钢筋混凝土受弯构件正截面疲劳性能数值模拟

为了分析钢筋混凝土受弯构件在疲劳荷载作用下正截面力学性能随着时间不断变化的过程,用条带法数值模拟疲劳破坏的整个过程.在已有的钢筋和混凝土轴心疲劳本构关系基础上,根据粘结应力分布规律推导出平均截面的材料本构关系,运用条带法分析钢筋混凝土受弯构件的疲劳性能,编制程序进行计算,程序计算结果与疲劳试验结果进行比较.数值模拟和试验结果表明:受压区高度及混凝土和钢筋的应变发展呈现两阶段规律,随着疲劳荷载次数的增加混凝土和钢筋的应力、应变发生重分布现象;程序和试验结果吻合较好.用编制的程序分析钢筋混凝土受弯构件的疲劳性能具有一定的精度,可部分代替冗长、昂贵的疲劳试验.     

风压加速混凝土碳化的计算模型

风压对混凝土碳化的影响是客观存在的,它会导致混凝土构件截面耐久性不等.风压作用下,碳酸气在混凝土中的流动为渗透过程,符合达西定律和传质守恒定律,据此在流体力学和传质学的基础上建立了风压加速混凝土碳化的计算模型,并构造算例给出了数值解,为混凝土结构等耐久性设计方法的建立奠定了基础.     

多因素作用下混凝土中性化深度统一预测模型

依据扩散理论及室内试验,对碳化、酸雨、应力等单一因素和多因素耦合作用下的混凝土构件中性化深度进行了研究.通过理论研究、数值模拟和试验数据的回归分析,建立了混凝土中性化深度统一预测模型.研究表明:碳化和酸雨存在耦合现象,酸雨在某种程度上抑制碳化作用,耦合系数小于1;无论酸雨、碳化单一因素或耦合作用,混凝土中性化深度值随侵蚀时间的增加而增加,中性化深度值在前期增加比较快,继而中性化速度逐渐减小,中性化深度与时间平方根呈正比例关系;拉应力促进混凝土中性化,而压应力抑制其中性化,应力与混凝土中性化深度值之间呈近似线性关系,最后通过试验数据拟合出不同腐蚀模式下的应力影响因子.     

反复荷载下碳化混凝土力学性能及本构关系研究

为研究碳化对反复荷载下混凝土力学性能及本构关系的影响,本文通过碳化混凝土棱柱体试件单调及反复荷载试验,得到各试件应力应变曲线及骨架曲线,考虑到碳化混凝土构件的截面尺寸效应,从混凝土碳化率的角度对比分析了单调及反复荷载下碳化对试件破坏形态、混凝土强度、弹性模量、峰值应变及极限应变的影响.试验表明:随着反复荷载下碳化混凝土内部损伤的积累,其应力应变曲线下降段比单调荷载下的更为陡峭,破坏较为突然,反复荷载碳化混凝土延性变差;反复荷载下随着碳化率的增加,混凝土碳化后的峰值应变有所降低,但变化不大;而峰值应力均有所提高,极限应变均有所降低.根据试验结果引入与碳化率相关的下降段参数修正系数建立了碳化混凝土反复荷载作用下应力-应变本构关系,通过与试验对比分析表明本文确定的本构关系与试验结果较为吻合.     

侧向冲击作用下钢管混凝土构件的简化分析模型

对两端固定的钢管混凝土构件在冲击作用下的动力响应进行数值模拟,通过分析构件支座与跨中塑性铰形成机制及特征,提出了圆钢管混凝土构件在侧向冲击作用下的简化分析模型.一系列工况的比较与验证表明,简化分析模型估算结果与数值模拟结果误差较小,该模型在估算跨中、支座动态截面极限弯矩以及跨中截面最大挠度方面,可以得到比较满意的计算结果,可为工程提供参考.     

内配型钢圆钢管混凝土构件受弯性能分析计算

采用有限元软件ABAQUS建立内配型钢钢管混凝土受弯构件力学模型,借助已有试验验证模型的合理性,在此基础上研究该类构件在弯矩作用下的变形规律、受力过程和破坏模态,分析构件材性、型钢含钢率、型钢截面形式等参数对内配型钢钢管混凝土受弯构件极限承载力及抗弯刚度的影响;引用欧洲规范中组合柱抗弯承载力计算公式进行计算,并将计算结果与已有试验结果及有限元模拟结果进行对比,二者吻合良好,说明欧洲规范中组合柱抗弯承载力计算公式可用于该类构件的设计计算.研究结果可为内配型钢钢管混凝土受弯构件设计提供参考.     

