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.     

预应力混凝土结构抗爆性能试验研究

随着我国城市建设的飞速发展,人们迫切希望能将预应力混凝土结构用于平战结合的大跨度地下工程。但由于迄今为止国内外对预应力混凝土结构的抗爆性能知之甚少,长期以来预应力混凝土在抗爆结构中的应用一直是个禁区。本文给出了一例后张无粘结部分预应力混凝土梁板柱形结构模型在平面装药爆炸条件下的大比尺化爆相似模拟试验。模型的几何相似比例为1∶5,加载平面空气冲击波超压分别为70kPa、130kPa和320kPa。试验结果给出了在完全弹性状态、荷载略高于设计承载力状态和接近极限破坏状态下无粘结部分预应力混凝土结构的宏观试验现象和大量实测试验参数和实测波形曲线,并进行了简单的数据分析。试验结果表明:设计合理的预应力混凝土梁板柱形结构具有很好的延性,不会发生令人担心的脆性破坏,完全可以用于抗爆结构。     

模拟酸雨腐蚀下预应力混凝土梁的抗弯性能研究

为了探讨酸雨腐蚀环境对预应力混凝土梁抗弯性能的影响,制作了8根预应力混凝土梁,从混凝土强度等级、预应力度和钢绞线腐蚀率等方面,进行8根预应力混凝土梁的三分点静载试验。试验结果及分析表明,混凝土强度对屈服后试验梁的抗弯性能影响较大,对弹性阶段的刚度影响较小;随着预应力度的增加,试验梁的开裂荷载逐渐增大,进入裂缝阶段后,刚度下降速度逐渐加快;钢绞线腐蚀率越大,试验梁的极限抗弯承载力越低;腐蚀率在一定范围内(3.22%),随着腐蚀率的增大,预应力混凝土梁试件的开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩明显降低。根据试验结果,提出了模拟酸雨环境下预应力混凝土梁试件抗弯承载力的计算方法,同时采用ANSYS软件对预应力混凝土梁进行非线性有限元分析,将试验梁的计算值和模拟值与试验值进行比较,均吻合较好。     

模拟酸雨腐蚀下预应力混凝土梁的抗弯性能研究

为了探讨酸雨腐蚀环境对预应力混凝土梁抗弯性能的影响，制作了8根预应力混凝土梁，从混凝土强度等级、预应力度和钢绞线腐蚀率等方面，进行8根预应力混凝土梁的三分点静载试验。试验结果及分析表明，混凝土强度对屈服后试验梁的抗弯性能影响较大，对弹性阶段的刚度影响较小；随着预应力度的增加，试验梁的开裂荷载逐渐增大，进入裂缝阶段后，刚度下降速度逐渐加快；钢绞线腐蚀率越大，试验梁的极限抗弯承载力越低；腐蚀率在一定范围内（>3.22%），随着腐蚀率的增大，预应力混凝土梁试件的开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩明显降低。根据试验结果，提出了模拟酸雨环境下预应力混凝土梁试件抗弯承载力的计算方法，同时采用ANSYS软件对预应力混凝土梁进行非线性有限元分析，将试验梁的计算值和模拟值与试验值进行比较，均吻合较好。     

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。     

钢骨混凝土构件抗冲击性能试验研究

利用超重型落锤试验机对钢骨混凝土构件进行了侧向冲击试验，研究了落锤冲击钢骨混凝土构件的冲击全过程和最终的破坏形态；分析了钢骨混凝土构件冲击力、位移和轴力时程曲线的特性；对比了不同冲击速度、冲击能量、轴压和边界条件等因素对钢骨混凝土构件的动力响应的影响。结果表明:钢骨混凝土构件在落锤冲击作用下外侧混凝土破坏严重，且冲击能量越大，外侧混凝土越易出现剪切破坏，但内部钢筋和钢骨只发生了一定的弯曲变形，表明钢骨混凝土构件抗冲击性能整体良好。本次试验参数范围内，钢骨混凝土构件的冲击力和跨中位移随冲击速度增加而增大；轴压力增大使钢骨混凝土构件的冲力峰值增大，冲击持时和跨中位移减小；相对于固简支和两端简支的边界条件，两端固支的边界对于钢骨混凝土构件的抗冲击性能提升最好。     

