混凝土保护层锈胀开裂过程分析的细观刚体弹簧元模型

建立了描述保护层锈胀开裂过程的细观刚体弹簧元模型(RBSM),获得了锈胀裂缝的扩展过程和保护层的力学响应。数值结果表明,锈胀裂缝开展过程与试验现象较为一致;混凝土采用弹性本构关系时,平均锈胀压力-径向位移曲线的斜率(模型刚度)与厚壁圆筒模型理论值接近;采用软化本构关系时,平均锈胀压力峰值与理论值接近,从而验证了本文模型的正确性。此外,探讨了保护层厚度和钢筋直径对锈胀过程力学响应的影响规律。结果表明,保护层厚度减小将导致峰值锈胀压力和径向位移降低;钢筋直径增大同样会导致峰值锈胀压力降低,对应的径向位移整体上呈现随钢筋直径增大而减小的趋势。     

钢筋与混凝土粘结本构关系数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹性有限元分析的基础之一.针对这一基本问题,本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路.采用不连续介质力学问题的界面元法,编制了在维问题的界面元分析程序,用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析.通过对两类测量粘结应力及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析,表明计算结果与试验结果吻合良好.     

FRP-混凝土界面粘结行为的参数影响研究

FRP-混凝土界面的粘结性能对FRP加固混凝土结构力学行为和破坏模式有着重要影响。本文对表征FRP-混凝土界面粘结性能的三个重要参数(界面初始刚度、最大剪应力、界面破坏能)开展研究,通过13个单剪试件的试验考察了混凝土强度、胶层厚度和粘结长度等因素对界面粘结行为的影响,根据试验结果拟合了界面破坏能、最大剪切应力与胶层剪切刚度、混凝土强度之间的函数关系。在试验研究基础上,构建了外贴FRP-混凝土界面粘结的有限元模型。通过有限元分析考察了界面破坏能等三个参数不变的前提下,不同的局部粘结滑移本构关系对界面粘结行为的影响;进而研究了其中一个参数变化时引起的界面粘结性能改变。研究结果表明:界面粘结承载力随着胶层厚度增加而逐渐提高;胶层厚度与界面破坏能成正比,与峰值剪应力成反比;当界面破坏能等三个参数保持不变时,局部粘结滑移本构关系对FRP-混凝土界面粘结性能的影响较小;三个参数中的一个增大时将延缓界面破坏的过程。     

基于单弹簧联结单元法的钢筋混凝土梁损伤模拟

钢筋混凝土梁的损伤模拟的重难点在于描述两种材料非线性的本构关系以及钢筋混凝土粘结滑移关系非线性的描述,采用单弹簧联结单元法模拟钢筋和混凝土相互作用,结合混凝土四参数损伤模型,模拟钢筋混凝土结构多轴应力状态下从开始加载到结构破坏的全过程。数值算例不仅体现该方法的有效性,也具有重要的工程实践意义。     

纤维增强混凝土材料的界面剪应力分布研究

针对纤维与混凝土界面的破坏过程,提出了几种简化的粘结-滑移本构模型,以双线性局部粘结-滑移本构模型为基础,在受力平衡和变形协调的基本原理基础上,推导了纤维脱粘过程中界面剪应力的解析解.采用弹簧粘结单元,通过数值方法模拟了纤维与混凝土之间的粘结-滑移过程,给出了纤维与混凝土界面脱粘过程中界面剪应力的分布、变化情况.对解析解、有限元计算结果和试验结果之间的差异进行了对比分析,验证了简化模型的合理性和有效性.     

预应力混凝土空间组合式滑移模型

考虑预应力钢筋和混凝土间的粘结滑移效应,结合组合式模型和分离式模型的优点,提出了一种预应力混凝土空间组合式滑移模型。通过预应力钢筋和混凝土单元交点处的虚拟结点,将模拟预应力钢筋和混凝土交界面的无厚度环形粘结单元嵌入组合单元中。粘结单元忽略预应力钢筋-混凝土间的径向相对位移,通过内、外表面的切向位移差值表征预应力钢筋的相对滑移量。基于位移有限元框架,根据预应力钢筋、混凝土、粘结单元各自的本构模型,由虚功原理推导出三者对组合单元刚度矩阵的贡献,建立了该空间组合式滑移模型的有限元平衡方程,并给出了有限元计算流程。在该模型中,预应力钢筋能以任意形式穿过混凝土单元而不需考虑其走向,网格划分灵活;对单个粘结单元而言,在平衡方程中缩减了2个虚拟结点的6个自由度,自由度数减少了8%。     

FRP加固梁的FRP-混凝土界面脱胶分析

为了研究纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer, FRP) 加固梁的FRP-混凝土界面脱胶破坏过程,本文将混凝土梁和FRP 板均视为线弹性的欧拉-伯努利梁(Euler-Bernoulli beams), 且两者通过粘结层胶结在一起. 对于FRP-混凝土结构,有两种形式的脱胶破坏：板端脱胶破坏和跨中裂缝导致的脱胶破坏.对于FRP-混凝土梁,利用合理的粘结模型按第2 种脱胶失效形式,详细讨论了FRP-混凝土界面的脱胶过程,得到了不同阶段的胶结滑移、界面剪应力和FRP 轴向力的解析解. 实验研究验证了理论分析的结果,参数研究进一步探讨了胶结长度和粘结层厚度对于FRP-混凝土界面脱胶行为的影响.     

