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.     

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.     

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．     

超高强度活性粉末混凝土的韧性与表征方法

通过不同钢纤维掺量RPC200的三点弯曲和断裂实验,研究了RPC的韧性机制与韧性特征,分析了梁不同变形方式下钢纤维对提高RPC抗裂能力、耗能能力和韧性所起的作用．根据RPC200初裂变形、峰值变形及其增幅随钢纤维含量增加而变化的事实,以及梁变形方式对初裂和峰值行为的影响,提出用素RPC200峰值变形作为初始参考变形来计算RPC200韧性．针对RPC200的P-6和P-CMOD响应分别定义了韧性指标T2（n-1）（n）和FT2（n-1）（n）,该指标以理想弹塑性材料的韧性水平2（n-1）为基准,表述了不同变形方式下相比理想弹塑性材料RPC的韧性水平．分析表明：韧性指标T2（n-1）（n）可以反映整体变形时钢纤维对提高RPC韧性的作用,但指标T2（n-1）（n）放大了钢纤维对提高RPC峰值后韧性的作用,未能反映出钢纤维对提高初裂至峰值阶段RPC韧性的贡献．韧性指标FT2（n-1）（n）反映了变形集中在断裂面上时钢纤维对阻滞RPC基体裂纹扩展而吸收能量的作用,较好地反映出钢纤维对提高RPC初裂至峰值阶段以及峰后阶段韧性的贡献．本文方法直观地反映了RPC的韧性特征与韧性水平,为建立统一的RPC韧性指标体系和方便工程应用提供了参考．     

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%.     

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.     

矩形钢管混凝土轴压柱的弹塑性局部屈曲模型

假定载荷边为固端约束,非载荷边为弹性可转动约束,提出了轴压下矩形钢管混凝土柱弹塑性局部屈曲模型.利用全量理论推导得到钢管混凝土柱钢管弹塑性局部屈曲强度计算公式.该公式的计算结果与已有的试验结果比较,结果表明理论计算结果与试验结果相符.基于所提出矩形钢管混凝土柱弹塑性局部屈曲模型,研究了不同长宽比情况下钢管宽厚比对钢管弹塑性局部屈曲应力的影响.最后给出了不同截面长宽比情况下,保证矩形钢管屈服前不发生弹塑性屈曲的钢管宽厚比合理限值及各钢板的合理厚度比,供工程设计参考.     

实时热中子成像对多孔水泥基材料水分运动的可视化与量化：理论分析与试验研究

多孔水泥基材料中的水分运动对研究其劣化过程和耐久性非常重要．一些传统的测定水泥基材料中水分运动的方法大都基于材料的质量变化、电学或者核磁共振等特性．本文应用先进的实时热中子成像技术,通过理论分析和试验研究,对水泥基材料中的水分运动包括水分向内部渗透和向外部扩散进行了可视化再现和定量测定．由于热中子对氢原子强烈的衰减特性,热中子成像表现出对材料中水分存在的高度敏感性．基于点散射函数（PScF）建立了对原始成像所含中子传输信息的定量分析方法．对未开裂和开裂砂浆试件的水分渗透过程以及干燥失水过程进行了实时热中子成像试验．结果显示,热中子成像是可视化观测和定量测定多孔水泥基材料中水分运动特性的有力工具,试验结果将有助于更好地理解水泥基材料的劣化规律以寻求提高其耐久性的措施．     

预应力混凝土槽型梁日照温度荷载模式研究

为研究日照作用下槽型梁的温差分布模式,以沪昆客专上某预应力混凝土槽型截面独塔斜拉桥为例,推导了结构自身遮挡下任意斜面上阴影长度的计算方法,建立了考虑大气环境参数、桥梁方位和走向,以及箱室遮挡作用的槽型梁热力学仿真模型,分析日照作用下槽型梁截面上的温差荷载模式.研究表明:槽型梁腹板受太阳直接辐射,而底板受到箱室遮挡,导致槽型梁内温度分布较为复杂,现行规范中的温差荷载模式并不适用于槽型梁;以应力等效为原则提出槽型梁的温差荷载模式:槽型梁箱室上缘最大温差20℃,向下至腹板内符合指数函数分布;下缘最大温差2.5℃,在0.2 m范围内线性变化至0℃.     

