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(Ⅰ:理论)

火灾试验研究表明,火灾下钢筋混凝土受弯构件的变形非常大,转动也很大,尤其是单面受火的板.基于S-R分解原理的更新拖带坐标有限元法分析这类构件,有利于跟踪变形物体中各点的变化,保证单元的质量守恒.用有限元增量法求解,还可以避免对坐标的修正,而且将转动作为一个独立的自由度,提高了求解效率,特别适合于几何非线性、材料非线性问题的求解.本文采用此方法对火灾下钢筋混凝土板进行编程分析.同时,为克服在时间步内温度路径难于确定的问题,本文给出了平面应力状态下的混凝土热弹塑性积分方案的初值表达式.通过实际编程发现,该方法求解效率高,精度也比较好.     

火灾下无粘结预应力筋应力-应变全过程分析

火灾下预应力筋的膨胀应变、高温蠕变较大,对其受力的影响也较大。提出了通过对火灾下各时间段、各微段无粘结筋膨胀应变、高温蠕变以及无粘结筋总伸长量的分析来得到无粘结筋应力以及应力引起的应变,从而完成无粘结筋应力一应变全过程分析的方法。计算借助编程完成,将火灾下无粘结筋应力变化的计算值与相关的试验数据进行比较,吻合程度较好。...     

柔性多体动力学的共旋坐标法

共旋坐标法作为柔性多体动力学的建模方法已经有数十年的发展历程.作为解决大转动小应变问题的可靠方法,共旋坐标法建模简单,意义明确,并且能借用现有的有限元理论,求解时效率高,精度好.因此柔性多体动力学中,共旋坐标法不仅在非线性分析中有良好的表现,在工程实际中也有较好的应用潜力.柔性多体系统动力学中的大变形问题大多涉及梁、板壳等柔性结构,有大量的大转动小应变问题需要解决.本文对采用共旋坐标法来分析梁、板壳类结构的研究中存在的若干关键问题进行了相关的讨论,如有限转动理论、局部坐标系的定义、单元类型和相应的动力学问题等.比较了各种方法的优势与局限,并且展望了共旋坐标法的发展趋势.     

基于拟应变法的壳单元大变形分析及在冲击动力问题中的应用

为了简便有效地解决板壳结构的大变形问题，本文针对八节点相对自由度壳单元进行研究。该单元的位移场由壳的中面节点位移和上表面节点的相对位移组成，不带有转动变量。所有的研究都是基于完全的三维位移、应力、应变场。采用拟应变法，对应变场另行假设，能够改善该单元在大变形情况下的计算精度。通过引入Wilson非协调模式，构造了大变形情况下的拟应变场表达式，给出了该单元用于解决非线性动力分析问题的有限元求解方程。通过算例表明，本文针对相对自由度壳单元提出的方法及推导的公式，能够解决冲击动力问题中的大变形问题。     

火灾情况下混凝土板温度场的解析解

针对火灾情况下火场温度和构件边界的温度均随时间不断变化的问题,应用杜哈美尔定理分析了边界温度按一定规律随时间变化的热传导问题。推导得到了火灾情况下混凝土板温度场的解析解公式,并应用MATLAB编程计算得到了解析解结果。比较解析解的计算结果和试验结果发现:两者得到的截面温度场都呈非线性分布;两者的变化趋势一致,即近火面的温度梯度很大,距受火面越远,温度梯度越小;温度曲线都是凸向坐标轴。因此,推导得到的解析解公式适合于求解火灾时混凝土板横截面的温度场。同时,只要能够求出非齐次项与时间无关时的辅助问题的解,便可应用杜哈美尔定理求解该热传导问题的温度场,因此该方法可推广应用于火灾情况下其它构件温度场解析解的计算。     

