三维刚体弹簧元法在RC深梁抗剪性能尺寸效应评价中的应用

选取典型的钢筋混凝土(RC)深梁受剪试验,开发并运用三维刚体弹簧元法(3D RBSM)模拟了大尺寸截面深梁的受剪破坏过程,以及箍筋对深梁抗剪性能的影响。结果表明,3D RBSM不仅能够较准确地计算RC深梁的开裂荷载、名义抗剪强度以及箍筋的增强作用,而且能够模拟裂缝的开展以及构件的破坏。相比于有限元法,3D RBSM具有以下优势：大幅度提高了名义抗剪强度的计算精度,实现了散布裂缝模拟的可视化以及混凝土裂缝宽度的直观、定量评价;能够更好地捕捉峰值荷载后的软化行为。因此,3D RBSM为大尺寸截面深梁的受剪破坏模拟、明晰抗剪性能尺寸效应机理和完善大尺寸RC构件设计提供了有效研究手段。     

爆炸荷载作用下影响RC梁破坏形态的主要因素分析

在冲击、爆炸等强荷载作用下，钢筋混凝土结构通常是发生弯曲破坏。室内外试验结果表明，当动荷载峰值较大、作用时间较短（脉冲荷载）时，钢筋混凝土结构易发生脆性的剪切破坏，其主要原因是脉冲荷载的高频成份丰富和加载速率高等特点容易激发结构构件中的剪切变形和剪 应力。本文基于Timoshenko梁理论，提出了一种爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态的有限差分预报方法，利用该方法分析了荷载加载速率、截面高度、混凝土强度、配筋率等对钢筋混凝土破坏形态的影响规律，并指出，随着荷载升压段加载速率、截面高度、主筋配筋率的增加或混凝土强度的降低，梁的破坏形态从弯曲破坏转变为剪切破坏。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析

对基于Timoshenko梁理论建立的非线性动力有限元法作了改进。根据压区理论得到混凝土的平均剪应力和平均剪应变关系,建立了能反映箍筋的抗剪作用的材料模型;此外,对结构在爆炸荷载作用下可能出现的各种响应现象进行了描述,以准确地预测梁破坏时不同位置截面上钢筋和混凝土的受力、变形及破坏情况。应用改进的材料模型,对爆炸荷载作用下的五个钢筋混凝土试验梁的动力响应和破坏形态进行了数值模拟,结果表明,该数值方法能较好地模拟钢筋混凝土梁的弯曲、弯剪和剪切等破坏形态。     

一般大气环境下锈蚀钢筋混凝土梁的时变可靠度分析

根据一般大气环境下锈蚀钢筋混凝土梁中的钢筋截面损失时变模型和抗剪、抗弯承载力退化模型,建立了考虑其随机性的极限状态方程。基于概率守恒原理分析得到满足该极限状态方程的概率密度演化方程,并引入吸收边界条件,提出了梁时变可靠度的计算方法。以受对称集中荷载的锈蚀钢筋混凝土简支梁为例,展示了目标函数的概率密度演化过程,并讨论了配置不同直径箍筋和不同厚度保护层时的时变可靠度。结果表明,在保证梁具有足够初始抗剪强度和抗弯强度的前提下,适当增大保护层厚度和箍筋直径(具有相同配箍率)能延缓混凝土构件力学性能的退化。通过和100万次蒙特卡洛模拟结果的对比可知,选用本文方法能在以付出较小计算代价的前提下,获得计算精度良好的分析结果。     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。     

碳纤维板增强钢筋砼梁开裂性状试验研究

采用实验研究的方法，对碳纤维薄板增强钢筋混凝土三点弯曲缺口梁和无缺口梁的开裂性状及破坏规律进行探讨，分析其影响因子，研究结果表明：1)与无纤维板增强钢筋混凝土梁相比，碳纤维薄板增强钢筋混凝土三点弯曲梁的开裂性状和破坏模式更加复杂，开裂荷载和极限荷载提高，刚度增加；2)与无缺口梁相比，缺口梁的开裂性状大致相同，但开裂荷载和极限荷载都稍有下降，刚度增加；3)碳纤维薄板的粘贴长度对梁的开裂性状、开裂荷载、极限荷载和刚度有较大的影响；4)按照梁的不同的开裂性状，提出了相应的力学分析模型。     

冲击荷载与火灾联合作用下SFRC梁的力学行为

为了探究冲击荷载与火灾联合作用下钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete, SFRC)梁的力学性能，联合应用高性能落锤试验系统、四点弯曲实验装置与装配式电炉开展了4根SFRC梁的冲击实验与高温恒载实验，观察了其破坏模式并记录了跨中位移和钢筋应变的时程曲线，探讨了冲击损伤SFRC梁的抗火性能。此外，在实验研究的基础上，考虑材料的应变率强化效应及温度软化效应，建立数值模型，首先对梁进行冲击加载模拟，并以冲击模拟结果为初始状态，采用热-力“顺序”耦合方法，对冲击加载与高温恒载联合作用下SFRC梁的力学行为进行了三维宏观有限元数值模拟。同时，考虑混凝土内部结构非均质性的影响，采用类似步骤，开展了细观模拟。宏/细观模拟结果与实验结果的良好吻合验证了本文数值方法的合理性与有效性，并体现了细观方法的优越性。研究发现，冲击能量较小时，SFRC梁在冲击荷载作用下，尽管局部混凝土开裂，梁整体残余变形较小，抗火性能有一定程度的下降；随着钢纤维掺量增大，混凝土基体抗剪强度增大，SFRC梁在冲击荷载作用下的开裂形态由弯剪裂缝并存向以弯曲裂缝为主转变；冲击损伤SFRC梁在高温恒载作用下裂缝分布较为集中，且发生脆性破坏。     

