基于变量修正分布的混凝土结构长期变形预测

由于随机因素的影响,混凝土结构长期变形通常表现出很强的离散性,Bayesian理论提供了改善这种离散性的方法。基于Bayesian理论的混凝土结构长期变形预测方法的核心是引入短期变形构造似然函数,通过修正先验概率得到长期变形的后验概率分布。但是对于实际结构而言,在施工之前短期变形及其标准差无法获取,这就使得这种方法在开展时机和实际应用方面存在一定的限制性。为了改善这种限制性,在随机变量修正分布的基础上,结合拉丁超立方抽样技术,采用CEB-FIP(MC90)模型建立了钢筋混凝土梁长期变形的随机分析模型。采用该模型进行混凝土梁长期变形随机分析,得到基于变量修正分布的混凝土梁长期变形预测结果,并分别与先验预测结果和Bayesian预测结果进行比较。研究结果表明,基于变量修正分布的预测结果与Bayesian预测结果十分接近,比先验预测结果不确定性降低50%左右,与试验结果吻合良好。     

混凝土梁三点弯曲断裂模式转变的近场动力学模拟

混凝土结构的宏观损伤开裂与其非均质微观结构紧密相关。底部带切口的混凝土梁在进行三点弯曲破坏时,随着切口的位置由梁中向梁边转移,裂纹由从切口处萌生并生长转变为从梁的中部萌生。本文采用半均质化近场动力学（IH-PD）模型和全均质化近场动力学（FH-PD）模型,分别对混凝土梁三点弯断裂问题进行模拟研究。IH-PD模型根据混凝土中骨料体积分数随机生成不同键的组合方式,将微观尺度的非均质性引入模型,无需详细描绘骨料形状和分布即可考虑混凝土非均质性。本文将IH-PD与FH-PD模型得到的断裂模式随切口位置的变化关系,与实验结果对比,分析微观结构对混凝土梁开裂的影响;基于非均质材料特征尺寸与IH-PD模型网格参数的相关性,模拟骨料大小对混凝土梁断裂模式的影响;另外,通过在IH-PD模型中设置预损伤的方式引入随机分布的孔隙,探讨孔隙率对混凝土断裂模式的影响。     

考虑桥面板空间组合作用的组合空腹夹层板桥刚度研究

针对组合空腹夹层板桥的刚度计算,基于实体单元模型的参数化分析结果,提出了采用刚度放大系数来修正杆系模型结果的实用方法.推导了考虑剪切变形的简支钢空腹梁的等代抗弯刚度,并乘以刚度放大系数来分析混凝土板对结构的影响;与已有试验进行对比,验证壳-实体有限元建模方法的正确性,进一步分析了混凝土板和钢空腹梁截面参数对刚度放大系数...     

热载荷下压电复合板有限元建模与形变控制

热载荷是引起在轨空间结构形变的重要因素之一，采用压电材料对结构热变形进行主动补 偿，需要建立热、电、力场相互耦合的动力学模型. 基于高阶位移场、高阶电势分布和线性 温度模型，推导了压电复合板结构的热、电、力场耦合的高阶有限元模型. 通过对压电双晶 片梁的分析，得到了压电片中电势沿厚度方向的抛物线型分布，而非通常文献中假设的线性 化分布模型的结果. 针对表面粘贴压电片的压电复合板，计算了热载荷作用下压电复合板的变形、 传感器的电压以及主动补偿后的结构变形，与文献给出的结果基本一致，验证了模型的正 确性. 同时还指出热电效应对结构变形和传感器电压具有十分重要的影响.     

