混凝土结构锈胀开裂的扩展有限元数值分析

依据非均匀锈胀理论提出钢筋锈胀作用的计算方法,应用扩展有限元法(XFEM)建立了钢筋锈胀保护层开裂的有限元模型.数值分析表明:采用XFEM与混凝土黏聚力模型能有效模拟混凝土开裂及裂纹扩展,避免了网格重剖分的问题;预裂纹的存在抑制了混凝土裂纹萌生,却加速了裂纹扩展贯通保护层,且萌生始于预裂纹尖端,而非钢筋-混凝土锈蚀层界面处;初始无损伤结构裂纹萌生位置对称分布于锈蚀层界面一定范围内,裂尖距交界面距离越大,单元受锈胀影响越小,最终贯通保护层主要是锈胀位移与锈蚀产物渗入裂缝产生作用力共同作用的结果,且裂纹扩展角趋于120°;提高混凝土等级和增大保护层厚度能有效延缓锈胀裂缝的产生与发展,有利于提高结构耐久性.     

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。     

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。     

钢筋混凝土结构锈胀开裂宽度的试验研究及预测模型

设计了45片钢筋混凝土(RC)构件,基于RC构件通电加速锈蚀,对该批构件进行腐蚀试验研究,测试了锈胀裂缝宽度及其位置和发生时间。以钢筋锈蚀率、保护层锈胀开裂、锈胀裂缝宽度、相对保护层厚度和混凝土强度为分析参数,结合测试数据,利用加速腐蚀和自然腐蚀的对应关系,通过数理统计回归分析建立了锈胀开裂宽度的预测模型。分析了各参数对锈胀开裂扩展的影响。该模型对RC结构耐久性设计提供一定的参考。使用本文建立的模型以及规范模型对文献试验数据和一座服役近40年的实桥构件的锈蚀率和锈胀裂缝宽度进行了预测,计算结果表明本文模型有较强的适用性,能够用于实桥锈胀损伤分析。     

锈胀开裂后变形钢筋与混凝土粘结性能实验研究

为研究锈胀开裂对变形钢筋与混凝土间粘结性能的影响,开展了电化学快速锈蚀内贴应变片钢筋混凝土试件的拔出实验,得到了不同位置处钢筋的应变,进而推导了钢筋与混凝土不同位置处的粘结应力,分析了锈胀裂缝宽度对钢筋与混凝土间不同位置处粘结应力的影响。实验研究表明:粘结试件中的钢筋应变对锈胀裂缝宽度的敏感性大;对于锈胀裂缝较小的试件,其粘结应力峰值接近加载端,而对于锈胀裂缝较大的试件,粘结应力峰值更靠近自由端。     

考虑渗流影响的球孔扩张理论解答

为研究沉桩过程中渗流作用下球孔扩张引起的土体力学响应,基于桩端应力为三轴压缩状态下的空间滑动面(SMP)准则和非相关联流动法则,考虑渗流和剪胀特性等因素的综合影响,结合弹塑性边界条件推导了饱和无黏性土球孔扩张问题的弹塑性解答。利用体积守恒并考虑塑性区的弹性变形条件,得出了极限扩孔压力的理论解答。在此基础上,通过与不考虑渗流影响的球孔扩张解答对比,研究了渗流体积力对球孔扩张中应力和塑性区半径的影响。研究结果表明:随着渗流体积力的增大,扩孔压力和塑性区半径均减小;剪胀特性对土体的位移和变形影响显著,随着剪胀角的增加,扩孔周围土体的径向位移减小,并沿径向逐渐趋于零;随着土体强度的增大,扩孔压力明显增大。该解答可为富水工程中进行扩底沉桩等岩土渗流问题提供必要的理论依据。     

一种岩石损伤本构模型在地下强爆炸中的应用

为了描述地下爆炸波的传播,建立了一种考虑塑性硬化、剪胀和损伤软化效应的岩石本构模型,并应用于地下强爆炸自由场的数值计算,获得的速度和位移波形以及峰值速度衰减曲线等与国外地下试验测量数据和同类计算相比十分接近,从而验证了本构模型的有效性。     

