外包钢-砼组合梁纯扭作用下抗扭刚度的实验及数值模拟

为了研究新型外包钢-砼T形截面组合梁在纯扭作用下的变形性能，设计了5根不同配箍率的的足尺悬臂组合梁。通过对5根悬臂梁的抗扭性能的实验研究，得到了组合梁的扭矩-扭率关系曲线。利用有限元分析软件ANSYS，对组合梁的抗扭性能进行了非线性有限元分析，得到了混凝土与外包钢在极限阶段的应力云图。根据实验以及有限元结果分析了组合梁在整个加载过程中扭转刚度的变化。基于现行砼结构设计规范，提出了组合梁从开裂到极限阶段抗扭刚度的计算公式，可供组合梁受扭设计参考。把有限元模型和公式的计算结果与实验结果进行比较，三者吻合较好。     

新型外包钢混凝土组合梁框架结构抗震性能的试验

为克服型钢混凝土柱-钢梁组合框架结构体系存在的缺点,提出了一种新型外包钢混凝土组合梁-型钢混凝土柱组合框架结构体系。设计制作了一榀一跨两层型钢混凝土柱-外包钢砼梁的组合框架结构模型,并通过施加恒定竖向荷载和低周反复水平荷载,对模型框架进行了抗震性能试验研究。结果表明,基于现行规范及作者新研究外包钢组合梁计算理论所设计的型钢混凝土组合框架在地震时能形成梁铰破坏机制,框架的变形能力、承载能力、延性、耗能能力等均满足延性框架的抗震要求,且模型框架的有效延性系数达到了7.93。可见,新型型钢混凝土组合柱-外包钢混凝土组合梁框架结构的抗震性能优于钢框架结构和型钢混凝土柱-钢梁框架结构,可在高层建筑中应用。     

钢-混凝土组合梁桥徐变的三维虚拟层合元分析

采用三参数粘弹性模型,对钢-混凝土组合梁桥在长期荷载作用下的徐变性能进行了研究,并采用三维虚拟层合单元法研究这种效应以及截面由不同材料组成时结构的受力特点。在实验研究的基础上,拟合了粘弹性模型中的参数,并对钢-混凝土组合梁桥在长期荷载作用下的竖向变形和轴向应变进行了研究,通过对计算和试验结果进行对比分析验证了该法的准确性。     

外包钢-砼组合梁纯扭作用下抗扭刚度的实验及数值模拟

为了研究新型外包钢-砼T形截面组合梁在纯扭作用下的变形性能,设计了5根不同配箍率的的足尺悬臂组合梁。通过对5根悬臂梁的抗扭性能的实验研究,得到了组合梁的扭矩-扭率关系曲线。利用有限元分析软件ANSYS,对组合梁的抗扭性能进行了非线性有限元分析,得到了混凝土与外包钢在极限阶段的应力云图。根据实验以及有限元结果分析了组合梁在整个加载过程中扭转刚度的变化。基于现行砼结构设计规范,提出了组合梁从开裂到极限阶段抗扭刚度的计算公式,可供组合梁受扭设计参考。把有限元模型和公式的计算结果与实验结果进行比较,三者吻合较好。     

钢－混凝土组合梁非线性有限元分析

提出了部分剪力连接钢-混凝土组合梁非线性有限元分析的简化模型，该模型同时考虑了钢、混凝土材料的非线性本构关系和剪力连接件的滑移非线性对组合梁刚度和强度的影响，推导了考虑滑移的剪力连接件单元刚度矩阵。利用该模型计算了连续组合梁的极限荷载、挠度、应力以及滑移，与已有的理论计算结果和实验结果吻合，证明本方法分析钢-混凝土组合梁非线性的可靠性和实用性。     

某简支组合梁桥荷载试验研究

以某简支组合梁桥为工程背景，基于现场荷载试验方法，对该桥加固后的实际承载力进行了研究。首先，详细介绍了试验过程中应变和挠度测点的布置方式；然后，利用荷载效应等效原则，结合组合简支梁桥结构的内力分布特点，确定了现场荷载试验中典型截面的最不利荷载工况。最后，将试验结果与理论计算结果进行了对比分析。研究结果表明，静载试验的应变实测值和挠度实测值均小于理论计算值，满足相关规范要求；桥梁结构整体强度和刚度满足设计荷载及正常使用的要求；该桥的跨中横向分布系数分布不均匀，且其横向传递剪力能力较弱。     

混凝土柱-波纹钢板混凝土组合梁节点抗震性能研究

基于课题组研发的外包波纹钢板混凝土组合梁,提出了一种新型混凝土柱-波纹钢板混凝土组合梁连接节点形式,并进行了该类节点试件的低周往复荷载加载试验,对该类节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性与耗能、变形组成成分与变化规律进行了研究.结果表明:试件最终在梁端理想塑性铰区发生弯曲破坏,实现了塑性铰外移,滞回性能较好,具有良...     

