钢筋混凝土平面构件的配筋优化

钢筋混凝土D区构件由于不满足平截面假定,以往多采用试验加经验的方法进行配筋设计,误差较大,结果多偏于保守。由于钢筋混凝土构件是由钢筋和混凝土两种材料组成的复合构件,它的工作本质可抽象为由混凝土压杆和钢筋拉杆构成的、形状自由的拉压杆模型。引入一种新的结构优化方法遗传演化算法建立反映构件最实质工作机理的拉压杆模型,在所获拉压杆模型的指导下,拉杆位置布置受拉钢筋,压杆位置认为由混凝土承担,完成钢筋混凝土D区构件的配筋设计。首先以一根钢筋混凝土简支深受弯构件为例证明这种方法的可行性,根据所求得的拉压杆模型配置的钢筋数量少于现行规范用量。另外这种方法还被证明能方便地找到包括钢筋混凝土简支深受弯构件、牛腿、框架节点等典型D区构件的拉压杆模型,并据此给出相应的配筋指导。     

钢筋混凝土柱二阶配筋的不同计算方法对比

计算钢筋混凝土柱的配筋,需要迭代求解材料非线性和几何非线性问题,不便实际应用。基于混凝土和钢筋的本构关系,根据截面应变求解精确的截面内力-曲率关系,简化杆件变形曲线为二次抛物线来计算外部作用。根据精确的截面内力-曲率曲线和外部作用曲线的特点,分别按照我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)和欧洲规范(Eurocode 2),对截面的极限曲率进行了简化,最后绘制了计算杆件二阶总弯矩和配筋的总诺模图。通过具体算例对比分析,结果显示欧洲规范的简化与精确值更相符,且更经济。     

钢筋混凝土D区配筋的拓扑优化设计研究

钢筋混凝土D区的配筋设计是一个难点。基于试验结果的经验设计方法一直饱受诟病,拉压杆模型等应力方法却又不够成熟,基于整体式模型的遗传演化算法还存在诸多问题。基于分离式模型和非线性分析结果的遗传演化算法可以直观地得到较为分散的配筋设计,利用钢筋分离模型遗传演化结构优化构造了悬臂深梁、异形梁、牛腿等多种钢筋混凝土D区构件的配筋拓扑,验证了钢筋分离模型遗传演化结构优化在钢筋混凝土D区配筋优化方面的普遍能力。还借助有限元软件探讨了一组开洞剪力墙的非线性力学性能,证实了钢筋分离模型遗传演化结构优化设计的构件在比弹性应力方法节省20%左右钢筋用量、比经验方法节省超过75%钢筋用量的前提下,与弹性应力方法设计的构件承载能力基本相当,比经验方法设计的构件极限承载力仅低不到15%;且钢筋分离模型遗传演化结构优化从延性方面对钢筋混凝土D区构件的性能进行了改善。     

开口厚壁截面短构件的约束扭转1）

为了分析开口厚壁截面短构件的约束扭转问题,采用统一分析梁模型与有限节线法,对T形和L形厚壁截面短构件约束扭转时横截面的翘曲和应力分布情况等问题进行了分析研究.算例计算结果表明：开口厚壁截面短构件存在与其横截面形心位置不一致的扭转（弯曲）中心,构件在不过扭转中心的外力作用下会产生弯扭耦合变形,其横截面将产生不均匀翘曲,横截面上的翘曲正应力和扭转剪应力均呈非线性分布.     

开口厚壁截面短构件的约束扭转

为了分析开口厚壁截面短构件的约束扭转问题,采用统一分析梁模型与有限节线法,对T形和L形厚壁截面短构件约束扭转时横截面的翘曲和应力分布情况等问题进行了分析研究.算例计算结果表明:开口厚壁截面短构件存在与其横截面形心位置不一致的扭转(弯曲)中心,构件在不过扭转中心的外力作用下会产生弯扭耦合变形,其横截面将产生不均匀翘曲,横截面上的翘曲正应力和扭转剪应力均呈非线性分布.     

锈蚀钢筋混凝土偏心受压构件实验及其承载力计算方法研究

大量锈蚀钢筋混凝土偏压构件的实验研究表明,随着纵向受力主筋锈蚀率的增大,偏心受压构件的承载力及其刚度均有不同程度的降低。并且由于钢筋锈蚀,钢筋混凝土偏心受压构件延性也随之降低,脆性性质明显,从而可能使得钢筋混凝土偏压构件的破坏形态发生变化。在对预制钢筋混凝土柱进行快速锈蚀实验85研究的基础上,对锈蚀偏心受压构件的结构性能退化机理和破坏特征进行了分析;在现行计算理论和实验85结果分析的基础上,通过拟合出的锈蚀钢筋与混凝土间的应变不协调系数,对未锈蚀构件的相对界限受压区高度进行修正,得到了锈蚀偏心受压构件相对界限受压区高度的修正公式;考虑锈蚀钢筋截面的削弱、钢筋屈服强度的降低以及钢筋和混凝土之间粘结性能退化的影响,提出锈蚀偏心受压构件正截面承载力计算方法,为今后混凝土结构耐久性评估和可靠性鉴定提供了科学依据。     

