钢筋混凝土梁受弯破坏过程的细观数值模拟研究

在细观层次上将混凝土视为由粗骨料、硬化水泥砂浆及界面粘结带组成的三相非均质复合材料,能够较好地模拟混凝土加载时的裂缝扩展过程和分布规律。本文采用细观刚体弹簧元法模拟了钢筋混凝土梁的弯曲受力性能和破坏过程,加载方式采用两点对称加载。数值计算得到了钢筋混凝土梁的破坏形态和荷载一变形曲线,并分析了受力过程中纵向钢筋的应力变化。与试验结果对比表明,细观刚体弹簧元法可以有效模拟钢筋混凝土梁的裂缝开展过程、破坏形态和荷载一变形响应。     

冲击荷载下钢筋混凝土梁的性能及损伤评估

基于落锤冲击试验，通过数值模拟研究钢筋混凝土梁在冲击荷载下的抗冲击性能和损伤机理。针对冲击荷载局部效应明显和持时短暂等特点，提出基于截面损伤因子的损伤评估方法；采用参数分析方法研究了箍筋间距、边界条件、冲头形状和面积以及冲击位置对钢筋混凝土梁的动态响应和损伤程度的影响。结果表明:基于截面的损伤评估方法能够比较直观地描述梁体损伤沿长度方向的分布；端部的固支约束可以有效地改变钢筋混凝土梁的耗能机制，并能提高梁的抗冲击承载潜力；冲击位置会直接影响梁体的裂缝分布和破坏模式；碰撞接触面积和冲头形状也对梁的损伤分布具有一定的影响。     

用多微段变刚度杆单元分析钢筋混凝土斜拉桥的非线性地震响应

预先确定斜拉桥的弹塑性区域,把包含多微段平面变刚度梁单元推广应用于大跨度斜拉桥的非线性地震响应分析,用微段的刚度变化模拟钢筋混凝土的弹塑性性能,对双塔单索面钢筋混凝土斜拉桥进行了考虑几何非线性和材料非线性的地震响应分析,编制了相应的弹塑性分析程序,并与Huges单元分析结果进行了比较。结果表明:本文方法能较好地模拟在强震作用下钢筋混凝土斜拉桥的非线性性能,可以在大跨斜拉桥的非线性地震响应分析中应用。     

钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元分析

以10根采用钢板-混凝土组合加固技术加固的钢筋混凝土梁的试验为基础,建立了钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元模型.沿用了钢板-混凝土组合梁有限元分析中栓钉的荷载-滑移曲线及断裂模型,提出了新老混凝土界面的剪切-滑移模型,可以较好地模拟界面受力性能.采用有限元软件ABAQUS,模拟了一次加固、不同损伤加固及持载加固等加载情况下加固构件受力全过程和受弯破坏以及新老混凝土剥离破坏等破坏形态下加固试件的受力性能.在验证了有限元模型的准确性后,分析了钢板厚度、加固部分高度及长度等参数对加固构件承载能力及刚度的影响.最后提出了几点对钢板-混凝土组合加固RC梁的设计建议.     

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。     

纤维板增强钢筋砼缺口梁承载力试验研究

通过对8组24根碳纤维薄板增强钢筋混凝土梁进行三点弯曲试验，探讨碳纤维薄板增强钢筋混凝土缺口梁的破坏过程、极限承载力及其影响因子．研究结果表明：1)碳纤维薄板增强钢筋混凝土缺口梁总是沿着纤维薄板与混凝土的界面发生剥高破坏；2)与无增强梁相比，增强梁的极限来载力可以提高20％一40％．而且当纤维薄板贴长Lc与两支点间距离S之比为0．57左右时增强效果最明显；3)缺口对梁的破坏模式影响较大，而对梁的极限承载力影响不大(下降10％-15％)．     

火灾下混凝土结构破坏模拟的纤维梁单元模型

为分析和模拟结构构件在火灾下的失效破坏过程,本文基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元模型,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型.此模型将构件截面划分成多个纤维,从而可以模拟构件截面的不均匀温度场分布以及高温下混凝土材料的开裂、压碎和钢筋屈服等行为.并根据全拉格朗日描述方法,推导了纤维梁单元的切线刚度矩阵,建立了纤维梁单元的增量求解方程.最后,将本文模型的模拟结果和多个具体试验结果进行了分析比较,进一步验证了模型的可靠性.     