钢筋混凝土箱梁非线性及剪滞效应的试验研究

制作了钢筋混凝土简支箱梁模型,试验包括模型梁开裂范围内的加载及开裂后的加载。在开裂范围内,对该试验梁分别进行了顶板满布均布荷载、均布荷载作用于肋板上方、集中力作用于跨中以及对称集中力作用下的加载;对开裂后的试验梁,进行了对称集中力作用下的加载。用应变采集仪与电脑连接,并用半桥测量,温度自补偿方法测取应变值,采用百分表测试梁体挠度,采用读数显微镜观测裂缝。测量得到应力、应变的分布规律,验证了钢筋混凝土箱梁中存在剪滞效应。试验结果与考虑混凝土非线性的有限段法的计算结果吻合较好,验证了有限段法在混凝土箱梁剪滞效应分析中的适用性。     

碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的试验研究

通过对8根矩形截面钢筋混凝土梁的静力加载试验,研究了抗弯和抗剪两种加固方式对钢筋混凝土梁的破坏形态和力学性能的影响,对比分析了碳纤维加固率、试验梁的状态、混凝土强度对加固效果的影响。结果表明：经碳纤维抗弯哥口抗剪加固后加圉梁相应的力学性能指标值明显提高;混凝土裂缝扩展得到了有效延缓,加固效果明显;抗弯加固后可显著提高混凝土梁的承载力和延性,但提高程度并不与加固率成正比;预裂粱抗弯加固后承载力和延性得到提高,但与其相同加固参数的梁相比,其承载力和延性有所降低;抗剪加固时混凝土强度越高,加固后混凝土梁的承载力和变形能力提高幅度越大,其中混凝土梁的变形能力受混凝土强度的影响较大。最后,对加固梁的极限承载力进行了理论分析与计算,建立了实用的理论计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

水工结构高强钢筋混凝土梁受剪性能试验研究

通过对12根配置高强箍筋的混凝土梁在集中荷载作用下的受剪试验,研究梁的挠度、箍筋应变、斜裂缝扩展规律及破坏形态。依据现行《水工混凝土结构设计规范》,对比分析试验梁斜截面承载力及考虑荷载长期作用的正常使用阶段斜裂缝宽度。研究结果表明,配置高强箍筋的混凝土梁斜向开裂规律和受力特征与普通钢筋混凝土梁基本相同,受剪承载力可按现行《水工混凝土结构设计规范》公式计算,且有较高安全储备。当考虑荷载长期作用,HRBF500钢筋在水工结构中抗拉强度设计值取360MPa时,斜裂缝宽度满足正常使用极限状态要求。     

多裂面斜坡滑动面聚类分析

斜坡中通常发育有多种裂面 ,这些裂面能否在滑坡发育过程中形成滑面 ,将取决于裂面所处的应力状态、裂面的性质、形态、发育密集程度等因素。裂面聚类分析就是通过对裂面所处应力状态的分析 ,确定斜坡中存在的多组潜在滑面 ,然后对斜坡中多组裂面进行聚类分析。其基本方法是将所研究的一组样本 (裂隙或潜在滑面 )中的每一个样本看成一类 ,根据样品间相似系数或距离的大小 ,每次将最为相近的合并 ,计算合并后新类与其他类之间的距离 ,再选择最小距离合并 ,最后将一组样本合并成所需要的类 ,确定斜坡中最有可能发育成滑动面的裂面 (或变形带).     

On the nonlinear stability behaviour of distorted plane Couette flow

This paper discusses the nonlinear stability behaviour of distorted plane Couette flowto 2-dimensional disturbances,and compares it with that of distorted plane Poiseuille flow.The results show that plane Couette flow is more unstable than plane Poiseuille flow tofinite-amplitude disturbances.     

平面问题中弹性压电材料的本构关系及应用

本文在三维压电材料本构方程的基础上,推导出二维压电材料的机电耦合方程系统,并分析了受轴向力,弯矩作用时的位移和电势分布情况。     

A new three-dimensional Hoek-Brown strength criterion

The Hoek-Brown(HB) strength criterion has been widely applied to the estimation of strength of intact rock and rock mass,while evolving ever since.However,negligence of the effect of the intermediate principal stress still remains in the criterion’s latest version.At the same time,several three-dimensional(3D) HB strength,which can takes into account the influence of the intermediate principal stress,have already been proposed,among which the 3D HB criterion proposed by Zhang and Zhu seems to be the most reasonable one.However,the Zhang 3D HB criterion may have problems with some stress path close to triaxial extension state because of the non-convexity characteristic of its failure surface.In this paper,a new 3D HB strength criterion is presented based on a generalized form of the HB criterion,which also considers the effect of the intermediate principal stress and inherits all the merits of the original version of the HB criterion.In addition,this new criterion can remedy to some extent the shortcomings observed in the Zhang 3D HB criterion.Polyaxial tests for five different rocks from published literatures are used for evaluating this new criterion and comparing it with the Zhang 3D HB criterion.The results show that this new criterion may over-predict or underpredict the polyaxial strength of rocks but the errors are relatively small,and similar results are also found for the Zhang 3D HB criterion,which one is better depends on the type of the rock under estimation.     