预应力等效荷载的应用及非线性阶段计算方法

等效荷载概念在预应力结构的研究和设计中存在广泛应用.依据等效荷载的经典定义,对线性变换后预应力等效荷载是否变化进行论述,指出采用等效荷载法计算预应力混凝土受弯构件在使用阶段的预加力反拱值时,应取用净截面刚度.针对工程界提出的一些观点,用解析方法证明直线、抛物线组合线型力筋的预应力作用仍可用等效荷载法计算,以及等效荷载法并不存在与预应力筋线型相关的局限性.为回答无粘结、有粘结预应力筋应力增长后等效荷载是否变化的问题,提出实时等效荷载的概念,建立了预应力混凝土梁实时等效荷载的计算方法.推导基于实时等效荷载的承载力极限状态平衡方程,并证明其与将预应力筋完全作为抗力材料的平衡方程具有等价性.最后,介绍了实时等效荷载运用于预应力结构非线性阶段变形计算时所体现的优越性.     

冻融循环下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性研究

预应力CFRP加固混凝土结构技术由于具有显著优势,越来越多地被应用在桥梁加固中,本文针对冻融循环作用下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性能进行了实验研究。通过12片加固梁试件的实验研究了不同次数冻融循环作用下预应力CFRP板加固梁的破坏形态和承载性能,分析了混凝土强度等级、冻融循环次数、CFRP初始应力水平等因素对加固梁耐久性能的影响。实验结果表明:经历冻融循环后试件的开裂荷载和极限承载能力都有了不同程度的下降,冻融侵蚀对CFRP加固混凝土结构产生了明显的不利影响;随着冻融循环次数的增加,加固试件的破坏模式逐渐由混凝土保护层剥离转变为界面剥离的破坏形态;冻融循环作用对预应力加固试件的整体不利影响要大于非预应力试件;混凝土强度为C60的预应力CFRP加固试件在冻融侵蚀作用下的退化要较强度为C30的加固试件显著。     

金属梁在预应力下的冲击响应

工程结构在使用过程中，大部分构件处于预应力状态。为了理清预应力对金属梁在冲击载荷作用下响应的影响机理，对不同轴向预应力条件和不同冲击强度下金属梁的塑性变形规律进行了研究。通过自主设计的预应力加载装置和落锤试验机，实现对金属梁的预应力控制和冲击加载；借助商用软件建立数值模型，对相关工况进行模拟。数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。通过对梁的剩余挠度进行对比发现，压预应力状态下的梁受冲击载荷作用所产生的中点剩余挠度会比无预应力时更大；而拉预应力状态下的梁，挠度的变化量与预应力之间没有较一致的规律。从能量角度进行分析发现，梁的塑性变形能来自外加动能和初始内能，外加动能的能量比越高，梁的能量吸收率就越高，且在低能量比时，压预应力下的能量吸收率相对较高，拉预应力下的相对较低；高能量比时，预应力对能量吸收率几乎无影响。压预应力下，梁的极限弯矩增大，长度缩小，增大了的塑性变形能分布在长度缩小了的梁内，必然会导致更大的剩余挠度；拉预应力下，梁的极限弯矩减小，长度增大，增大了的塑性变形能分布在长度增大了的梁内，剩余挠度则没有显而易见的规律。这在一定程度上解释了预应力对冲击载荷作用下金属梁变形的影响机理。     