混凝土矩形柱的耐火极限分析及实用计算

采用常温下和高温下混凝土矩形柱的试验结果,验证数值模拟程序RCSSCF的有效性,并分析各主要参数对规定的升温过程下混凝土矩形柱耐火极限的影响规律.针对不同荷载比、计算长度、截面尺寸、荷载偏心率、配筋率和荷载角共9 000种工况,进行四面受火时混凝土矩形柱的高温反应分析.通过对大量计算结果的整理和分析,给出了该类构件耐火极限的实用计算公式.     

混凝土桥梁氯离子侵蚀过程仿真的细胞自动机模型

为准确高效地模拟钢筋混凝土桥梁在运营期间氯离子的侵蚀过程,并获得梁截面内任意时刻任意位置的氯离子浓度,提出基于细胞自动机理论的混凝土桥梁氯离子侵蚀过程模拟方法.首先,根据细胞自动机原理对氯离子侵蚀过程进行分析,利用简单的局部进化行为模拟复杂的扩散过程.然后,综合考虑时空变异性、水灰比、应力状态等因素对氯离子侵蚀过程的影响,建立多因素耦合作用下的混凝土桥梁的氯离子侵蚀模型.最后,以某T梁为例,分析桥梁服役期间氯离子扩散规律及混凝土水灰比和应力状态对氯离子扩散过程的影响.结果表明,钢筋表面的氯离子浓度值在侵蚀20年时开始趋于稳定,角部区域钢筋更易锈蚀;混凝土水灰比越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越快;梁截面拉应力越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越快,而压应力越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越缓慢.     

箱型钢管混凝土构件在纯扭作用下的数值分析

为研究箱型钢管混凝土构件在纯扭作用下的受力机理,通过ABAQUS对设计的13个模型试件进行数值模拟分析,探讨组合构件中混凝土、型钢以及钢筋在开裂和破坏时的应力变化情况,在传统承载力叠加原理的基础上对型钢混凝土构件受扭承载力方法进行改进研究.研究结果表明:试件开裂前,不同试件的混凝土应力变化相近;试件达到极限状态时,钢管与部分箍筋基本达到屈服,纵向受力钢筋尚未屈服,开裂后的混凝土裂缝呈45°方向发展;通过修正系数计算得到的承载力值与数值模拟误差较小,证明了改进后承载力叠加法的合理性和修正系数的准确性.     

CFRP约束有预载矩形SRC短柱轴压性能有限元分析

为了研究预载水平对碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer,CFRP,又称为"碳纤维布")约束型钢混凝土(steel reinforced concrete,SRC)矩形短柱轴压性能的影响,文章采用有限元软件对已有试验试件进行了数值模拟,结果表明采用混凝土损伤塑性模型可较好地模拟预载后加固型钢混凝土柱在有材料损伤后的力学性能。通过数值分析发现,碳纤维布对型钢混凝土矩形短柱的约束作用主要集中在水平截面的柱角部和靠近型钢部位;预载水平提高后,峰值荷载下试件中混凝土的竖向应力降低,且远离型钢部位的柱角部混凝土应力变化最明显,同时预载水平对碳纤维布工作应变有影响;建立了预载水平与碳纤维布有效拉应变的关系式。     

温湿度条件耦合作用下的混凝土结构碳化数值分析

本文分析了热传导方程和混凝土碳化方程的相似性,借用以有限元方法为基础的大型通用软件ANSYS中的热分析模块,对混凝土的碳化过程进行了数值仿真分析,分析过程中考虑了混凝土所处的温度和湿度等外界环境的影响,使得结果更加符合实际情况。算例分析证实了本文所用方法的有效性和可行性。     

一般大气环境中混凝土桥梁长期受力性能分析

一般大气环境中混凝土桥梁性能衰变与碳化和受力作用引起的材料损伤有较大的相关性.为定量分析这两种作用对混凝土桥梁长期性能的影响,总结归纳了材料损伤的数学模型,建立了混凝土桥梁长期性能演变分析方法,并编制了相应的有限元程序.以一座预应力混凝土简支梁为分析对象,研究模型梁在一般大气环境下的长期性能演变规律.结果表明,碳化作用和受力作用均对桥梁长期性能产生明显的影响,使截面有效受力面积减少,结构受力性能衰变;综合考虑碳化作用和受力损伤时跨中断面的截面损失率、挠度和抗弯承载力退化均大于仅考虑碳化作用时的情况.     

细观层面的混凝土碳化过程数值模拟

为在细观层面上研究混凝土碳化问题,首先建立了基于积累分布函数的三维球形骨料生成方法,分析了随机性对模拟结果的影响,对骨料最大粒径、最小粒径和体积分数的选取原则进行了讨论.建立了简化的混凝土碳化数值模型,分析了骨料对宏观层面混凝土碳化行为的影响.结果表明,骨料的稀释效应和扭曲效应将降低混凝土的碳化深度;骨料在水泥浆中的非均匀分布将导致宏观上混凝土碳化深度的非均匀性.     