火灾情况下混凝土板温度场的解析解

针对火灾情况下火场温度和构件边界的温度均随时间不断变化的问题,应用杜哈美尔定理分析了边界温度按一定规律随时间变化的热传导问题。推导得到了火灾情况下混凝土板温度场的解析解公式,并应用 MATLAB 编程计算得到了解析解结果。比较解析解的计算结果和试验结果发现：两者得到的截面温度场都呈非线性分布;两者的变化趋势一致,即近火面的温度梯度很大,距受火面越远,温度梯度越小;温度曲线都是凸向坐标轴。因此,推导得到的解析解公式适合于求解火灾时混凝土板横截面的温度场。同时,只要能够求出非齐次项与时间无关时的辅助问题的解,便可应用杜哈美尔定理求解该热传导问题的温度场,因此该方法可推广应用于火灾情况下其它构件温度场解析解的计算。     

柔性索网结构的非线性变形

根据柔索应变与位移的非线性几何关系以及自重作用和温度影响下的平衡方程,采用欧拉描述的坐标系精确地求得了各点的位移和张力的解析解。对柔性索网结构建立的非线性代数方程组应用改进的Powell混合算法编制的高精度DNEQNF程序直接进行求解,给出了平面索网变形分析的数值算例并与相关文献进行了比较。算例结果表明与其它方法相比,本文方法对求解柔索的非线性变形问题求解简单,便于应用。     

梁板壳的几何大变形--从近似的非线性理论到有限变形理论

对梁板壳的线性理论、近似几何非线性理论与有限变形理论作了比较,介绍了有限转动理论,指出了应用有限变形理论求解梁板壳的大变形问题的高效率、高精度的巨大优越性。     

板壳有限变形精确理论及有限元列式

以位移型退化壳理论为基础,提出了板壳模型的有限变形精确理论,该理论引入转动伪矢量概念,充分发挥刚性线段的运动学模型和有限转动矩和作用,精确表达非线性位移－应变关系,抛弃以往的小位移、小应变、小转动增量乃至小加载小长等各种简化假设,并严格遵循能量共轭关系建立有限元平衡方程,能够可靠和有效地用于板壳结构的大位移、大转动分析。算例表明,该文列式在弹性范围内具明显的平方收敛效率,并且计算结果与加载步长无关。由于不受小加载步长、小转动增量等的限制,实现了板壳几何非线性问题的大步长加载。     

大变形薄板多体系统的动力学建模

基于非线性弹性理论,考虑剪切应变和横向应变,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的动力学变分方程;为了提高非线性刚度阵的计算效率,根据非线性刚度阵与广义坐标阵的函数关系式,在非线性刚度阵中分离出广义坐标阵,从而避免了每个时间步长的单元刚度阵的积分运算。在此基础上,引入运动学约束关系,建立了大变形薄板系统第一类拉格朗日方程,对重力作用下大变形二连板进行数值仿真。计算结果表明:随着薄板的柔度增大,低频的弯曲变形与高频拉伸变形的耦合愈加显著;此外,系统机械能守恒验证了该模型正确性。     

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.     

Numerical simulation: The dynamic behavior of reinforced concrete plates under normal impact

This investigation deals with the use of the finite element method on the reinforced concrete structural dynamic response and failure behavior when subjected to the projectile impacts of different velocities, using the test conducted in [S.J. Hanchak, M.J. Forrestal, E.R. Young, J.Q. Ehrgott, Perforation of concrete slabs with 48 MPa (7 ksi) and 140 MPa (20 ksi) unconfined compressive strengths, Int. J. Impact Eng. 12 (1992) 1–7]. The Johnson–Holmquist concrete material constitutive law model is employed to simulate the large strains, high strain states and high pressures to which the concrete is subjected. The projectile impact velocity ranges from 381 m/s to 1058 m/s. Numerical simulations demonstrate that the Johnson–Holmquist concrete material constitutive model can describe the different failure modes without any predefined defects in the element mesh, and normally obtain good agreement between the numerical simulations and test results.     