冲击荷载与火灾联合作用下SFRC梁的力学行为

为了探究冲击荷载与火灾联合作用下钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete, SFRC)梁的力学性能，联合应用高性能落锤试验系统、四点弯曲实验装置与装配式电炉开展了4根SFRC梁的冲击实验与高温恒载实验，观察了其破坏模式并记录了跨中位移和钢筋应变的时程曲线，探讨了冲击损伤SFRC梁的抗火性能。此外，在实验研究的基础上，考虑材料的应变率强化效应及温度软化效应，建立数值模型，首先对梁进行冲击加载模拟，并以冲击模拟结果为初始状态，采用热-力“顺序”耦合方法，对冲击加载与高温恒载联合作用下SFRC梁的力学行为进行了三维宏观有限元数值模拟。同时，考虑混凝土内部结构非均质性的影响，采用类似步骤，开展了细观模拟。宏/细观模拟结果与实验结果的良好吻合验证了本文数值方法的合理性与有效性，并体现了细观方法的优越性。研究发现，冲击能量较小时，SFRC梁在冲击荷载作用下，尽管局部混凝土开裂，梁整体残余变形较小，抗火性能有一定程度的下降；随着钢纤维掺量增大，混凝土基体抗剪强度增大，SFRC梁在冲击荷载作用下的开裂形态由弯剪裂缝并存向以弯曲裂缝为主转变；冲击损伤SFRC梁在高温恒载作用下裂缝分布较为集中，且发生脆性破坏。     

功能梯度梁与均匀梁静动态解间的相似转换

基于Euler-Bernoulli 梁理论, 研究了功能梯度材料梁的弯曲、屈曲和自由振动. 通过分析和比较功能梯度材料梁 和均匀梁的控制方程, 得到了功能梯度材料梁与均匀梁的解之间的相似转换关系. 在给定功 能梯度材料梁的材料性质在横向按幂函数分布的情况下, 导出了解之间的相似转换系数的解 析表达式. 该系数集中反映了功能梯度梁的材料非均匀性. 因此, 可将功能梯度材料梁的静 动态问题的求解转换为同样载荷和边界条件下均匀梁的静动态问题求解以及相似转换系数的 计算.     

基于初应力法的作大范围运动柔性梁动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动柔性梁的建模理论.根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性梁刚-柔耦合动力学方程.从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程.通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程.对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项.并对此非惯性系下作大范围运动柔性梁的结构动力学方程进行数值仿真,对零次近似模型、一次近似模型、初应力法动力学模型的仿真结果进行分析,揭示三种模型的动力学性质的差异.     

Free vibration characteristics of sectioned unidirectional/bidirectional functionally graded material cantilever beams based on finite element analysis

Advancements in manufacturing technology, including the rapid development of additive manufacturing (AM), allow the fabrication of complex functionally graded material (FGM) sectioned beams. Portions of these beams may be made from different materials with possibly different gradients of material properties. The present work proposes models to investigate the free vibration of FGM sectioned beams based on onedimensional (1D) finite element analysis. For this purpose, a sample beam is divided into discrete elements, and the total energy stored in each element during vibration is computed by considering either the Timoshenko or Euler-Bernoulli beam theory. Then, Hamilton's principle is used to derive the equations of motion for the beam. The effects of material properties and dimensions of FGM sections on the beam's natural frequencies and their corresponding mode shapes are then investigated based on a dynamic Timoshenko model (TM). The presented model is validated by comparison with three-dimensional (3D) finite element simulations of the first three mode shapes of the beam.     

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针对连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵，分析了在使用连续梁单元 进行结构动态特性分析中的数值问题. 基于连续梁单元的运动方程，导出了连续 Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵. 分析了影响动态刚度矩阵中双曲函 数自变量的各个独立变量及其产生的影响，并给出了初估连续梁单元合理长度的方法. 使用 单一连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵分别进行了悬臂梁频响曲线 的数值求解. 研究表明，在合理选择连续梁单元的长度时，大多数工程结构的动态特性分析 中都不会产生数值问题.     

Dynamic response of elastic-plastic ideal sandwich beams

The dynamic response of elastic-plastic ideal sandwich beams is investigated. The plastic deformation is interpreted as a kind of general loads in the elastic beams, while the moving interfaces between elastic and plastic regions are treated as external restraint conditions. Particularly, the dynamic response of a cantilever beam is investigated using the classical method by means of the superposition of the vibration modes of elastic beams. The numerical results show that, compared with the rigid plastic solutions, the dynamic behavior of elastoplastic beam exhibits complex response modes. In some cases, elastic deformation has very important effects on the response mode of the beam, so it should not be ignored.     