Q460角钢两端偏心受压构件稳定设计方法研究

基于Q460高强角钢两端偏心受压试验,给出了高强角钢截面残余应力分布和初始几何缺陷,并结合多种设计方法对试验结果进行了分析计算、讨论和比较,对高强角钢两端偏心受压构件整体稳定承载力进行了研究。结果表明,现行杆塔结构设计采用《美国输电铁塔设计导则》（ASCEIO-1997）、《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DI/T5154-2002）和我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）进行设计是偏保守的。基于平行轴为准按轴心受压构件计算有效长细比,并选用a类截面柱子曲线,而提出实用设计公式,建议公式计算结果和试验结果吻合较好,该方法可供工程设计时参考。     

基于Reissner理论的硬夹心夹层板的弯曲研究

传统的夹层板理论都是将夹心视为软夹心,不考虑其面内应力分量和抗弯刚度.本文在修正了Reissner理论的基础上,研究了硬夹心夹层板的弯曲问题,根据最小势能原理得到了具有3个广义位移的弯曲基本方程和边界条件,并对其进行了简化.同时还研究了硬夹心夹层板弯曲问题的有限元格式,推导了4节点四边形等参单元单元刚度矩阵和等效节点载荷列阵,并给出了矩形填充多孔夹层板的ANSYS实体模型解,计算结果表明位移的有限元解收敛于解析解且具有足够的精度,与ANSYS实体模型解也有较好的一致性.     

改进的三维全矢量有限差分虚位移束传播法

提出了一种改进的三维全矢量有限差分虚位移束传播法，用以分析光波导承载的全矢量本征模．在纵向（z向）离散上，第一个子步采用半矢量公式，而第二个子步采用全矢量公式，但交叉项双倍计算．每个横向电场分量在两个子步中的次序交换，交叉项用隐式形式表示，计算效率高且稳定．在横向x和y向）离散上，基于多项式插值法，建立了一种统一的差分格式，考虑了电场法向分量在芯包分界处的不连续性，可应用于均匀和非均匀网格，差分系数引入了更多邻近节点的折射率分布，且交叉项采用六点差分格式，计算精度高，程序通用性强．首先分析了高折射率分布差的矩形、GaAs／GaAlAs双异质结脊形光波导，给出了全矢量基模及次高阶模（矩形波导）的电场分布及其归一化传播常数，揭示了全矢量本征模的混合特性，验证了该方法的有效性．接着分析了InP基InGaAsP／hGaAsP应变多量子阱脊形光波导，考虑了深刻蚀和浅刻蚀两种情形，讨论了其全矢量基模的模式特性，为设计以此为基础的光子集成回路奠定基础．     

直接用电密J计算导体三维涡流场的FE-BE耦合法

提出一种计算导体三维涡流场的FE-BE耦合法．在涡流区中直接采用涡流电密J为求解量的FEM, 其公式采用八节点长方体单元进行离散, 在非涡流区中采用磁场强度H为求解量的BEM, 其公式采用矩形单元离散. 根据交界面条件, 耦合得到一个求解变量仅为J的代数方程组. 该方法的优点就是所求量无需微分, 求解变量少, 耦合容易, 适用于多连域问题．对两个模型进行了计算, 计算结果与测试结果吻合较好.     

确定复杂多孔材料有效导热系数的新方法

从Lattice-Boltzmann(LB)方程出发, 推导了二维LB 导热模型(D2Q5),计算了具有复杂结构的多孔材料的有效导热系数, 计算结果与其他文献中的实验结果符合较好. 分析了多孔材料有效导热系数与材料孔隙率、单位面积孔隙数、骨架形状等参数之间的关系并给出了估算公式. 给出的二维LB 导热模型能方便地计算各种小尺度上具有复杂边界或复合材料中的导热问题, 且二维模型能方便地扩充到三维.     

充气膜结构零应力态求解

本文首次提出了一种从弹性平衡态到零应力态的逆解析数值分析方法：线性协调矩阵广义逆法．首先,用膜线单元模拟膜面,将膜结构转化成为网格结构;然后,基于杆系结构平衡矩阵理论和小变形假定,建立体系的协调方程．由弹性平衡态预张力和材料参数,计算膜线单元无应力长度和变形量．最后,由协调矩阵M—P广义逆求解协调方程得到节点位移,逆向叠加求出零应力态位形,释放应力．根据该算法,用MATLAB编制了计算程序．算例分析验证了该方法的正确性和高效性,得出一个弹性平衡态对应唯一零应力态的结论．本文对充气膜结构设计具有重要理论意义和实际指导价值．     

饱和砂土的渐近状态特性及其模拟

在UH（统一硬化）模型的基础上,基于部分塑性体积应变与塑性剪应变有耦合的思路,把对土塑性变形有影响的硬化参量分为耦合硬化参量和非耦合硬化参量,提出了一个新的双硬化的弹塑性本构模型．此模型新颖之处在于它不但可以有效的考虑应力路径也可以考虑应变路径对应力应变特性的影响,所以新模型既能合理预测排水、不排水,也可以模拟部分排水及部分吸水条件下的应力应变关系．结合渐近状态概念,还给出了基于饱和砂土排水试验参数计算不排水极限应力比、静止土压力系数梳的简单公式．模型参数简单,仅比Camclay模型多了一个特征状态点应力比,全部可通过常规三轴压缩试验简单确定．     