弧形双钢板混凝土组合板抗爆性能数值研究

依据规范设计了3种不同连接件的弧形双钢板混凝土组合板,基于ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序研究了弧形双钢板混凝土组合板在近场爆炸作用下的损伤模式、跨中位移变化以及能量消耗状况等,对比研究了3种不同板的耗能状况及损伤机理。以背爆面钢板跨中位移为指标,分析了用药量、混凝土强度和钢板厚度等参数对弧形双钢板混凝土板抗爆性能的影响规律。结果表明:在近场爆炸作用下,弧形板均保持良好的整体性,没有出现混凝土飞散现象,仍具有持续承载能力,比传统平面双钢板混凝土组合板具有更加优异的抗爆性能;重叠栓钉的连接性能强于栓钉,稍弱于对拉螺栓;提高混凝土强度不能改善混凝土的损伤状况,但能减小跨中位移;增加钢板厚度能显著减小钢板跨中位移,提高弧形双钢板混凝土组合板的抗爆能力。     

泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能

为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用，开展室外爆炸破坏实验，分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究，并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照，验证了模型的可行性，对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律，并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态；泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形，降低试件的破坏程度；泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好；增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。     

A multiaxial constitutive model for concrete in the fire situation: Theoretical formulation

This paper aims to develop a multiaxial concrete model for implementation in finite element software dedicated to the analysis of structures in fire. The need for proper concrete model remains a challenging task in structural fire engineering because of the complexity of the concrete mechanical behavior characterization and the severe requirements for the material models raised by the development of performance-based design. A fully three-dimensional model is developed based on the combination of elastoplasticity and damage theories. The state of damage in concrete, assumed isotropic, is modeled by means of a fourth order damage tensor to capture the unilateral effect. The concrete model comprises a limited number of parameters that can be identified by three simple tests at ambient temperature. At high temperatures, a generic transient creep model is included to take into account explicitly the effect of transient creep strain. The numerical implementation of the concrete model in a finite element software is presented and a series of numerical simulations are conducted for validation. The concrete behavior is accurately captured in a large range of temperature and stress states. A limitation appears when modeling the concrete post-peak behavior in highly confined stress states, due to the coupling assumption between damage and plasticity, but the considered levels of triaxial confinement are unusual stress states in structural concrete.     

钢筋混凝土板动力非线性有限元研究

从目前的文献看 ,关于钢筋混凝土板动力非线性分析方面的研究较少。本文在建立钢筋混凝土材料动力模型的基础上 ,采用广义协调矩形分层单元、显式 Newmark法编制了钢筋混凝土板的动力有限元程序。数值算例表明 ,所编程序原理正确 ,结果可靠。     

双钢板混凝土组合板抗爆性能分析

钢-混凝土-钢组合板是一种新型的组合结构,与传统钢筋混凝土板相比,具有抗剪强度高、延性大、耗能能力强等特点,目前已经被广泛应用于核反应堆安全壳、海洋平台及储油罐等结构。本文中,设计并制作了缩尺的普通钢筋混凝土板和钢-混凝土-钢组合板,开展了在接触爆炸荷载作用下的实验研究,通过损伤分析、跨中最大挠度对比研究不同板的抗爆性能。基于ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序,研究了钢-混凝土-钢组合板的损伤模式、跨中最大挠度等,并与实验结果进行了对比分析,验证了有限元分析模型的准确性和适用性。参数化分析了炸药量、混凝土强度和钢板厚度等参数对钢-混凝土-钢组合板抗爆性能的影响规律。利用多参数回归分析方法,提出钢-混凝土-钢组合板跨中挠度的预测公式。结果表明:提高混凝土强度可以降低结构的塑性损伤, 增加钢板厚度可以有效降低钢-混凝土-钢组合板的跨中最大挠度。相对于普通钢筋混凝土板,钢-混凝土-钢组合板保持了良好的整体性,且具有继续承载的能力。拟合公式能够较好地预测钢-混凝土-钢组合板跨中挠度与药量和钢板厚度的关系。     

钢框架中组合楼盖的面内变形

为了研究影响钢-混凝土组合框架中组合楼盖隔板性能的因素,以楼板厚度、框架侧移刚度以及结构平面刚度布置为参数对钢框架中的组合楼盖进行了弹性有限元分析．分析结果表明,除长宽比外,组合楼盖的隔板性能还与其面内刚度以及支撑体系的特性有关．根据分析结果提出了组合楼盖隔板性能的评价方法, 并与试验结果进行了验证．该方法可以为工程实践中评价组合楼盖的隔板性能作参考．