基于修正压力场理论的再生混凝土梁抗剪承载力计算方法研究

基于修正压力场理论分析有腹筋再生混凝土梁的剪切破坏机理,建立了更接近有腹筋再生混凝土梁实际受力的抗剪模型,并通过考虑再生骨料有效粒径和受箍筋作用下的裂缝宽度与构件裂缝处应力的联系,分析了再生骨料咬合力对梁斜截面抗剪性能的影响,提出了再生混凝土梁极限抗剪承载力的计算方法。此外,本文将理论结果与课题组自制的6根再生混凝土梁的抗剪承载力试验结果进行了对比,理论值与试验值吻合较好,验证了本文方法的有效性,从而为设计人员提供了一种预测再生混凝土梁极限抗剪承载力的计算方法。     

基于三维细观模型的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟

根据混凝土材料的细观组成和力学特性，研究了骨料几何形状和空间分布规律，建立全级配混凝土三维凸多面体随机细观模型，引入了混凝土细观组份材料的本构模型，分别模拟了单轴、双轴和三轴状态下混凝土的静态力学性能，并建立混凝土梁的三维宏细观分析模型，研究了三点弯曲梁的变形及裂缝扩展情况。结果表明，本文建立的细观力学模型的计算结果与实验数据吻合较好，可以较好地模拟各种复杂应力条件下混凝土的静态力学性能和损伤破坏机理。     

钢-混凝土组合梁收缩徐变效应的随机分析

钢-混凝土组合梁是由混凝土板和钢梁通过剪力键连接而成的组合结构。由于混凝土的收缩徐变,将引起结构内力和应力重分布。混凝土收缩徐变具有离散性大的特点,进而导致结构长期响应表现出随机性。本文综合考虑徐变模型、收缩模型、混凝土抗压强度、混凝土弹性模量、环境湿度、钢材弹性模量、荷载以及剪力键刚度的随机性对钢-混凝土组合梁结构响应的影响。利用拉丁超立方抽样技术和基于响应面方法的蒙特卡洛抽样,研究了钢-混凝土组合梁挠度和应力时变效应的概率问题。     

钢-混凝土组合梁收缩徐变效应的随机分析

钢-混凝土组合梁是由混凝土板和钢梁通过剪力键连接而成的组合结构。由于混凝土的收缩徐变,将引起结构内力和应力重分布。混凝土收缩徐变具有离散性大的特点,进而导致结构长期响应表现出随机性。本文综合考虑徐变模型、收缩模型、混凝土抗压强度、混凝土弹性模量、环境湿度、钢材弹性模量、荷载以及剪力键刚度的随机性对钢-混凝土组合梁结构响应的影响。利用拉丁超立方抽样技术和基于响应面方法的蒙特卡洛抽样,研究了钢-混凝土组合梁挠度和应力时变效应的概率问题。     

基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型研究

假定冻土粘塑性微元损伤符合修进的莫尔-库仑准则,损伤变量服从Weibull随机概型分布;基于热力学原理和统计损伤理论,通过推导得到了相关联流动法则下的蠕变损伤耦合本构方程.为了便于研究冻土蠕变和损伤的耦合作用,将提出的本构模型,通过用户子程序嵌入到有限元程序中.最后,对冻土中桩基承载力模型试验进行了数值模拟,结果表明:基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型能较好的模拟冻土蠕变变形的全过程,并且与实测蠕变变形十分吻合,该模型对冻土结构物长期稳定性分析和工程预测具有重要参考意义.     

Ⅱ型模态控制下的GFRP-混凝土界面断裂韧度测定

介绍了一种适用于评价GFRP-混凝土界面断裂性能的理论分析模型,并结合端部开口试件的四点弯曲试件(4ENF)试验,测得了该类界面在II型模态控制下的断裂韧度.该模型考虑了试件各子梁中的横向剪切变形对能量释放率的影响,引入一阶剪切变形梁理论对界面断裂过程进行模拟;同时由于混凝土在受剪及受拉区域容易发生破坏,故试件设计过程中引入钢筋进行加强,有效减少了实验数据的离散性;进一步通过与有限元仿真进行对比发现结果吻合较好,这说明本文方法能够有效测定II型模态荷载控制下复合材料-混凝土界面的断裂韧度,评价复合材料增强混凝土结构的界面断裂性能,预测界面的起裂、裂纹扩展和失效容差.     

