钢筋混凝土开孔深梁有限元分析与设计研究

钢筋混凝土深梁受力不同于浅梁,梁腹开孔后受力更趋复杂。现有的设计方法对深梁行为的解释不够完备,设计结果的适用性难以判断,设计规范也没有给出开孔深梁的设计条文。为研究深梁设计方法的有效性,本文采用了非线性有限元分析方法,引入适合混凝土结构非线性分析的断裂塑性模型,并考虑钢筋粘结滑移效应,对一系列开双孔或偏孔钢筋混凝土深梁试验进行仿真分析,所得结果与试验结果吻合良好,能够准确预测深梁在裂缝、破坏形态及承载力等方面的受力特征。研究表明现有的深梁设计方法中,压拉杆模型方法相较内力法和应力图形法更加经济有效。在仿真分析的基础上,提出了一种对开孔深梁具有普遍适用性的非线性设计方法,其设计结果具有高承载力、较好延性、经济的配筋量和充分的材料利用率的优点。     

腹筋对连续深梁剪切破坏影响的有限元分析

我国现行混凝土结构设计规范关于腹筋对深梁抗剪承载力影响的考虑,主要基于简支深梁的试验数据和计算模型,相关规定对于连续深梁的适用性有待验证。腹筋对连续深梁抗剪性能的影响机理十分复杂,系统的试验研究较少,试验结果比较分散。为了弥补试验研究的不足,采用非线性有限元方法模拟钢筋混凝土连续深梁的受力性能。利用已有的试验数据,验证了基于ATENA软件建立的有限元模型,并以此为基础,对以腹筋配筋率和剪跨比为变量的64根连续深梁进行分析,研究腹筋对连续深梁受剪承载力的影响。有限元分析结果与规范公式和压杆-拉杆模型(STM)及最新提出的三参数机动法(3PKT)的比较表明,中国规范高估了水平腹筋对构件受剪承载力的贡献,STM和3PKT方法也存在各自的不足。     

腹板开孔的冷弯槽形轴压构件试验研究

腹板开孔是冷弯薄壁构件中一个较新的构造形式。孔的存在导致薄膜应力的重新分布,影响构件的屈曲特性和承载能力,使得无孔构件的分析与设计公式不再适用于开孔构件,因此有必要研究开孔构件。本文选取冷弯薄壁型钢中主要的承力构件形式卷边槽钢构件,对两端简支、腹板开单孔的中长柱进行了轴心受力性能的试验研究,对比进行了未开孔构件的试验。通过对比发现两类构件的受力特性有着明显的差异,开孔构件的承载力有所降低。将两类构件的试验结果分别与理论分析、ANSYS模拟结果进行对比和分析,讨论了两类构件受力性能及承载力不同的原因。根据不同开孔尺寸试件的试验结果可知,开孔构件的极限承载力随着开孔高度、宽度的增大而下降。     

开小孔钢筋混凝土简支梁的受力性能试验研究

开小孔的钢筋混凝土梁(孔径d与梁高h比小于0.3)具有节省空间和材料等优点,在土木工程中被广泛运用.其受力性能不同于无孔钢筋混凝土梁,孔洞的形状和位置对钢筋混凝土梁的受力性能有明显影响.运用光弹试验研究在集中荷载作用下,对各种形状孔洞在不同位置时的孔洞周边主应力分布,从而得出孔洞的合理形状和位置.再通过承载试验,研究了不同孔洞直径和孔洞位置条件下,梁破坏裂缝的开展,孔边箍筋以及跨中部纵筋的应变分布、挠度变化.根据本次试验结果以及文献资料,提出开小孔钢筋混凝土简支梁在集中荷载作用下的斜截面承载力计算公式.     