钢筋混凝土空间杆件精细非线性分析模型

针对现有钢筋混凝土空间杆件非线性分祈模型进行了评还,应用结构力学方法推导得到了沿秆长配筋分布均匀的钢筋混凝土空间杆件的非线性单元刚度矩阵,建立了应用高斯积分点所在截面的非线性性质描述钢筋混凝土空间杆件非线性的计算过程。对于沿杆长配筋分布不均匀的杆件,根据其实际情况,将其细分为两段或三段沿杆长配筋分布均匀的杆段,以沿杆长配筋分布均匀的钢筋混凝土空间杆件非线性分析模型为基础,建立了沿杆长配筋分布不均匀的空间杆件的非线性分析模型。最后,给出了两个算例。就本文方法及程序的计算结果与模型结构振动台试验结果、常规非线性杆件模型的计算结果进行了比较。     

火灾下钢筋混凝土板的热弹塑性有限元分析——基于S-R分解原理(Ⅱ:算例分析)

采用基于S-R分解原理的更新拖带坐标有限元法,对火灾下钢筋混凝土板进行了数值模拟.并以标准升温为条件,探讨了不同的钢筋保护层厚度、钢筋及混凝土强度等级、荷载水平、板厚等因素,对钢筋混凝土简支板抗火性能的影响.计算结果表明,构件变形主要是由非线性温度场引起的热变形.为采取一些简单的设计思想来完善钢筋混凝土构件抗火性能提出了建议.     

混凝土构件中钢筋非均匀锈胀应力研究

研究钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂的机理,对于评估受锈蚀影响的混凝土结构剩余寿命具有重要意义。本文提出了一种求解钢筋非均匀锈蚀应力场的解析方法。基于Muskhelishvili的复变函数法和Verruijt共形映射公式,利用基于冯·米塞斯分布的钢筋非均匀锈蚀模型作为位移边界条件,得到了钢筋非均匀锈胀应力的解析解。通过与基于ANSYS有限元模拟结果的比较,验证了解析解的有效性。对比了不同锈蚀模式下引起的应力,发现非均匀锈蚀引起的最大应力远大于均匀锈蚀引起的最大应力。通过实例探讨了影响钢筋锈胀力的各个因素,研究表明：钢筋直径越大,锈胀力越小,混凝土保护层越容易开裂;混凝土保护层厚度越大,锈胀力越大;混凝土强度等级越高,钢筋锈胀力亦越大。为易受锈蚀影响的钢筋混凝土构件设计提供了科学依据。     

起波钢筋高速动态拉伸力学性能研究

针对提高混凝土梁抗冲击爆炸性能的起波配筋新技术,采用理论分析与动态冲击拉伸试验相结合的方法,揭示了起波钢筋的快速拉伸变形作用机理,分析了拉伸速度、起波矢高等因素对起波钢筋抗拉强度的影响规律,确定了起波钢筋静态弹性极限强度计算方法。提出了起波钢筋等效拉伸应变率新概念,建立了弹性极限强度动力放大系数（dynamic increase factors,DIF）计算模型。研究结果表明,预先弯折起波使得钢筋在受力拉直过程中产生截面弯矩,起波钢筋的力学性能存在明显的应变率效应;起波钢筋弹性抗拉极限强度DIF随起波矢高的增高先增大后减小,存在一个最优起波设计矢高,可以使起波钢筋抗拉强度动态放大系数达到最大。研究成果可为进一步推动起波配筋技术在防护工程中的应用提供依据。     

Elliptical and circular FRP-confined concrete sections: A Mohr–Coulomb analytical model

An analytical stress–strain model is developed for predicting the compressive behavior of elliptical and circular fiber reinforced polymer (FRP)-confined concrete members. The model is based on a diagonal Poisson’s ratio formulation expressed as a function of the mechanical properties of the unconfined concrete and confining FRP jacket, the geometry of the concrete section, and the extent of internal damage in the confined concrete core. A Mohr–Coulomb yield criterion is introduced for analysis of the compressive behavior of confined concrete. Equilibrium and strain compatibility are used to obtain the ultimate compressive strength and strain of elliptical and circular FRP-confined concrete sections as a function of the effective confining stiffness of the FRP jacket. A simplified expression is derived for the FRP reinforcement ratio which precludes strain softening in elliptical and circular FRP-confined concrete sections.     

碳纤维约束高强混凝土圆柱压弯构件非线性全过程分析

为分析塑性铰区碳纤维约束高强混凝土圆柱的抗震性能,编制了可得到荷载-位移曲线软化段的非线性全过程分析程序,保护层和箍筋约束混凝土采用Mander本构模型,碳纤维约束混凝土采用ACI 440.2R-08给出的本构关系,将程序计算结果与试验结果进行比较,两者吻合较好;利用该程序分析了轴压比、混凝土强度、碳纤维包裹长度及层数、纵筋配筋率等参数对碳纤维约束混凝土圆柱荷载-位移关系的影响规律,结果表明:当轴压比超过0.55后,柱构件的水平承载力开始降低,柱的破坏形式由延性的受拉破坏向脆性的受压破坏转变;剪跨比大于3的圆柱,碳纤维在塑性铰区包裹长度大干1.2倍柱直径时,即可达到与全柱包裹基本一致的效果;对混凝土强度为50 MPa～80 MPa的高强混凝土圆柱,以包裹3～4层碳纤维为宜;随着纵筋配筋率的增加,柱的水平极限承载力及延性均有所提高.     

