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...     

坝下游面钢衬钢筋混凝土管非线性有限元分析

采用解析法对某水电站坝下游面钢衬钢筋混凝土压力管道进行初步设计,确定了钢衬厚度和钢筋配置,对其进行整体三维非线性有限元分析,着重研究了在设计荷载作用下,钢衬和钢筋的应力状态以及管周混凝土的开裂特征．采用将非线性有限元分析与规范解析法相结合的方法,先根据非线性有限元计算的结果,分析得到钢衬钢筋混凝土管的钢筋应力,再将其代入规范解析公式,计算出结构的裂缝宽度,并最终提出了满足结构限裂要求的配筋方案．     

配置表层钢筋的混凝土梁裂缝宽度计算方法

为了研究配置表层钢筋的混凝土梁的开裂性能,对8根配置500 MPa钢筋的矩形混凝土梁进行了受弯性能试验.试验结果表明,在构件的混凝土保护层中配置表层钢筋能使平均裂缝问距减小30%～50%,使短期最大裂缝宽度减小29%～70%.根据试验结果,分析了表层钢筋对混凝土梁平均裂缝间距和平均裂缝宽度的影响规律,并在我国规范GB 50010-2002裂缝宽度计算模式的基础上,提出了考虑表层钢筋的短期最大裂缝宽度计算公式.根据所提出公式计算的结果能够较好地与试验结果吻合.     

纤维混凝土组合桥面板裂缝宽度计算方法

为了考虑纤维混凝土中纤维对裂缝的桥接作用并计入其对抑制组合桥面板混凝土裂缝产生与发展的有利作用,提出了一种纤维混凝土开裂后残余应力的计算方法和考虑残余应力的裂缝宽度计算方法。综合考虑影响混凝土开裂后残余应力f_R,1的因素有:纤维屈服应力σ_y、纤维体积率V_f、混凝土抗压强度f_cm、纤维长度l_f、纤维特征参数a,推导了上述因素对影响纤维混凝土开裂后残余应力的相关性。基于35组纤维混凝土梁三点加载缺口梁试验数据进行回归分析,并得到了具有95%保证率的f_R,1计算公式。在欧洲规范混凝土裂缝宽度计算方法的基础上,考虑纤维混凝土开裂后残余应力的贡献,提出了一种组合桥面板负弯矩区裂缝宽度的计算方法。通过一个纤维混凝土组合桥面板负弯矩加载试验对该计算方法进行验证,结果表明,计算得到的开裂后钢筋应力及裂缝宽度与试验结果吻合较好。     

配置500 MPa钢筋的混凝土梁裂缝试验研究

为研究配置500 MPa纵向热轧带肋钢筋的混凝土梁的裂缝特征及评估相关规范裂缝计算公式的适用性,进行了22根钢筋混凝土梁受弯性能试验,得到22个平均裂缝间距和92组裂缝宽度数据,相应的钢筋应力范围在201~482MPa,这些试验数据可反映钢筋应力较高情况下受弯构件的裂缝开展特点.试验结果表明,按规范GB50010—2002公式计算的平均裂缝间距、平均裂缝宽度和最大裂缝宽度比试验值普遍偏大,二者之比的均值分别为1.127,1.557和1.535.根据试验结果,提出配置500 MPa带肋钢筋的混凝土梁的裂缝宽度计算公式修正建议,并给出梁侧面钢筋处和受拉边缘的平均裂缝宽度的换算关系式,建议公式的计算值和试验值符合较好.     

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.     

CFRP布加固混凝土梁的裂缝分析与计算

根据传统的钢筋混凝土裂缝宽度计算理论,对CFRP布加固混凝土梁的裂缝宽度计算方法进行了分析研究.提出了考虑CFRP布加固影响的正常使用阶段裂缝间距、钢筋应力和钢筋应力不均匀系数的计算公式,在此基础上按混凝土梁的裂缝宽度计算方法,给出了CFRP加固混凝土梁的裂缝宽度计算公式.计算与试验结果吻合较好,且与传统的钢筋混凝土梁的裂缝宽度计算公式统一,可作为实际工程应用参考.     

钢混凝土组合桥面板负弯矩区裂缝宽度计算

制作了5个组合桥面板试件并进行负弯矩加载试验,结果发现组合桥面板在混凝土开裂后截面内钢筋、钢板的应变不符合平截面假定,钢筋应变明显大于按照平截面假定求得的计算值.理论推导了组合桥面板混凝土开裂后截面钢筋应力的计算公式,并与试验结果对比,计算值与实测值吻合较好.对不同的混凝土裂缝宽度计算方法进行对比发现:采用本文推荐的钢筋应力公式,并使用公预规提出的混凝土裂缝宽度计算公式按照偏心受拉构件计算,得到的结果与实测值吻合较好.     

分布裂缝对坝后压力管道动力特性的影响

应用分布裂缝模型的动弹模理论，研究布置在坝体下游面的钢衬钢筋 混凝土联合作用压力管道的动力特性．首次对坝后钢衬钢筋混凝土管道在 外包混凝土开裂前后的自振特性及动力响应进行了分析比较，为实际工程 设计提供了依据．     

坝内埋管仿真模型试验研究

根据仿真模型试验成果分析大直径混凝土坝内埋管的钢衬、钢筋和混凝土联合作用,加劲环对应力分布的影响,说明混凝土标号和施工质量是决定坝内埋管承载能力的关键。     

钢筋混凝土梁开裂后钢筋应力变化规律

为研究开裂后钢筋混凝土构件内钢筋的应力变化规律,以钢筋混凝土梁为例开展研究.用ANSYS软件建立钢筋混凝土简支梁和连续梁模型,在其上施加均布载荷,通过减少单元来模拟梁内裂缝情况.分别模拟不同宽度、不同深度、不同位置的裂缝,并观察梁内钢筋最大应力的变化及最大应力位置的改变.研究结果表明:裂缝的存在仅仅影响裂缝截面处附近的钢筋应力;裂缝深度对钢筋应力影响显著,裂缝越深,裂缝处钢筋拉应力越大;裂缝出现会使梁中钢筋拉应力最大值出现的位置发生变化,由跨中向开裂处转移;裂缝位置越靠近跨中,钢筋应力最大值越大,但相对未开裂时的应力增加率不随裂缝位置变化而变化.     