基于刚度损伤并考虑强度退化的钢筋模型

Clough本构广泛应用于现浇节点的滞回模拟中,针对原始Clough本构中的应力可能会超出材料自身极限强度的问题,提出了一种根据节点刚度损伤来推导钢筋本构的算法。该算法依次建立现浇节点刚度退化与构件中钢筋模量退化间的关系及梁端位移角与钢筋应变的关系,根据以上关系建立钢筋强度退化的表达式,并得到钢筋的本构模型。使用Fortran语言编写自定义纤维单元材料子程序,利用有限元软件ABAQUS进行两个算例验证,得到的模拟滞回曲线具有捏缩现象,形状与试验吻合良好,耗能和延性等方面可与试验接近,在峰值点位移角的预测方面也具备一定的优势,同时,本构在二维和三维模型中均有良好的收敛性,且精度较高,可以应用于实际工程中。     

含横向裂缝混凝土氯盐侵蚀所致锈裂面的细观分析

为了更精确地分析氯盐侵蚀下含横向裂缝混凝土的锈胀开裂规律,考虑混凝土骨料的几何本征特性,利用激光扫描及图像处理技术获取混凝土的真实骨料库;在此基础上建立了扩散与应力耦合的三维细观锈胀开裂计算模型,分析了锈裂面的几何形态,并研究了锈裂面的宽度、角度与骨料体积率及骨料比表面积的关系。研究表明：在含横向裂缝的混凝土试块中,氯盐侵蚀所致的锈蚀开裂面均为“双月牙”形态,且开裂面形态随骨料比表面积增大呈现较强的不对称性;锈裂面的最大宽度随骨料体积率减小而增大,当骨料体积率增大到20%,开裂面最大宽度基本保持不变;锈裂面的最大夹角位于混凝土横向裂缝正下方,当骨料比表面积为0.160～0.197 m~2/kg时,锈裂面的最大夹角范围为144°～160°。     

第Ⅱ类尺寸效应影响下金属薄板液压胀形本构模型研究

尺寸效应是微成形研究中的热点和难点之一。目前采用经典塑性理论仍不能对金属薄板液压胀形中尺寸效应对应力变化现象的影响进行较好的解释。为了深入分析该问题,结合应变梯度塑性理论,建立了第Ⅱ类尺寸效应影响下金属薄板液压胀形本构模型。基于该模型,分析了板料厚度变化以及胀形凹模直径变化对液压胀形过程流动应力变化的影响。研究结果表明应用该本构模型能较好地解释金属薄板液压胀形中尺寸效应对应力变化的影响,验证了该本构模型的正确性。     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程中的等间距裂缝形成机理

采用三维真实材料破坏过程分析RFPA3D(Three-Dimension Realistic Failure Process Anal-ysis)系统,先对受拉钢筋混凝土构件在轴向拉伸作用下的破坏过程进行了数值试验研究,并与相应的实验结果进行了比较,数值试验得到的结果都与实验吻合的较好.并在此验证基础上利用RFPA系统着重分析了混凝土及钢筋在拉伸条件下的破坏过程中的应力分布情况过程及破坏机理.数值试验结果表明,受拉钢筋混凝土结构破坏过程中存在“等间距裂缝现象“,并通过破坏分析再现了裂缝形成、加密直至饱和的演化过程.本文还用三维程序,通过多个不同混凝土厚度钢筋混凝土构件的数值试验,研究了混凝土厚度对裂缝数及裂缝间距的影响,进一步发现饱和裂缝间距与混凝土厚度之间存在正比关系.随混凝土保护层厚度的增加而增大,裂缝数量随混凝土保护层厚度的增加而减少.     

水下成组药包爆炸作用下冰盖动态响应数值模拟

利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了成组药包水下爆炸冰盖动态响应模型,通过数值计算,得到了冲击波峰值压力变化规律,峰值压力与理论计算结果基本吻合。本文分析了冰盖在成组药包水下爆炸冲击载荷下的应力分布及垂直位移响应特征。结果表明,冰盖迎爆面为压缩破坏,背爆面为拉伸破坏,两者数值均十分接近,其中迎爆面最大压力值可达18.12MPa,冰盖近爆炸点最大垂直位移为1.211cm,两药包连线中点最小位移为0.15cm,达到脆性冰盖形成贯通裂隙的基本条件,从而确定了冰盖在水下成组药包大间距布设条件下,其动态破坏形式是以产生裂隙为主要特征。     