基于有限元强度折减法的复式抗滑桩内力计算及桩土作用机理分析

在边坡、滑坡防治工程中已得到广泛应用的“П”形、“h”形等复合式抗滑桩,由于其多属于复杂的超静定结构,受力形式或荷载分配方式仍存在较大争议,桩土相互作用关系复杂,传统方法在求解其内力时往往面临较大困难。有限单元法和强度折减法的结合为解决这类问题提供了一条可行的途径,该方法求解这一类问题时不需要假定抗滑桩系统的结构类型以及岩土体作用在抗滑桩上的荷载分布形式,因此获得的计算结果往往更符合实际情况。本文以某隧道进口岸坡的“П”形抗滑桩为例,在详细分析岸坡稳定性状况以及可能失稳模式的基础上,采用有限元强度折减法对桩身内力、桩土作用关系以及治理效果进行计算和分析,结果表明利用有限元强度折减法求解这类具有复杂超静定结构抗滑桩系统的内力是一条有效的途径,计算结果对该治理工程的设计具有一定的应用参考意义。     

变刚度群桩基础沉降计算研究

针对现行规范《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)无法计算变刚度群桩基础沉降的现状, 在前人建立单桩柔度矩阵的基础上,推导出变刚度两根桩、三根桩乃至群桩的沉降计算理论 半解析解. 并以均布9桩、变桩长9桩为例,计算其桩顶柔度系数的变化趋势. 结果表明, 中桩长、边桩次之、角桩短的变刚度群桩基础具有减小差异沉降的功能. 该方法对中国制定变刚 度群桩基础技术规范具有借鉴意义.     

爆炸载荷下RC单向简支板的能量法优化设计

由钢筋混凝土(RC)板的抗力-位移(R-y)曲线特性可知,曲线下方面积代表板 在爆炸载荷作用下可能吸收的能量. 对爆炸载荷作用下RC板的R-y曲线采用双折线模型,计 算不同配筋率的R-y曲线下方面积,面积最大时的配筋率即可定义为相应设计的最佳配筋率. 考虑材料非线性及高应变率对混凝土和钢筋强度的影响,采用分层法迭代求解抗 力-挠度(R-y)曲线. 研究结果可供受爆炸载荷的RC板优化设计借鉴.     

钢板夹芯混凝土组合板界面滑移计算分析

在钢板夹芯混凝土组合板中,界面滑移是影响组合板力学性能的一个重要因素。通过对界面滑移的理论分析,建立了其微分方程;根据截面剪力分布和边界条件求出了任意集中载荷和均布载荷作用下界面滑移的计算公式。采用实验结果对本文公式的合理性进行了验证,最大误差为22.22%。根据计算结果及其比较分析可知:界面滑移沿组合板纵向呈非线性变化,组合板端部界面滑移最大,沿组合板纵向向跨中逐渐减小,跨中界面滑移为零;剪力连接程度、含钢率对界面滑移影响较大,混凝土强度等级对其影响较小;界面滑移随着剪力连接程度的提高、含钢率的降低、混凝土强度等级的提高而减小。     

钢筋锈胀引发混凝土保护层开裂破坏的细观数值研究

钢筋锈蚀膨胀引起保护层混凝土开裂是影响钢筋混凝土结构耐久性和服役寿命的重要因素。考虑到混凝土细观结构组成对保护层破坏模式的影响,从细观角度出发,将混凝土看作由骨料、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,建立了描述钢筋锈胀力学行为的混凝土随机骨料模型。采用塑性损伤本构关系模型来表征砂浆基质和过渡区界面的力学行为,假定钢筋均匀锈蚀,对钢筋锈胀引起的混凝土保护层开裂破坏过程进行了细观数值研究。对比了宏观均匀模型与细观非均质模型下获得的保护层破坏模式,探讨了径厚比(c/d)、钢筋位置(中部和角区)及混凝土拉伸强度对保护层破坏模式及保护层胀裂时钢筋锈蚀水平的影响,得到了一些有益结论。     

基于双剪统一强度理论的复式钢管混凝土轴压承载力计算

考虑内、外钢管对混凝土的双重约束作用, 分析复式钢管混凝土的轴压应力状态, 采用双剪统一强度理论分析混凝土和钢管各自的极限轴压强度, 得出复式钢管混凝土轴压承载力公式; 通过推导钢管在极限状态的强度折减系数及钢管与混凝土之间的紧箍力值, 计算出的轴压承载力与试验数据进行对比, 吻合较好, 验证了双剪统一强度理论在复式钢管混凝土轴压承载力计算中的适用性; 并给出了内圆钢管的径厚比和直径与轴压承载力提高系数的关系, 为复式钢管混凝土的优化设计提供理论依据.