锈蚀疲劳耦合作用下钢筋混凝土梁性能退化试验

锈蚀疲劳的耦合作用会显著降低钢筋混凝土结构的使用寿命。为模拟锈蚀疲劳耦合作用对钢筋混凝土构件抗弯性能的影响,开展了三组不同情况下钢筋混凝土梁的疲劳试验:预先锈蚀后疲劳试验、盐溶液环境中疲劳试验和盐溶液通电环境中疲劳试验。研究了钢筋混凝土梁在疲劳荷载下的荷载-挠度关系、混凝土裂缝的发展规律,对比了不同试验环境下钢筋混凝土梁的疲劳寿命及破坏形态。试验结果表明,疲劳荷载下混凝土裂缝发展规律与环境相关,盐溶液中梁混凝土斜裂缝水平倾角较小,盐溶液通电梁混凝土裂缝扩展高度明显增大;锈蚀疲劳耦合作用加速了钢筋的疲劳裂纹扩展速率,使得混凝土疲劳模量下降,导致梁的刚度退化,疲劳寿命显著降低,且腐蚀环境作用越强,影响越显著;三种试验环境下钢筋混凝土梁的破坏形式未发生改变,均为主筋发生疲劳脆性断裂,在疲劳寿命简化分析中可将受力钢筋作为研究主体。本试验是对已有预锈蚀梁疲劳试验的补充和延伸,可为日后混凝土桥梁的腐蚀疲劳耦合作用建模提供试验基础。     

NUMERICAL SIMULATION OF CRACK GROWTH OF REINFORCED CONCRETE FLEXURAL MEMBERS BASED ON XFEM1)

基于最大主应力准则,利用扩展有限元法对钢筋混凝土三点弯曲梁的裂纹扩展进行数值模拟。通过与已有模型试验结果的比对,验证了该方法的准确性与有效性。研究发现,带裂纹钢筋混凝土构件的裂纹扩展与力学性能不但受到单裂纹的尺寸、位置、倾角的影响,而且还受多裂纹间位置关系的影响;其中,裂纹横向分布位置和裂纹纵向分布位置是影响带裂纹钢筋混凝土梁裂缝扩展的主要因素。     

基于扩展有限元法的钢筋混凝土梁裂纹扩展的数值模拟

基于最大主应力准则,利用扩展有限元法对钢筋混凝土三点弯曲梁的裂纹扩展进行数值模拟。通过与已有模型试验结果的比对,验证了该方法的准确性与有效性。研究发现,带裂纹钢筋混凝土构件的裂纹扩展与力学性能不但受到单裂纹的尺寸、位置、倾角的影响,而且还受多裂纹间位置关系的影响;其中,裂纹横向分布位置和裂纹纵向分布位置是影响带裂纹钢筋混凝土梁裂缝扩展的主要因素。     

Experimental study and analysis of RC beams strengthened with CFRP laminates under sustaining load

Six reinforced concrete beams strengthened in flexure using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) laminates subjected to different sustaining loads were tested. The main goal of the test is to examine the effects of initial load and load history on the ultimate strength of strengthened reinforced concrete beams by externally bonded CFRP laminates. The main experimental parameters include different levels of sustaining load at the time of strengthening and load history. To explain the experimental results in quantitative terms, a theoretical model for flexural behavior of the strengthened reinforced concrete beam is also developed. Test results in the current study show that sustaining load levels at the time of strengthening have important influence on the ultimate strength of strengthened reinforced concrete beams. If the initial load is basically same, the ultimate strength of reinforced concrete beams strengthened with CFRP laminates is almost same regardless of load history at the time of strengthening.     

钢筋再生混凝土梁徐变性能试验研究

为揭示钢筋再生混凝土梁的徐变性能,通过三种持荷水平下9根钢筋再生混凝土梁试件的徐变(徐变应变与徐变挠度)对比试验,分析了钢筋再生混凝土梁徐变与时间的相关关系,研究了加荷幅值、初始变形(初始应变、初始挠度)等因素对钢筋再生混凝土梁徐变性能的影响规律,揭示了钢筋再生混凝土梁的徐变机理。研究结果表明:在45%极限荷载水平的持续作用下,钢筋再生混凝土梁总徐变挠度值为初始挠度值的62%左右,并且在前期发展较快,7d发展至总徐变挠度值的64%左右,后期变缓;钢筋再生混凝土梁徐变随着施加荷载幅值、初始变形的升高而有所增加。经历徐变过程后的钢筋再生混凝土梁,其承载性能有所下降,变化趋势为总徐变值越大,降低的幅度也越大。     

大气环境下的钢筋混凝土桥梁时变可靠度分析

为了探究钢筋混凝土桥梁抗力退化对桥梁可靠性能的影响,综合考虑一般大气环境下混凝土强度、钢筋强度、混凝土与钢筋黏结性能的降低,建立普通钢筋混凝土桥梁的抗力退化时变模型,分析规范车辆荷载作用的桥梁时变可靠度。研究结果表明,(1)一般大气环境下,桥梁抗力随着服役时间的增加而减小,其中钢筋强度退化对桥梁抗力的影响最大,其次是钢筋与混凝土黏结性能降低,而混凝土强度退化对桥梁抗力的影响相对较小; (2)桥梁可靠指标随着服役时间的增加而减小,密集行车占比越大,桥梁承载能力失效的概率就越大;非平稳车载作用下的桥梁可靠指标小于平稳车载,桥梁需要维修补强的时间比平稳车载提前; (3)多梁式简支梁桥在建造时应该提高边梁的安全储备,在管养时可以采取限载措施进行干预。     

