置腋角,为研究无腋角综合管廊结构的破坏机制、承载能力以及裂缝状况,完成一个多舱无腋角综合管廊节段足尺模型集中荷载下的静载试验,并与带腋角节段模型进行比较.试验结果表明:集中荷载作用下,管廊长跨顶板裂缝宽度达到短期作用下的裂缝宽度限值0.133 mm为控制条件,顶板最终发生剪切破坏.建立有限元模型并利用试验结果加以验证,采用非线性有限元方法分析管廊节段模型,结果表明均布荷载和集中荷载下节段模型的力学性能基本相同.根据节段模型试验和非线性有限元分析可知,无腋角和带腋角管廊结构的设计控制条件均为最大裂缝宽度,但最终破坏均为顶板的剪切破坏.适当增加管廊顶板的纵筋配筋率,不带腋角的管廊结构性能与带腋角的管廊结构性能接近.     

不同结构沥青混合料反射裂缝数值模拟与比较

为了得到不同结构下的沥青混合料中反射裂缝的发展情况,将密实悬浮、骨架密实和骨架空隙这3种结构的沥青混合料小梁生成数字试件,并运用扩展有限元方法(XFEM)数值模拟进行虚拟试验,得到裂缝在沥青混合料中自下而上反射扩展的过程,同时选取AC,ATB,SMA和LSPM等4种典型沥青混凝土材料,考察其抵御反射裂缝的能力.通过对比分析4种典型沥青混凝土材料中裂缝在密实悬浮、骨架密实和骨架空隙3种结构中的扩展路径和沥青混合料在不同裂缝扩展阶段下的力学响应,发现沥青混合料的骨架结构越明显,裂缝开展的最大位移和最终长度越小,裂缝发展最后阶段最大主应力越小,裂缝越不能自由发展.因此,骨架结构可以有效减少反射裂缝,提高材料的抗反射裂缝能力.     

缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展分析

针对缝洞型碳酸盐岩水力裂缝转向问题,基于多孔介质流-固耦合基本方程和损伤力学基本理论,建立了缝洞型碳酸盐岩储层的裂缝扩展有限元模型并进行模拟分析,模拟发现：（1）水力裂缝遇到天然裂缝,逼近角越大,水力裂缝转向的极限水平主应力差越小;天然裂缝长度越长,极限水平主应力差越大。（2）水力裂缝遇到缝洞体,溶洞宽度越大,水力裂缝沿转向的极限水平主应力差越大;天然裂缝的逼近角越大,极限水平主应力差越小。（3）压裂裂缝遇到天然裂缝转向后,转向后的裂缝的宽度变小;水力裂缝遇到溶洞,裂缝总体宽度急剧下降。     

钢纤维全轻混凝土梁斜裂缝试验研究

为了进一步了解钢纤维全轻混凝土梁斜截面的受力性能及其斜裂缝宽度的发展规律,制作了18根试验梁,运用反位试验加载装置,采用两点对称集中加载的方法,研究了剪跨比λ、钢纤维掺量ρf和配箍率ρsv3个变量的变化对钢纤维全轻混凝土斜裂缝宽度的影响。结果表明:剪跨比过大或者过小对于斜裂缝的发展都是不利的;钢纤维掺量的增加可以有效抑制斜裂缝的发展,减小斜裂缝的宽度;箍筋在试验梁正常使用阶段几乎不起作用。最后通过对斜裂缝宽度的观测和分析,将斜裂缝宽度的计算值与试验值进行对比,提出了钢纤维全轻混凝土梁的最大斜裂缝的计算公式。     

UHPC矮肋桥面板抗弯性能研究

为研究UHPC矮肋桥面板的抗弯性能并验证其在多跨大跨连续梁中的适用性,以滨州黄河大桥为背景,提出两种UHPC矮肋板方案（平均板厚分别为16.4 cm和14.3 cm）.首先建立实桥有限元模型,得到实际荷载作用下桥面板UHPC应力和栓钉剪力.接着,进行足尺抗弯试验,获得矮肋板从加载至破坏的过程中裂缝萌生与发展特征、荷载-位移曲线和应变分布规律等.试验表明,底部钢板的设置可以有效限制UHPC裂缝的发展,在钢板屈服前裂缝宽度呈线性发展;两种方案开裂应力分别为16.8 MPa和15.6 MPa,经过实桥有限元计算得到两种桥面板方案的纵向受力安全系数分别为2.2和1.5;钢板屈服后主裂缝迅速出现,最终桥面板纵肋受拉裂缝快速发展,顶面出现受压裂缝,认为试件破坏;然后,考虑UHPC材料受拉贡献,结合UHPC规范对结构抗弯承载能力进行验算,结果表明,当采用截面非线性方法并使用材料实际性能参数时,可以预测UHPC矮肋板的极限弯矩,计算值和试验值的比值分别为0.95和1.01.最终,对结构关键设计参数进行分析,结果表明,UHPC抗拉强度对极限弯矩的影响较小,增加钢板厚度是提高其极限弯矩的有效途径,窄而高的纵向加劲肋具有更高的受力效率.     