含初缺陷裂纹损伤梁的冲击动力屈曲

由Hamilton原理导出考虑初始缺陷及横向剪切变形时裂纹梁的动力屈曲控制方程;应用断裂力学中常用的线弹簧模型将裂纹引入到屈曲控制方程中;基于B-R动力屈曲判断准则,采用数值方法求解了受轴向冲击载荷作用时裂纹梁的动力屈曲;对比讨论了不同冲击速度、初始几何缺陷大小以及分布形式等因素对梁冲击动力屈曲的影响。     

含脱层损伤复合材料层合梁冲击动力响应实验研究

对纤维增强复合材料层合梁在受轴向冲击时的动力响应问题进行了实验研究。实验以单向玻璃纤维布和环氧树脂材料制作试件,在层间预埋薄铜箔模拟脱层损伤。采用激光测速仪测量子弹速度,动态应变仪和TDS420A数字示波器记录应变时程曲线进行动力响应分析。实验结果表明铺层角度是决定材料性能的主要原因,脱层损伤的存在及大小对动力响应和发生动力屈曲有重要影响。此外,初始缺陷的影响也是不可忽视的重要因素。     

Dynamic deformation of glued beams

The dynamic deformation of two glued rectangular beams is studied. A problem formulation and problem-solving method are given. It is assumed that the structure moves in a vertical plane. The materials of the beams and adhesive interlayer (AI) are homogeneous and isotropic. The geometrical and mechanical characteristics of the beams are different. Assumptions on the stress–strain state of the beams and AI are formulated based on the theory of elasticity. The composite beam is decomposed into three beams. The virtual-displacement principle is formulated for each of them. The problem is solved by finding five functions defined on the beam axis. The formulated principles allow solving different problems of dynamic deformation of glued beams     

On one dynamic problem for structurally inhomogeneous beams

A method is developed for studying the dynamic deformation of structurally inhomogeneous beams consisting of homogeneous isotropic layers with different mechanical characteristics. The method is based on the virtual-displacement principle. The equation of motion is derived in vector and scalar forms for arbitrary loads, boundary conditions, and cross-sections with one and two axes of symmetry. The efficiency of the method is demonstrated by solving, as an example, the dynamic deformation problem for a hinged layered beam with a rectangular cross-section under harmonic loading. Mechanical effects are revealed, which describe the influence of the beam structure and the mechanical properties of beam components on the dynamic compliance in comparison with the relevant homogeneous beam with the same geometry __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 43, No. 11, pp. 90–98, November 2007.     

带集中质量的旋转柔性曲梁动力学特性分析

本文对带集中质量的平面内旋转柔性曲梁动力学特性进行了研究.基于绝对节点坐标法推导出曲梁单元,其中该曲梁单元采用Green-Lagrangian应变,并根据曲梁变形前后的曲率变化和曲率的精确表达式计算了曲梁单元弹性力所作的虚功.通过虚功原理,利用$\delta$函数和中心刚体与悬臂曲梁之间的固支边界条件,建立了带集中质量的旋转柔性曲梁非线性动力学模型.基于该模型,本文仿真计算了悬臂曲梁的纯弯曲问题和带有刚柔耦合效应的旋转柔性曲梁动力学响应问题,以此分别讨论了所提出曲梁单元的收敛性和动力学模型的正确性.进一步应用D'Alembert原理,将旋转曲梁等效为带离心力的无旋转曲梁,通过线性摄动处理得到系统的特征方程,以此分别研究了旋转角速度、初始曲率和集中质量对曲梁动力学特性的影响.最后重点分析了旋转曲梁的频率转向和振型切换问题,并阐述了两者之间的相互关系.研究结果表明:随着旋转角速度的增大,曲梁的频率特性与直梁的频率特性相近,以及曲梁拉伸变形占主导的模态振型会提前.