螺旋状下降的复式断面明渠中紊动结构与次生流动的数值模拟

采用正交曲线坐标下建立的紊流控制方程, 对弯道水流中由离心力和紊动应力联合驱动的二次流结构建立了数学模型. 将螺旋下降的明渠流动条件下的数值模拟结果与如下试验资料进行了对比: (ⅰ) 交错边滩式矩形断面弯道明渠流动, (ⅱ)复式断面顺直明渠流动. 计算中采用了3种不同的Reynolds应力计算方法, 包括Launder和Ying(LY)及Naot和Rodi(NR)的代数应力模型及运用非线性k-ε模型计算紊动黏性系数的SY模型, 在各种弯道曲率和边界条件下, 对不同紊流模型的二次流结构数值模拟结果精度进行了评估. 研究表明, LY和SY模型数值模拟计算得到的二次流结构和紊动应力分布与试验数据均能达到趋势上的符合, 能够模拟出紊动应力和弯道流动中的离心力对二次流结构形成的影响.     

应用MDDES的飞行器气动／结构耦合抖振数值模拟

严重分离流动非定常效应是造成现代飞行器发生抖振的主要因素,因此,准确模拟飞行器分离流动是开展飞行器抖振研究的基础．本文在综合考虑现代计算机资源以及分离流流动模型可信度的基础上,建立了基于MDDES（Modified Delayed Detached Eddy Simulation）的分离流非定常数值模拟方法,通过对典型的战斗机大攻角分离流模拟计算,对计算方法进行了验证．在此基础上,综合利用RBF径向基函数技术与无限插值方法建立高效的、鲁棒性强的动网格技术,结合模态空间下结构动力学方程,建立了飞机气动／结构耦合抖振数值模拟平台,对某战斗机大攻角下边条涡干扰引起的垂尾抖振问题开展研究．数值结果显示：通过对流场中涡破裂位置的压力脉动的时域响应进行的频谱分析表明,不同尺度的涡结构脉动频率覆盖了垂尾的结构固有模态频率,相比较雷诺平均Navier-Stokes方程,MDDES方法能够分辨出更细致的、更高频率的小尺度涡结构;与颤振明显的区别,各阶模态位移加速度响应由自身模态所主导,一阶弯曲与一阶扭转模态存在强烈的耦合,使结构产生加速度,承受较大的惯性力载荷冲击,是引起结构疲劳的主要因素,验证了所采用数值手段和相应方法的有效性．     

气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法

建立了气动热、气动弹性双向耦合高超声速二维曲面壁板颤振分析方法．基于柯西霍夫假设和冯卡门非线性应变．位移关系,建立了考虑几何非线性的二维简支曲板的气动．热．弹性分析方程;使用迦辽金方法对方程离散处理,采用四阶龙格．库塔法求解微分方程;三阶活塞理论用于气动力分析;使用参考温度法和平板气动热公式计算气动热．研究中重点考虑：1）气动热与气动弹性双向耦合,既分析气动热对结构刚度的影响,又分析气动弹性对气动热的影响;2）结构温度随飞行时间的积累效应;3）弦向和厚度方向非均匀温度分布的影响;4）曲面壁板的初始变形对壁板颤振发生时刻的影响．通过与传统的只考虑气动热．气动弹性单向耦合的分析结果进行对比,发现基于气动热和气动弹性双向耦合的壁板颤振分析结果更危险,这一点在精确分析中应当予以重视．     

复杂渠道工程三维渗流应力耦合分析与研究

渗流是导致渠道下沉、倾斜、断裂等诸多不良后果的重要因素,对渠道安全稳定运行危害较大．基于NURBS．TIN．BRep混合数据结构,构建南水北调中线工程某渠段的工程地质信息三维可视化模型,运用耦合VOF（volumeoffluid,流体体积函数）法的N—S（Navier．Stokes）方程,对研究区域进行渗流模拟,并采用流固耦合进行渠道稳定性计算,全面分析渠道在渗漏、下伏采空区等多种因素影响下的应力及位移状态．结果表明：渠道渗流对其稳定性影响较大,特别是对位移场的影响较为明显,渠道渗流将导致其自身产生相对较大的沉降,因此建议在实际施工过程中进行渠道的局部加固,并采取有效地渗流控制措施．