钢筋混凝土箱梁非线性及剪滞效应的试验研究

制作了钢筋混凝土简支箱梁模型,试验包括模型梁开裂范围内的加载及开裂后的加载。在开裂范围内,对该试验梁分别进行了顶板满布均布荷载、均布荷载作用于肋板上方、集中力作用于跨中以及对称集中力作用下的加载;对开裂后的试验梁,进行了对称集中力作用下的加载。用应变采集仪与电脑连接,并用半桥测量,温度自补偿方法测取应变值,采用百分表测试梁体挠度,采用读数显微镜观测裂缝。测量得到应力、应变的分布规律,验证了钢筋混凝土箱梁中存在剪滞效应。试验结果与考虑混凝土非线性的有限段法的计算结果吻合较好,验证了有限段法在混凝土箱梁剪滞效应分析中的适用性。     

钢筋混凝土D区配筋的拓扑优化设计研究

钢筋混凝土D区的配筋设计是一个难点。基于试验结果的经验设计方法一直饱受诟病,拉压杆模型等应力方法却又不够成熟,基于整体式模型的遗传演化算法还存在诸多问题。基于分离式模型和非线性分析结果的遗传演化算法可以直观地得到较为分散的配筋设计,利用钢筋分离模型遗传演化结构优化构造了悬臂深梁、异形梁、牛腿等多种钢筋混凝土D区构件的配筋拓扑,验证了钢筋分离模型遗传演化结构优化在钢筋混凝土D区配筋优化方面的普遍能力。还借助有限元软件探讨了一组开洞剪力墙的非线性力学性能,证实了钢筋分离模型遗传演化结构优化设计的构件在比弹性应力方法节省20%左右钢筋用量、比经验方法节省超过75%钢筋用量的前提下,与弹性应力方法设计的构件承载能力基本相当,比经验方法设计的构件极限承载力仅低不到15%;且钢筋分离模型遗传演化结构优化从延性方面对钢筋混凝土D区构件的性能进行了改善。     

用外包钢筋混凝土法加固RC柱的非线性有限元分析

当今国内外建筑物加固改造业发展非常迅速,建筑业重心也正发生着转变,外包钢筋混凝土加固法是一种广泛应用且经济有效的外固方法,本文结合试验手段。利用非线性有限元方法对用外包钢筋混凝土加固柱正截面承载力进行了分析,分析过程中,采用混凝土Chen-Chen三参数模型和均匀硬化法则,采用了八节点等参混凝土单元,三节点等参钢筋单元,引入了双弹簧联结单元模拟钢筋和混凝土之间的粘结滑移,基于大量试验资料,认为新旧混凝土之间具有有效粘结,可以共同工作,编制了加固柱分析有限元程序,计算结果与试验结果符合较好,并初步探讨了国固时核心柱应力水平,外包混凝土的强度比和厚度比等因素对加固柱承载力的影响,为加固柱研究提供了参考。     

复合砂浆钢绞线网加固RC梁受弯性能计算研究

分析了复合砂浆钢绞线网加固钢筋混凝土梁的受弯性能, 不同材料加固梁的受弯性能可采用同一公式进行计算, 研究表明加固梁受弯性能受本体梁的初始受力状态和是否采用三面U型加固影响较大. 采用正截面极限平衡法, 推导出复合砂浆钢绞线网加固钢筋混凝土梁极限抗弯承载力计算公式; 在混凝土结构设计规范公式基础上, 提出加固梁裂缝宽度和裂缝间距计算公式, 加固梁公式计算值与试验值吻合较好.     

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.     

计及剪切影响的RC梁的非线性分析

为提高钢筋混凝土RC梁的计算效率和精度,提出了一种基于梁截面弯矩-曲率关系的宏观有限元方法,可用于各种跨高比RC梁的材料非线性分析。首先假定了混凝土和钢筋的非线性应力-应变关系,然后引入经过修正的Rodriguez截面模型,根据边界顶点把截面划分成若干梯形单元,利用quasi-Newton法求解由两个变量耦合而成的截面非线性平衡方程,由此建立RC截面的弯矩-曲率关系。在此基础上利用Timoshenko梁弯曲理论建立考虑横向剪切变形影响的RC梁的有限元分析模型。通过对试验梁的分析对比验证了所提出的分析方法的适用性。     

BAR SIMULATION METHOD FOR BENDING NORMAL STRESS OF I-BEAM IN CONSIDERATION OF SHEAR EFFECT 1)

随着工字形短深梁和宽翼缘梁结构的发展,截面非线性剪切变形对弯曲应力的影响愈加突出,导致传统设计中所采用的初等梁理论计算结果误差较大,不再适用。本文基于比拟杆法综合考虑剪切效应,推导出工字形梁横力弯曲应力解析计算公式,并与有限元及现有解析计算方法进行对比分析。结果表明：当跨高比较小,翼缘腹板面积比较大时剪切效应对弯曲变形有显著影响。同时相比于现有解析方法,本文计算结果精度较高且适用范围更广,可用于梁结构设计。     