弹体正侵彻钢筋混凝土靶的试验及数值模拟研究

开展了直径156 mm的大尺寸弹体正侵彻钢筋混凝土靶试验，通过预埋压力传感器获得了侵彻过程中不同位置处混凝土的压力值；结合数值模拟，分析了混凝土的损伤分区及不同位置的钢筋应力状态。结果表明:处于弹道附近的混凝土压力最大，峰值脉冲明显；随着距离的增加，峰值减小且脉宽增大，应力脉冲的形状由尖峰演变为相对平坦的波形。粉碎区内的钢筋达到其屈服强度，破裂区钢筋处于弹性状态，弹性区和未扰动区钢筋应力基本可以忽略。     

三维冲击荷载弹塑性弯曲裂纹张开位移

主要研究冲击载荷作用下的三维弹塑性弯曲裂纹尖端的张开位移问题．综合考虑了冲击作用应力,三维塑性区域边界上正应力与剪应力,利用二阶摄动方法计算了三维弹塑性弯曲裂纹尖端的张开位移．用数值解法计算出三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移,作图分析了三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移与三维裂纹体几何尺寸之间的变化关系．三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移随着三维裂纹体厚度的增大而减小,随着三维裂纹体厚度的均匀增大,三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移尺寸不断减小,减小的幅度越来越小,最终趋于平面应变状态下的弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移尺寸．当三维裂纹体几何尺寸相同时,三维弯曲裂纹尖端动态张开位移随外部冲击载荷的不断增大而逐渐增大,三维弯曲裂纹尖端动态张开位移随动荷系数的增大而迅速增大,建立了一个计算三维弹塑性弯曲裂纹尖端动态张开位移的崭新理论模型．     

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推导出综合考虑混凝土塑性性能及混凝土与钢筋界面裂 隙等因素的混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀率的计算公式，验证了计算公式的可行性，探 讨了影响混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀率的相关因素，可用于钢筋混凝土结构耐久性评 估及寿命预测.     

散体介质SHPB被动围压试验体应力计算的理论修正方法

SHPB被动围压试验为探究散体介质在爆炸和冲击荷载作用下的力学行为提供了一个行之有效的方法。针对相关试验设计和计算中存在的弊端和不足,借助经典板壳理论将SHPB被动围压试验中用于约束散体介质的刚性套筒简化为受均匀带状内压作用的圆柱形壳体。理论计算了套筒径向位移、环向应变与均匀带状内压及套筒几何、力学参数的关系,得到了套筒径向位移、环向应变沿其轴向的分布规律;分析了套筒长度、厚度、内外径以及均匀带状内压宽度之间等无量纲几何参数对计算结果的影响;将理论计算结果与试验和数值模拟结果进行对比,验证了理论计算结果的正确性。本文中提出的理论修正方法可为指导散体介质SHPB被动围压试验提供参考。     

接触爆炸对底部有土垫层纤维混凝土板破坏效应试验研究

采用钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、钢筋混凝土3种材料共24块板试件进行了接触爆炸试验。对试验现象进行了描述,由迎爆坑尺寸拟合分析得到了3种材料的爆炸介质压缩系数。采用ЛяхоB公式对试验测得的土压峰值进行了拟合分析,结果表明,随试件厚度的增加,砂土中应力波峰值衰减更显著,相同比例爆距的土压值明显减小,并由试验结果得到了底部有土垫层介质情况下混凝土板临界爆炸贯穿厚度计算公式。     

氧化腐蚀对HRB400EⅢ级建筑抗震钢筋低周疲劳性能的影响

工程实际中,建筑用钢不可避免地会接触空气而遭受氧化腐蚀。本文开展了地震区域大力推广应用的HRB400EIII级钢筋氧化前、后的低周疲劳行为研究。采用轴向应变控制方法,在MTS809拉扭复合疲劳试验机上开展了大量的低周疲劳试验,获得了氧化前、后HRB400EIII级钢筋低周疲劳性能,如循环应力响应特征、循环应力-应变关系以及寿命预测公式等。通过断口电镜扫描发现,氧化后HRB400EIII级钢筋的裂纹均萌生于试件表面,且存在多处裂纹源。研究结果表明,氧化腐蚀对低周疲劳寿命及微观断裂机理方面均存在明显影响,并从力学性能变化的角度对引起差异的原因进行了解释。