应力状态对RC梁混凝土碳化损伤及承载力的影响

为研究应力状态对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁碳化损伤及承载力的影响规律,制作了7根RC梁进行加速碳化环境与荷载耦合作用试验研究。将RC梁放入环境箱中,进行三点弯曲静力持荷条件下的7 d、14 d、28 d加速碳化试验,得到不同持荷时间下的RC梁受拉、受压不同区域的混凝土碳化深度,进一步开展加速碳化作用、加速碳化与荷载耦合作用后的RC梁三点弯曲试验,探讨应力状态时碳化深度对RC梁极限承载力的影响机制。结果表明:通过对RC梁受压、受拉区的混凝土碳化深度分析,发现压应力状态会抑制碳化反应的进行,而拉应力状态会促进碳化反应的进行,28 d后受拉区混凝土碳化深度比受压区增加了34.7%。混凝土碳化损伤导致抗压强度降低、钢筋锈蚀影响了试验梁的极限承载力,加速碳化作用28 d后RC梁的极限承载力下降了10.7%,加速碳化与荷载耦合作用28 d后RC梁的极限承载力下降了14.9%。     

预应力混凝土箱梁桥主梁的可靠性分析

依据国家公路桥梁设计规范建立了极限状态函数,将混凝土强度、计算模式不确定性系数、荷载横向分布系数以及荷载增长系数作为随机变量,在此基础上,对一五跨预应力混凝土箱梁桥关键截面的可靠性进行了分析研究,从可靠度方面全面性评价了在服役期间结构不同关键截面的可靠性。     

复合助剂改性混凝土的碳化性能

采用正交试验方法,研究了水胶比、胶粉掺量、硅粉掺量以及消泡剂掺量对混凝土碳化性能的影响规律。结果表明:水胶比、胶粉掺量、硅粉掺量以及消泡剂掺量4个因素对混凝土的碳化性能影响的主次顺序是胶粉掺量最大,消泡剂掺量次之,水胶比第三,硅粉掺量最小;胶粉掺量对混凝土碳化的影响存在两个拐点,4%时混凝土的抗碳化性最差,8%时抗碳化性最好;随着消泡剂掺量的增加,碳化深度逐渐减小。最后,通过试验数据分析和查阅文献取值建立复合助剂改性混凝土的碳化模型,经游程检验,在显著性水平a=0.05下其相关关系显著。     

LNG储罐球形混凝土穹顶的热应力及裂缝分布

对于大型LNG储罐,其穹顶因水泥水化热产生较大的热应力,引起混凝土开裂,严重影响储罐的耐久性。以某大型LNG储罐穹顶为研究对象,采用ADINA有限元软件建立精细化的有限元模型,模拟LNG储罐穹顶分段浇筑过程中的早期温度场分布,并将数值计算结果与现场测试结果进行对比;数值分析时考虑了混凝土徐变及龄期效应,对混凝土穹顶的温度场和应力场进行耦合计算,得到穹顶的热应力分布及裂缝开展情况,对穹顶混凝土开裂风险进行评估,进而对参数的敏感性进行分析。结果表明:穹顶内外在混凝土浇筑过程中产生温差较大,导致巨大热应力;第一浇筑带的热应力明显比其他浇筑带大,环向热应力大于经络向热应力,将使穹顶边缘产生沿环向分布的经络向温度裂缝;水泥种类对穹顶热力分析结果有很大的影响。     

构件截面混凝土碳化深度分布的有限元分析

混凝土结构截面上碳化深度分布的确定,浊进行混凝土结构截面等耐久性设计的基础,按照传质原理,建立了混凝土结构截面上ＣＯ２的二维扩散传质方程,并利用有限元方法作了混凝土截面上碳化深度分布的计算。算例表明角区混凝土的最大碳化深度约为一般边碳化深度的１．４倍。     

考虑层间粘结的水泥路面荷载应力数值模拟

为分析轴载和层间粘结程度对水泥路面荷载应力的影响,在基层和面层之间设置了反映层间粘结程度的接触单元,进而建立了车辆荷载作用下的水泥混凝土路面三维数值模型。利用模型分析了:1)标准轴载下层间粘结状态对水泥路面面层和基层应力的影响;2)轴载对水泥路面荷载应力的影响。结果表明:1)随着层间粘结程度增加,水泥路面板底拉应力减小,基层底拉应力增加,但基层底拉应力不大;2)随着轴载增加,水泥路面板底拉应力增加。随着粘结程度增加,板底拉应力增长速率越来越低;3)在超载条件下,综合考虑荷载应力和温度应力,层间完全粘结更有利于水泥混凝土路面板承载。