非局部平面应变和平面应力问题界定及其精确性讨论

在非局部弹性理论框架下对平面应变和平面应力状态重新界定.首先,分别在其相应简化假设下推导控制方程,并与经典局部情况进行比较.然后,引入变形协调条件对两类非局部平面问题的精确性进行讨论.其中,对于非局部平面应力状态,通过应变协调方程的Fourier变换形式来进行研究,使问题得以简化.通过以上分析,最终得到一些有价值的结论.     

ANISOTROPIC STRENGTH CRITERION BASED ON T CRITERION AND THE TRANSFORMATION STRESS METHOD 1)

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.     

一种横观各向同性强度准则及变换应力空间

考虑岩土介质在自然形成过程中产生的原生各向异性性质,将其简化为一种横观各向同性岩土材料.基于已提出的a强度准则,根据沉积面与有效滑移面在物理空间中位置的相互关系,采用两面的空间夹角作为度量岩土材料原生各向异性在加载条件下发挥强度作用的影响变量.并根据有效滑移面的物理概念,当沉积面与有效滑移面夹角越大,则摩擦特性潜力发挥的越充分,此时对应更高的强度应力比,反之则对应越小的强度应力比.基于上述思想,建立了考虑原生各向异性的强度应力比公式,将其用于修正a准则,进而得到了横观各向同性a准则公式.采用上述横观各向同性a准则公式向各向同性Von-Mises准则公式转换的变换思路,在横观各向同性a准则公式基础上,推导得到了变换应力公式,该公式可由横观各向同性应力空间转变为各向同性应力空间,利用所提出的变换应力方法,可方便的将传统的在偏平面上以Von-Mises准则为基础的二维模型转换为可考虑原生各向异性的三维模型.通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测,验证了所提的横观各向同性a准则及其变换应力公式的有效性及适用性.      

The welding problem of two half-planes with anisotropic media

In this paper,the welding problem of two half-planes with anisotropic media is considered.By means of the complex variable method,the stress distribution is given in closed forms.     

Mode I and mode II crack tip asymptotic fields with strain gradient effects

The strain gradient effect becomes significant when the size of fracture process zone around a crack tip is comparable to the intrinsic material lengthl, typically of the order of microns. Using the new strain gradient deformation theory given by Chen and Wang, the asymptotic fields near a crack tip in an elastic-plastic material with strain gradient effects are investigated. It is established that the dominant strain field is irrotational. For mode I plane stress crack tip asymptotic field, the stress asymptotic field and the couple stress asymptotic field can not exist simultaneously. In the stress dominated asymptotic field, the angular distributions of stresses are consistent with the classical plane stress HRR field; In the couple stress dominated asymptotic field, the angular distributions of couple stresses are consistent with that obtained by Huang et al. For mode II plane stress and plane strain crack tip asymptotic fields, only the stress-dominated asymptotic fields exist. The couple stress asymptotic field is less singular than the stress asymptotic fields. The stress asymptotic fields are the same as mode II plane stress and plane strain HRR fields, respectively. The increase in stresses is not observed in strain gradient plasticity for mode I and mode II, because the present theory is based only on the rotational gradient of deformation and the crack tip asymptotic fields are irrotational and dominated by the stretching gradient. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19704100), National Natural Science Foundation of Chinese Academy of Sciences (KJ951-1-20), CAS K.C. Wong Post-doctoral Research Award Fund and Post-doctoral Science Fund of China     

A boundary value problem in extended thermodynamics - one-dimensional steady flows with heat conduction

Abstract. One-dimensional steady flows with heat conduction, treated by the 13-moment theory of extended thermodynamics are considered. The usual well-posed boundary conditions for the corresponding problems in the Navier-Stokes-Fourier (NSF) theory are insufficient to give unique solutions. In order to have unique physically sensible solutions, minimization of the deviation of iterative approximations from the exact solutions, proposed in [1], is used as a criterion. Moreover, the solutions are shown to be invariant with respect to change of consistent boundary conditions - a requirement abide by our physical intuition. In the problems of plane shearing flow and Couette flow, the minimization with respect to two uncontrollable parameters is involved. The examples are carried out numerically, and the results are compared with the classical results of NSF theory.Received: 16 August 2002, Accepted: 20 April 2003, Published online: 5 December 2003PACS: 83.20.Lr, 83.50.Ax Correspondence to: I-S. Liu Dedicated to Professor Ingo Müller on the occasion of his 65th birthday