中柱失效工况下单层组合框架受力理论分析

基于已有试验，本文提出了轴向弹簧和转动弹簧约束的组合框架简化计算模型，推导了在集中荷载作用下刚性、半刚性连接平面组合梁双跨钢框架移除中柱后的荷载-跨中挠度曲线计算公式，考虑了压拱效应和连接刚度的影响，将公式计算结果与试验结果进行对比证明了推导过程和计算公式的可靠性．在对比结果的基础上，根据已有试验和模拟结果对已有悬索阶段的计算公式进行修正，修正后的公式与试验结果吻合较好．     

循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土受压性能试验研究

为研究循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土(PFRAC)的力学性能，以粗骨料取代率、纤维掺量、加载速率为变化参数，设计了78个圆柱体试件进行单轴循环受压试验。通过试验观察PFRAC的破坏形态，获取了应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、刚度退化等重要指标，研究了不同变化参数对其力学性能指标的影响规律，得到了循环荷载作用下聚丙烯纤维对再生混凝土的阻裂机理。结果表明：循环荷载作用下PFRAC主要发生斜向劈裂破坏；随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件表面主裂缝宽度减小；循环荷载下PFRAC试件受压应力-应变曲线包络线与单调受压应力-应变曲线相似；聚丙烯纤维的加入可显著改善PFRAC循环荷载下的力学性能，随着纤维掺量的增加，峰值应力、弹性刚度比先增大后减小；纤维掺量为0.9%时的纤维改性效果最优，峰值应力和峰值刚度比分别提高了4.4%和7.4%。     

矩形中空夹层再生混凝土钢管短柱轴压试验研究

以截面形式、截面长宽比和混凝土类型为参数共设计了8根矩形中空夹层钢管混凝土试件,对其进行轴压实验并对其破坏形态、荷载-纵向应变关系曲线及外钢管横向应变发展规律进行分析。其中截面形式包括矩形套矩形和矩形套圆形两种,截面长宽比分别为1.25和1.5,混凝土类型包括普通混凝土和再生混凝土(再生粗骨料取代率为50%)两类。结果表明:对于截面形式相同的试件,长宽比较大者极限承载力更小,且其长边横向应变发展更快;对于长宽比相同的试件,矩形套矩形截面的试件长边横向应变发展比矩形套圆形截面的更快;混凝土类型对试件的极限承载力和破坏形态影响不大。最后运用有限元软件ABAQUS对8根短柱的轴压全过程进行模拟,并将有限元计算得到荷载-纵向应变曲线与实验实测曲线进行对比,两者吻合较好且互相验证。     

水平荷载下型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架受力性能非线性数值分析

在型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架拟静力试验的基础上,采用Abaqus软件建立该组合框架有限元模型并进行非线性数值分析,获取组合框架的变形图、应力云图及荷载-位移骨架曲线,分析组合框架的受力破坏特征,验证了有限元模型的合理性,并对组合框架进行了参数分析。结果表明,数值模拟计算值和试验值对比误差较小,数值计算模型能够较好地模拟该组合框架的受力性能;组合框架符合强柱弱梁的破坏机制;另外,提高型钢强度或再生混凝土强度对组合框架承载力和刚度有利,但对其变形能力不利;框架承载力和刚度随着梁柱线刚度的增加而提高;增大轴压比对于组合框架的抗震性能和延性不利。研究结论可为该类绿色组合框架的工程应用提供参考。     

钢-混凝土组合箱梁梁段有限元法研究

组合梁界面滑移将减小组合梁刚度,增大变形,影响构件性能；剪应力沿截面横向分布不均匀,造成其弯曲正应力的横向分布呈曲线形状,即剪力滞效应；同时组合梁往往重载,具有较小的跨高比,剪切变形不可忽略.根据虚功原理,建立了同时考虑滑移效应、剪力滞及剪切变形效应的组合梁单元刚度矩阵及等效节点力向量,并在此基础上编制了组合梁梁段有限元程序.利用本文程序对现有组合梁试件的混凝土顶板应力、钢梁底板应力、跨中挠度和梁端滑移进行了计算,并将本文计算结果与解析法计算结果及试验结果进行了比较.结果表明,本文计算结果与解析法计算结果及试验结果吻合良好；同时,本文计算结果具有较好的稳定性,验证了本文计算方法的正确性.本文所建立的梁单元刚度矩阵同时考虑了剪切变形、剪力滞及滑移效应的影响,符合工程实际,为有限梁段法分析组合箱梁提供了理论基础.     