Finite element analysis of interfacial stresses in FRP–RC hybrid beams

The interfacial stresses in fiber reinforced plastic (FRP)–reinforced concrete (RC) hybrid beams were studied by the finite element method. The mesh sensitivity test shows that the finite element results for interfacial stresses are not sensitive to the finite element mesh. The finite element analysis then is used to calculate the interfacial stress distribution and evaluate the effect of the structural parameters on the interfacial behavior. It is shown that both the normal and shear stresses at the interface are influenced by the material and geometry parameters of the composite beam. This research is helpful for the understanding on mechanical behavior of the interface and design of the FRP–RC hybrid structures.     

无腹筋RC悬臂梁抗剪强度及尺寸效应理论研究

不同于混凝土材料,钢筋混凝土(RC)构件的破坏模式与机制更为复杂,采用混凝土材料尺寸效应理论难以描述构件的尺寸效应行为。我国相关规范中并没有系统考虑构件尺寸及纵筋率对RC梁抗剪承载力的影响。为研究剪跨比及纵筋率对无腹筋RC梁剪切破坏及抗剪强度尺寸效应的影响,采用三维细观数值模拟方法,建立了RC梁剪切破坏力学分析模型,研究了剪跨比及纵筋率对RC梁剪切破坏及抗剪强度尺寸效应的影响机制与规律。研究结果表明,RC梁抗剪强度表现出极为显著的尺寸效应现象;RC梁抗剪强度随剪跨比的增大而减小,随纵筋率的增大而增大;剪跨比较小时,纵筋率对抗剪强度的影响尤为显著。此外,基于Ba■ant材料层次尺寸效应律,提出了考虑剪跨比及纵筋率影响的RC梁抗剪强度尺寸效应理论公式。对比试验结果,验证了所提公式的准确性与合理性。     

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。     

Adomian-modified decomposition method for large-amplitude vibration analysis of stepped beams with elastic boundary conditions

The main objective of this paper is to apply an Adomian modified decomposition method for solving large amplitude vibration analysis of stepped beams with various general and elastic boundary conditions. Damaged or imperfect supports of beams can be modeled by using elastic boundary conditions composing of translational and rotational springs. For the beams subjected to dynamic severe loading, it is important to include the nonlinear term of axial stretching force developed by the large vibration amplitude in the governing equation for more accurate design. By using the method, the convergence studies for linear and nonlinear vibration analyses of stepped beams are shown for determining an appropriate number of terms in the solutions. The accuracy of the present results is validated numerically by comparing with some available results in the literature. New results of nonlinear frequency ratios of stepped beams with different boundary conditions are presented and discussed in detail. Aspects of step ratio, step location, boundary conditions, vibration amplitudes, etc., which have significant impact on linear and nonlinear frequencies of such beams are taken under investigation.     

PREDICTION OF FATIGUE LIVES OF RC BEAMS STRENGTHENED WITH CFL UNDER RANDOM LOADING

The investigation on fatigue lives of reinforced concrete （RC） structures strength- ened with fiber laminate under random loading is important for the repairing or the strengthening of bridges and the safety of the traffic. In this paper, two methods are developed for predicting the fatigue lives of RC structures strengthened with carbon fiber [aminate （CFL） under random loading based on a residual life and a residual strength model. To discuss the efficiency of the model, 12 RC beams strengthened with CFL are tested under random loading by the MTS810 testing system. The predicted residual strength approximately agrees with test results.     

基于微分求积法的钢筋混凝土梁静力分析

采用广义微分求积法(GDQM)对钢筋混凝土(RC)梁进行了准静力分析,得到了其抗静载的强度特性．首先,基于虚功原理导出了考虑钢筋和混凝土材料的非线性的RC梁准静力分析控制微分方程,并根据广义微分求积法对其离散,从而得到有限自由度的非线性代数方程组,进而采用Newton-Raphson迭代求解格式,建立了荷载增量法数值分析模型．其次,通过本文GDQM与有限元法分析结果比较,表明了新建算法的正确性;与有限元法的收敛性对比表明本文算法较有限元法有优越性．