A quadratic hierarchical Bayesian dynamic prediction model for infrastructure maintenance

The main objective of this study is the development of a correlation model in dynamic Bayesian belief networks (DBBNs) followed by an inverse economic analysis. This is based on a quadratic hierarchical Bayesian inference prediction method using Markov chain Monte Carlo simulations. The developed model is implemented to predict the future degradation and maintenance budget for a suspension bridge system. Bayesian inference is applied to find the posterior probability density function of the source parameters (damage indices and serviceability), given 10 years maintenance data. The simulated risk prediction under decreased serviceability conditions gives posterior distributions based on a prior distribution and likelihood data updated from annual maintenance tasks. Compared with a conventional linear prediction model, the proposed quadratic model provides highly improved convergence and closeness to the measured data. Finally, the developed inverse DBBN analysis method allows forecasts of future performance and the financial management of complex infrastructures by providing the sensitivity of serviceability and risky factors to the maintenance budgets of structural components and the overall system.     

预测结构性能退化的混合粒子滤波方法

由于载荷,环境以及材料内部因素的作用,结构的性能一般随时间而逐渐退化. 为了评估结构服役期间的状态,常采用随机变量模型来描述结构性能的退化规律. 即,采用含不确定性模型参数的物理模型来逼近结构响应特性. 利用同类型结构的先知数据集信息可确定模型参数的先验分布. 结合结构服役期间的检测信息和贝叶斯原理,对模型参数进行更新,从而提高物理模型的准确性. 本文提出一种混合粒子滤波方法(particle filter-differential evolution adaptive Metropolis,PF-DREAM)用于模型更新,即:在确定参数先验分布时,采用证据理论(Dempster-shafer theory, DST)初始化模型参数;结合差分进化自适应 Metropolis 算法(differential evolution adaptive Metropolis, DREAM)和粒子滤波(particle filter, PF)算法,来计算更新公式中的复杂的高维积分. 相比于传统的 PF 算法,混合 PF-DREAM 方法可以有效提高样本粒子的多样性,解决重采样算法中粒子多样性匮乏的问题,从而得到更加合理的物理模型. 为了证明该方法的有效性,将提出的方法分别应用于电池性能退化和裂纹扩展规律预测. 算例表明采用本文提出的模型参数确定方法,使得物理模型更加合理,性能预测更加准确. 用于更新的数据越多,模型参数的分散性越小. 本文方法应用于高维问题或隐式函数问题时,计算原理和步骤不发生改变,但函数评价次数和计算时间会随之增大.      

配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能,以混凝土强度、体积配箍率和配箍形式为变化参数设计6个试件进行轴心受压加载试验。试验结果表明,所有试件的破坏形态和荷载-轴向位移曲线相似,配螺旋箍筋的试件变形性能要优于配普通箍筋试件,配矩形螺旋箍筋的试件极限承载力随混凝土强度、体积配箍率的增加而提高。在试验基础上,采用基于叠加理论的计算方法对配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压承载力进行计算,给出了相关设计建议,研究结果可为配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱的工程应用提供科学依据。     

弹体攻角侵彻混凝土数值模拟

利用LS-DYNA程序的用户自定义模型功能，在LS-DYNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。模型拉伸部分用Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型描述，体现了应变率对拉伸作用的敏感性；压缩部分则采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC) 强度模型。模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算，并将计算结果与实验结果进行了比较，结果表明，采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。     

多孔硅橡胶有限变形的弹性行为

针对孔隙度较大 (孔隙度大于 5 0 % )的硅橡胶材料在压缩情况下的大变形 ,提出了可描述此类可压橡胶材料力学行为的应变能密度函数 ,推导了硅橡胶材料的本构方程。利用硅橡胶材料的单轴压缩实验进行了材料参数拟合 ,讨论了多孔硅橡胶的孔隙度和体积变形对压缩性能的影响     