三峡电站压力管道外包混凝土开裂分析

针对三峡压力管道外包混凝土裂缝性状和位置的不确定性问题,通过对三峡压力管道的三维非线性有限元分析,得出了在设计荷载作用下三峡压力管道外包混凝土开裂区域位置,并给出了管道混凝土可能的最大裂缝宽度值.     

临海滩涂环境下混凝土中氯离子侵蚀破坏试验研究

混凝土的材料组成、工作环境等因素对其耐久性有很大的影响。通过对不同配合比、不同保护层厚度长期暴露于临海滩涂环境的钢筋混凝土试件表面裂缝规律、钢筋锈蚀程度、力学性能等方面的试验研究,表明:直接暴露于临海环境中的钢筋锈蚀最为严重;钢筋锈蚀越明显,其强度下降趋势越显著,锈蚀率越大,延性越低;混凝土保护层的厚度、裂缝宽度跟钢筋锈蚀之间是相互影响的,保护层厚度越小,裂缝宽度越大,钢筋锈蚀率越高,当裂缝宽度为小于或等于0.2mm的细微裂缝时,钢筋锈蚀率≤2%,当裂缝宽度0.5 mm时,钢筋锈蚀率与裂缝之间可能存在线性正向关系。     

保护层对锈蚀钢筋混凝土梁裂缝的影响

沿海老旧建筑长期受高浓度氯离子侵蚀,破坏钢筋与混凝土间的黏结,严重影响构件的承载能力。为探索沿海建筑合理的保护层厚度,本文应用电化学原理,对11根前期浸泡在浓度为5%Na Cl溶液中的钢筋混凝土梁进行通电加速腐蚀。通过加载试验测量了裂缝宽度与开裂荷载,并与理论计算值对比分析,其结果比较吻合。结果表明:保护层厚度对试验梁裂缝开展起决定性作用,保护层越小裂缝开展越严重。     

缝洞型油藏裂缝宽度变化预测模型及其应用

在缝洞型油藏中裂缝作为储集空间及渗流通道,其闭合与否对油田生产有着重要影响。以塔河缝洞型油藏为背景,对裂缝是否闭合进行预测,建立考虑内压变化的有限元力学模型,获得不同形态裂缝闭合过程及闭合规律。通过正交试验设计研究多因素对裂缝闭合的影响,并借助多元回归分析方法建立裂缝宽度随裂缝倾角、裂缝长度、侧压力系数变化的预测模型。结果表明:裂缝的长度越长、所处地层侧压力系数越大,裂缝越容易闭合;倾角对裂缝闭合的影响与所处地应力场有关,在构造应力小于垂直应力的地层中,倾角越小的裂缝越容易闭合;侧压力系数对裂缝闭合影响最大,裂缝长度次之,裂缝倾角影响最小。     

波形钢腹板组合箱梁横向受力有效分布宽度研究

为了研究波形钢腹板箱梁的桥面板有效分布宽度,制作了一片模型试验梁,对其进行了静载非破坏性试验,研究了此种结构桥面板的有效分布宽度变化规律.结合现行公路桥规值和有限元结果,在3种有效分布宽度计算值比较的基础上对现行公路桥规值进行修正,得到了不同工况下的有效分布宽度修正系数.结果表明:按现行公路桥规计算的有效分布宽度值相比试验值、有限元结果略小,应对桥规值乘以大于1.0的修正系数,使之适用于波形钢腹板箱梁的有效分布宽度计算.     

预弯复合梁的力学性能

通过结构模型试验和非线性有限元计算，研究预弯复合梁的变形，应力，裂缝特征及破坏形态，考虑了由混凝土徐变引起的一期混凝土预应力损失，计算结果与试验值符合良好。     

三峡升船机塔柱筒体结构温度配筋研究

讨论了现有温度配筋方法的不足,采用钢筋混凝土非线性有限元方法,根据使用阶段最大允许裂缝宽度来合理配置的温度钢筋;并运用这一概念对三峡升船机塔柱筒体结构的温度配筋进行研究,分析了配筋量与裂缝开展、裂缝宽度之间的关系,确定了合理的温度钢筋用量,和现有的方法进行了对比。     

基于黏结-滑移效应的钢筋混凝土梁裂缝宽度数值计算

基于黏结-滑移理论对钢筋混凝土受弯构件裂缝宽度的计算进行说明,指出采用数值计算方法进行分析的必要性.在综合考虑钢筋与混凝土间的黏结-滑移效应、裂缝间混凝土拉伸硬化效应以及材料非线性本构关系等问题的基础上,建立钢筋混凝土梁构件裂缝宽度计算的数值模犁.以8根HRB500级高强钢筋混凝土梁受弯开裂试验为例,将试验结果、规范公式计算结果以及数值模型预测结果进行对比分析.研究结果表明:试验梁短期最大裂缝宽度的模型预测结果与试验结果较符合,两者比值的均值为1.098,变异系数为0.146 5;而规范公式计算值则普遍大于试验值,需要进行适当修正.取等间距开裂的模型梁进行算例分析,得出平均裂缝宽度预测值与规范公式的计算值较吻合,进一步验证了该数值计算模型是一种有效的、准确的裂缝宽度分析方法.     