压电层合梁静动力学分析的高精度梁单元

给出了一个对复合材料压电层合梁进行数值分析的高精度压电层合梁单元。基于Shi三阶剪切变形板理论的位移场和Layer-wise理论的电势场,用力-电耦合的变分原理及Hamilton原理推导了压电层合梁单元列式。采用拟协调元方法推导了一个可显式给出单元刚度矩阵的两节点压电层合梁单元,并应用于压电层合梁的力-电耦合弯曲和自由振动分析。计算结果表明,该梁单元给出的梁挠度和固有频率与解析解吻合良好,并优于其它梁单元的计算结果,说明了本文所给压电层合梁单元的可靠性和准确性。研究结果可为力-电耦合作用下压电层合梁的力学分析提供一个简单、精确且高效的压电层合梁单元。     

拼接式组合扁梁受弯性能分析

本文提出了一种拼接式组合扁梁，对其进行了受弯性能分析．组合扁梁属于内嵌式组合梁，其组成部分较为复杂，传统承载力计算公式偏保守．为便于此类梁的设计，本文在等效应力法的基础上使用等效矩形应力图法，对拼接式组合扁梁的正截面抗弯承载力公式进行推导．使用ABAQUS有限元软件对组合方法公式的准确性进行验证，并与等效应力法公式进行对比，结果表明组合公式得到的数值更为精准．在相同截面高度和用钢量下设计了一个深肋组合扁梁和一个拼接式组合扁梁，并进行了受弯性能对比；同时对不同钢强度和翼缘厚度影响下的拼接式组合扁梁抗弯承载性能进行分析．使用换算截面法对其进行了弹性刚度的计算，并和有限元进行了对比，二者吻合较好，研究结果为拼接式组合扁梁的设计和优化提供了一定参考依据．     

基于扩展有限元的地质聚合物混凝土断裂过程研究

扩展有限元法是基于常规有限元框架分析裂纹等不连续力学问题的一种有效数值方法,在常规的有限元位移表达式中,增加了能够反映位移不连续性的跳跃函数和渐进缝尖位移场函数来对不连续结构附近的节点自由度进行局部加强。本文介绍了扩展有限元法及粘聚力模型的基本原理,给出了基于扩展有限元法的地质聚合物混凝土断裂过程分析方法。分别采用四种不同的软化曲线对I型缺口地质聚合物混凝土梁从裂纹萌生、扩展直至断裂破坏的全过程进行了模拟,并基于双K断裂准则分析了其断裂韧性。结果表明,Petersson模型与试验结果吻合较好,最后基于模拟结果进一步揭示了断裂过程区的演化过程。     

型钢再生混凝土组合柱水平承载力试验及计算方法研究

基于17个型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验,分析了再生粗骨料取代率、轴压比、体积配箍率以及剪跨比对组合柱水平承载力的影响规律。通过实测型钢腹板与翼缘,箍筋及纵筋的荷载-应变曲线,并结合组合柱的破坏形态特征,分析了型钢再生混凝土组合柱在水平荷载作用下的破坏机理。在此基础上,分别推导了型钢再生混凝土组合柱发生剪切斜压破坏和弯曲破坏时的理论计算公式。为了便于计算,本文提出了型钢再生混凝土组合柱水平承载力实用计算公式。结果表明,组合柱的计算水平承载力与试验值吻合较好,满足计算要求。上述研究结论可为型钢再生混凝土组合柱的抗震设计提供参考。     

Axial-flexural coupled vibration and buckling of composite beams using sinusoidal shear deformation theory

A finite element model based on sinusoidal shear deformation theory is developed to study vibration and buckling analysis of composite beams with arbitrary lay-ups. This theory satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of beam without using shear correction factors. Besides, it has strong similarity with Euler–Bernoulli beam theory in some aspects such as governing equations, boundary conditions, and stress resultant expressions. By using Hamilton’s principle, governing equations of motion are derived. A displacement-based one-dimensional finite element model is developed to solve the problem. Numerical results for cross-ply and angle-ply composite beams are obtained as special cases and are compared with other solutions available in the literature. A variety of parametric studies are conducted to demonstrate the effect of fiber orientation and modulus ratio on the natural frequencies, critical buckling loads, and load-frequency curves as well as corresponding mode shapes of composite beams.     

STUDY ON NONLINEAR CONSTITUTIVE RELATIONSHIP AND FRACTURE BEHAVIOR OF STITCHED C/SiC COMPOSITES$^{\bf 1)}$

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.     

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.