轻质泡沫混凝土的劈裂破坏力学行为分析

利用平台巴西圆盘加载方式和钢质压条加载方式,对两种厚度为25mm和50mm、不同密度的轻质泡沫混凝土(400～1000kg/m3)进行巴西圆盘劈裂试验,研究密度和厚度对泡沫混凝土裂纹宽度、劈裂强度、断裂韧度、断裂能的影响规律。结果表明,在橡胶垫平台巴西圆盘和钢质压条加载方式下,其劈裂断裂特征大致分为四个阶段:线性弹性段、非线性弹性段、起裂阶段、失稳阶段。同样加载率下最大裂纹宽度随着泡沫混凝土密度增加逐渐减小,劈裂拉伸强度、断裂韧度、断裂能呈幂函数形式增加。借鉴Reinhardt非线性软化曲线,对不同密度泡沫混凝土的应力软化关系进行曲线拟合,建立基于拉伸强度、断裂韧度等控制参数的应力-裂纹宽度关系三段式模型。基于试验结果,对理想多孔材料细观力学预测模型进行修正,获得泡沫混凝土孔隙率与拉伸强度的半经验公式。     

复合材料修补结构腐蚀扩展特性实验研究

为了研究腐蚀环境对复合材料修补结构疲劳特性的影响,开展以某型飞机加速环境谱为基础的预腐蚀试验,并采用递进式的试验方法分别完成对未修补未腐蚀、修补但未腐蚀、又修补又腐蚀的试样疲劳裂纹扩展试验。利用试验数据计算了复合材料修补构型、腐蚀环境对裂纹尖端应力强度因子影响的修正系数,并确定了通过试验验证的修补结构疲劳裂纹扩展修正模型。该模型预测腐蚀环境下修补结构的疲劳寿命与试验值一致。试验数据和预测模型可为海军飞机复合材料修补结构的损伤容限设计提供参考。     

考虑摩擦因数变化的弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型研究

弹体在高速侵彻混凝土介质时,由于弹靶之间强烈的局部作用,导致弹体发生质量损失和弹头钝化。为进一步探究弹体高速侵彻混凝土靶质量侵蚀效应及其影响因素,基于热熔化机制及变摩擦因数模型,考虑弹体侵彻过程中头部形状变化,修正了弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型。为验证模型的可靠性,基于30 mm弹道炮平台,开展了卵形弹体高速(700～1 000 m/s)侵彻典型混凝土靶体实验,获得了弹体高速侵彻质量侵蚀结果。结合理论模型对本文实验及文献实验数据进行了对比分析计算,验证了本文修正模型的可靠性。结果表明:弹体侵彻过程中,滑动摩擦项占总摩擦力的10%～40%,它对弹体侵彻过程的影响不能被忽略;考虑摩擦因数变化的质量侵蚀模型预测结果与已有实验数据吻合得较好;与本文实验数据的最大误差不超过7%,能较准确地预测不同工况下弹体的质量损失。     

Principles of the micromechanics of material damage. 1. Long-term damage

The principles of the theory of long-term damage based on the mechanics of stochastically inhomogeneous media are set out. The process of damage is modeled as randomly dispersed micropores resulting from the destruction of microvolumes. A failure criterion for a single microvolume is associated with its long-term strength dependent on the relationship of the time to brittle failure and the difference between the equivalent stress and the Huber-von Mises failure stress, which is assumed to be a random function of coordinates. The stochastic elasticity equations for porous media are used to determine the effective moduli and the stress-strain state of microdamaged materials. The porosity balance equation is derived in finite-time and differential-time forms for given macrostresses or macrostrains and arbitrary time using the properties of the distribution function and the ergodicity of the random field of short-term strength as well as the dependence of the time to brittle failure on the stress state and the short-term strength. The macrostress-macrostrain relationship and the porosity balance equation describe the coupled processes of deformation and long-term damage __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 43, No. 2, pp. 108–121, February 2007. For the centenary of the birth of G. N. Savin.     

THE PARAMETRIC VARATIONAL PRINCIPLE AND NON-LINEAR FINITE ELEMENT METHOD FOR ANALYSIS OF ASTROMESH ANTENNA STRUCTURES

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.