三峡水电站钢衬钢筋砼压力管道承载能力研究

结合三峡水电站直径为１２．４０ｍ压力引水管道仿真结构模型试验,研究大直径钢衬钢筋混凝背管的裂缝开裂,温度应力和承载能力,为这种超大型管道设计提供依据。     

GFRP-混凝土组合连续板的静力性能试验研究

为提高钢-混凝土组合梁桥桥面板的耐久性,研究GFRP(玻璃纤维增强复合材料)-混凝土组合连续板的变形及裂缝宽度,设计了3片负弯矩区具有不同钢筋配筋率的GFRP-混凝土组合连续板,并对其进行了对称加载试验,重点考察了连续板的破坏模式、变形、裂缝宽度和应变分布等力学特性.结果表明:3片连续板均发生了弯剪破坏;破坏时板端GFRP槽形板与混凝土之间无明显滑移;随着负弯矩区配筋的增强,连续板全过程变形减小;在钢筋屈曲前,连续板正负弯矩区的应变分布基本符合平截面假定.试验研究和理论分析结果的对比表明:可以采用现行桥梁规范中考虑混凝土开裂区域刚度变化的等效刚度计算GFRP-混凝土连续板的等效刚度,并通过文中计算方法获取连续板的变形;此外可以采用现行规范JTG D62—2004中钢筋混凝土的裂缝宽度计算方法计算连续板负弯矩区的混凝土裂缝宽度.     

考虑温度影响的大体积混凝土应力场分析方法

在大体积混凝土应力场计算中,混凝土的弹性模量和徐变变形都与温度有关,温度场应力场存在耦合现象.根据温度损伤和温度对徐变的影响,建立了考虑温度影响的混凝土弹性模量表达式和徐变应变计算的递推公式.应用粘弹性与损伤耦合和正交各向异性损伤理论,描述了混凝土在高应力水平下的非线性徐变特性和由于微裂缝扩展引起的刚度退化与应变软化,建立了考虑温度影响的大体积混凝土结构应力场分析的有限元表达式.将这一结果应用于沙牌拱坝应力场计算中,考虑温度影响后,发现坝体局部应力可能出现恶化,对开裂控制不利.     

钢-混凝土组合节点裂缝研究

通过对6个钢—压型钢板混凝土组合节点进行试验,研究钢—混凝土组合节点在负弯矩作用下混凝土板裂缝的开展情况,结合试验和理论分析,完善了钢—混凝土组合节点混凝土板开裂受弯承载力、最大裂缝宽度的计算方法.     

碾压混凝土重力坝非线性开裂分析

对碾压混凝土坝进行开裂分析，采用应力应变双层开裂判据判断单元的开裂状态，同时利用钝裂缝带模型、混凝土应力应变全过程曲线及调整力向量的有限元解法来反映混凝土的软化特性.以龙滩碾压混凝土坝为实例进行了计算分析.     

悬臂梁抗裂非线性分析

应用非线性分析方法，研究了钢筋混凝土悬臂结构在弹性工作阶段、受拉钢筋屈服阶段、受压混凝土强度下降阶段的受力特性。基于平截面假定，推导出钢筋混凝土悬臂结构在不同工作阶段的应力、内力和抗裂性计算公式。通过实桥测试，当裂缝宽度小于桥涵设计规范规定的允许值[δ]时，采用规范公式计算和非线性分析法计算裂缝宽度均与实际相吻合；当裂缝宽度接近或超过桥涵设计规范规定的允许值[δ]时，沿用规范公式计算与实际裂缝宽度出入较大，采用非线性分析法计算与实际较吻合。分析结果表明，用非线性分析法计算钢筋混凝土悬臂结构的抗裂性能够更好地反映裂缝的实际开裂宽度和规律。     

部分预应力混凝土受弯构件裂缝宽度的计算

在分析52根部分预应力混凝土受弯构件的试验资料的基础上,探讨了其裂缝宽度计算的主要参数:平均裂缝间距、裂缝截面处纵向受拉钢筋应力及其不均匀系数和最大裂缝宽度扩大系数等,提出了部分预应力混凝土受弯构件裂缝宽度的计算公式.建议的计算公式物理概念明确,计算简单,计算值与试验结果符合较好.     

水电站坝下游面钢衬钢筋混凝土管道损伤和承载特性

基于混凝土塑性损伤模型,对某水电站坝下游面钢衬钢筋混凝土管道的损伤和承载特性进行了非线性有限元分析.结果表明:在正常运行工况下,裂缝主要出现在位于坝体之外的背管部分,数条贯穿性裂缝将由主变平台延伸至上弯段;主变平台附近管道受力状态复杂,管道断面出现贯通性损伤,可能出现短小而密集的裂缝;温度变化对结构受力影响明显,特别是温降荷载将引起管道外侧损伤区进一步发展,靠近管壁外侧的钢筋拉应力明显上升,因此应注意管道表面的保温和防护.     

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.