钢衬钢筋混凝土管道开裂机理及模拟技术研究

钢衬钢筋混凝土管道在设计上允许外包混凝土开裂,确定其裂缝发展规律和结构的承载特性是评估管道能否长期安全稳定运行的前提,但现有的解析公式多是半理论半经验公式,不同的公式计算结果误差较大,有限元法成为了主要的分析方法.以往的有限元模型多基于损伤或者断裂理论,较少考虑二者的耦合作用,本文结合三峡水电站大比尺试验模型,建立了基于黏聚裂缝模型的有限元模型,在管道混凝土中插入内聚单元综合模拟了混凝土开裂过程中的损伤和断裂特性,得到了管道结构开裂前后的钢材应力变化规律、裂缝扩展形态以及裂缝宽度,进一步系统地讨论了内聚参数和网格尺寸的影响.有限元模拟裂缝扩展形态与模型试验时裂缝宽度中间宽、两侧较小的结论一致.管腰和管顶典型部位的裂缝宽度值与模型试验误差在10%以内,且钢材应力起伏与裂缝位置相呼应.更改内聚参数和网格尺寸发现,在合理的取值范围内,混凝土裂缝扩展、钢材承载规律与试验结果基本一致,但内聚刚度取值过小会导致混凝土开裂提前,黏结系数取值过大或者单元尺寸过大会使计算结果的精度降低.因此在采用黏聚裂缝模型模拟管道混凝土开裂时,应在保证计算收敛的前提下,尽可能取较小的黏结系数和足够大的内聚刚度,以提高...     

新老桥间超高性能混凝土拼接接缝性能试验

依托上海市济阳路高架新老桥拼接项目进行了基于高应变强化超高性能混凝土(UHPC)材料的拼接缝试验.试验采用非对称加载,目的是模拟新老桥的不均匀沉降.试验结果表明,UHPC拼缝整个受力破坏的过程大致可以分为3个阶段:弹性阶段、裂缝发展阶段、持荷至破坏阶段.在UHPC板下缘首先出现裂缝,之后UHPC板侧面出现大量微小裂缝,裂缝均以微裂缝簇的方式呈现,裂缝宽度发展缓慢,且沿着板高向上发展.UHPC转角为1.2%时裂缝宽度仅为0.16 mm,具有出色的裂缝控制能力.最终,UHPC板底出现主裂缝,横向钢筋和门筋屈服,钢筋布置方式满足试件破坏形态要求,说明试件的配筋合理.结合有限元模型对试验进行模拟,吻合度较高.利用有限元进行参数分析,发现增加接缝自由长度和减小接缝厚度可以有效增强接缝弯曲性能.由于UHPC材料进行接缝施工具有方便、快捷、性能优越等优点,提出基于上下部构造不连接类型的接缝形式,并给出具体配筋方案.     

异形盾构管片原型试验混凝土裂缝宽度预测与可视化

预测和可视化监测异形盾构管片混凝土裂缝宽度和开展规律对站立式原型异形盾构管片加载系统的研发以及后续的异形盾构管片优化设计至关重要.通过梁荷载试验完善了体积率为2%的CF50钢锭铣削型钢纤维混凝土最大裂缝宽度理论公式,同时创新性地在原型管片结构试验领域引入非接触式应变光学测量系统,对管片拱顶内弧面关键区域进行裂缝实时监测.研究结果表明,基于三维数字图像技术(DIC-3D)可定义管片裂缝出现时机判定和裂缝宽度计算方法.管片裂缝宽度经历了初始、稳定和加速等三阶段发展过程,最终确定出异形盾构衬砌结构极限覆土深度为18.5 m.梁荷载试验所获最大裂缝宽度理论公式中的相关设计参数是有效的,未来可结合壳-弹簧模型计算管片内力结果进行异形盾构管片裂缝宽度的科学预测.     

裂纹宽度对岩石断裂韧性测试结果的影响

深部地层岩石的断裂韧性是水力压裂设计和数值模拟中的一个重要参数。通过试验分析和有限元数值计算 ,研究了试件的裂缝宽度对应力强度因子的影响 ,给出了确定无因次应力强度因子与裂尖半径关系的数值方法 ,弥补了解析方法中裂缝零宽度假设的不足。研究结果表明 ,当裂缝宽度较小时 ,解析方法可以用于计算断裂韧性 ;当裂缝宽度较大时 ,采用解析方法计算出的断裂韧性偏差较大。试验测定时 ,应使裂尖半径尽可能小 ,并且破裂压力应该与裂尖半径相对应。这为正确确定岩石的断裂韧性提供了可靠的理论依据和试验方法     

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.     

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.