基于正交设计的冲击荷载下型钢混凝土梁动力性能有限元分析

为研究冲击荷载下型钢混凝土梁的动力性能,取试验结果验证模型有效性后,使用有限元软件ABAQUS建立了型钢混凝土梁落锤冲击模型．在对比了型钢混凝土梁与钢筋混凝土梁的动力性能后,分析了落锤速度对型钢混凝土梁的冲击位移、冲击力、冲击力位移曲线、惯性效应、塑性耗能等性能的影响,然后基于正交设计,研究了落锤质量、落锤速度、混凝土强度等参数对型钢混凝土梁动力性能的影响．研究结果表明：型钢混凝土梁的抗冲击性能较好;落锤速度是影响构件动力性能的主要参数,落锤质量对动力性能的影响较大,提高混凝土强度有助于增强构件的抗冲击性能．     

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。     

A Transducer for Measuring Tensile Strains in Concrete Bridge Girders

Load testing highway bridges is becoming an increasingly common procedure for determining bridge load capacity. Bridge testers frequently measure the strains in critical bridge components due to known loads. Measuring the strains in reinforced concrete bridges can be difficult due to the non-uniform distribution of strain in the tension (cracked) zone. This paper describes the design and testing of a simple yet accurate transducer for measuring flexural tensile strains in reinforced concrete bridges.     

Failure criterion for reinforced concrete beams and plates subjected to membrane force,bending and shear

In this paper, a failure criterion for reinforced concrete plates is derived through the kinematic method in the framework of the limit analysis theory. This criterion is expressed in terms of the stress resultant variables: membrane force, shear force and bending moment at once. The aim of the authors is to be able to predict the failure of reinforced concrete plate structures in statics or in slow dynamics using directly the internal forces (membrane and shear forces and moment) resulting from a finite-element computation.In a first step, a beam criterion is derived. The closed form expression of the criterion shows that it is made up of two parts, one independent of the moment (i.e. depending only on the normal force and the shear force) and one depending on the normal force, the shear force and the bending moment. This structure of the criterion allows to determine two failure modes: shear failure and bending failure.Then in a second step, the beam criterion is extended to the case of reinforced concrete plates. The obtained criterion is partly numerical and partly a close form expression. It gives an upper bound of the load, and when this limit load is reached, the criterion is able to supply, on one hand, the failure mode (as seen in the beam case) and, on the other hand, the angles of the failure plane in the reinforced concrete plate section.Thirdly, the criterion is implemented in the finite element software Europlexus and validated with respect to punching experimental tests. We show that the criterion must be used with an effectiveness factor applied on the concrete compressive strength.     

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。     

体外预应力梁摩擦效应的非线性分析

构造了简单的体外预应力梁的摩擦单元,摩擦单元位于转向块和体外筋之间的角平分线上,能模拟转向块和体外筋之间的有摩擦或无摩擦滑移。考虑混凝土、钢筋和体外筋应力-应变的非线性关系,采用梁截面弯矩-轴力-曲率的三折线模型,探讨了体外预应力梁的性能。对简支梁和连续梁的不同因素进行计算,包括不同摩擦系数、不同体外筋和钢筋面积、不同偏心距以及对称和非对称荷载形式。计算结果表明,对于简支梁和对称荷载下的连续梁,承载力的摩擦效应可以忽略,最大预应力增量和挠度的摩擦效应不宜忽略,最小预应力增量的摩擦效应明显;对于非对称荷载下的连续梁,承载力、最大和最小预应力增量以及挠度的摩擦效应不可忽略。     

Cohesive zone model of intermediate crack-induced debonding of FRP-plated concrete beam

External bonding of FRP plates or sheets has emerged as a popular method for strengthening reinforced concrete structures. Debonding along the FPR–concrete interface can lead to premature failure of the structures. In this study, debonding induced by a flexural crack in a FRP-plated concrete beam is analyzed through a nonlinear fracture mechanics method. The concrete beam and FRP plate are modeled as linearly elastic simple beams connected together through a thin layer of FRP–concrete interface. A bi-linear cohesive (bond-slip) law, which has been verified by experiments, is used to model the FRP–concrete interface as a cohesive zone. Thus a cohesive zone model for intermediate crack-induced debonding is established with a unique feature of unifying the debonding initiation and growth into one model. Closed-form solutions of interfacial stress, FRP stress and ultimate load of the plated beam are obtained and then verified with the numerical solutions based on finite element analysis. Parametric studies are carried out to demonstrate the significant effect of FRP thickness on the interface debonding. The bond-slip shape is examined specifically. In spite of its profound effect on softening zone size, the bond-slip shape has been found to have little effect on the ultimate load of the plated beam. By making use of such a unique feature, a simplified explicit expression is obtained to determine the ultimate load of the plated concrete beam with a flexural crack conveniently. The cohesive zone model in this study also provides an efficient and effective way to analyze more general FRP–concrete interface debonding.