型钢轻骨料混凝土粘结滑移本构关系研究

本文研究了型钢与轻骨料混凝土的局部粘结滑移本构关系. 在型钢表面刻槽贴应变片,并在与型钢应变片对应位置的混凝土表面贴应变片,由试验结果和分析：得到了型钢表面粘结应力沿锚固长度的负指数分布函数;绘制了局部滑移分布曲线;给出了加载端局部粘结滑移本构关系. 局部最大粘结应力主要与混凝土强度、配箍率、混凝土相对保护层厚度有关. 引入粘结滑移本构关系的型钢轻骨料混凝土梁有限元分析结果和试验结果吻合较好.     

冻融损伤混凝土与光圆钢筋黏结本构关系试验研究

为了研究冻融损伤混凝土与光圆钢筋黏结本构关系,对三种强度等级混凝土试件分别开展了快速冻融循环试验及拉拔试验,得到了不同强度等级、不同冻融循环次数下混凝土的抗压强度及其与光圆钢筋的黏结-滑移曲线。试验结果表明,不同强度等级及不同冻融循环次数的混凝土与光圆钢筋黏结-滑移曲线形状类似;对于相同强度等级试件,随着冻融循环次数的增加,峰值黏结强度、残余黏结强度和初始黏结刚度不断降低而峰值滑移不断增大;对于遭受相同冻融循环次数试件,混凝土强度等级越高,峰值黏结强度和残余黏结强度也越高,而峰值滑移变化规律不明显。最后建立了冻融损伤混凝土与光圆钢筋的黏结-滑移本构模型。上述结果对寒冷地区钢筋混凝土结构性能评定有参考价值。     

钢筋与混凝土粘结本构关系的数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹塑性有限元分析的基础之一。针对这一基本问题，本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路。采用不连续介质力学问题的界面元法，编制了三维问题的界面元分析程序，用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析。通过对两类测量粘结应力以及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析，表明计算结果与试验结果吻合良好。     

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。     

Debonding analysis of FRP–concrete interface between two balanced adjacent flexural cracks in plated beams

A cohesive interface modeling approach to debonding analysis of adhesively bonded interface between two balanced adjacent flexural cracks in conventional material (e.g., concrete or wood) beams strengthened with externally bonded FRP plates is presented. Both the strengthened beam and strengthening FRP are modeled as two linearly elastic Euler–Bernoulli beams bonded together through a thin adhesive layer. A bi-linear cohesive model, which is commonly used in the literature, is adopted to characterize the stress-deformation relationship of the FRP–concrete interface. Completely different from the single-lap or double-shear pull models in which only the axial pull force is considered, the present model takes the couple moment and transverse shear forces in both the substrates into account to study the second type of intermediate crack-induced debonding (IC debonding) along the interface. The whole debonding process of the FRP–concrete interface is discussed in detail, and closed-form solutions of bond slip, interface shear stress, and axial force of FRP in different stages are obtained. A rotational spring model is introduced at locations of the two adjacent flexural cracks to model the local flexibility of the cracked concrete beam, with which the relationship between the local bond slip and externally applied load is established and the real bond failure process of the FRP-plated concrete beam with the increasing of the externally applied load is revealed. Parametric studies are further conducted to investigate the effect of the thickness of adhesive layer on the bond behavior of FRP–concrete interface. The present closed-form solution and analysis on the local bond slip versus applied load relationship for the second type of IC debonding along the interface shed light on the bond failure process of structures externally strengthened with FRP composite plates and can be used effectively and efficiently to predict ductility and ultimate load of FRP-strengthened structures.     

内衬涂塑预应力钢筒混凝土管应力分析

传统预应力钢筒混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe,PCCP)容易开裂、预应力丝锈蚀而爆管失效.提出了耐腐蚀内衬涂塑钢筒预应力混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe with plastic,PCCP-P),建立了PCCP-P线弹性轴对称分层圆筒平面应变模型,考虑预应力引起的内部径向压力,针对喷射砂浆保护层在管道预制阶段不受力以及缠丝、运行阶段混凝土弹性模量不同的特点,对PCCP-P分阶段进行分析,得到各结构层的应力解析解,并建立有限元模型进行验证.本研究可为PCCP-P和传统PCCP设计提供依据.     

Thermoelastoplastic deformation of a thick-walled cylinder with a radial crack

The thermoelastoplastic fracture mechanics problem of a thick-walled cylinder subjected to internal pressure and a nonuniform temperature field is solved by the method of elastic solutions combined with the finite-element method. The correctness of the solution is provided by using the Barenblatt crack model, in which the stress and strain fields are regular. The elastoplastic problem of a cracked cylinder subjected to internal pressure and a nonuniform temperature field are solved. The calculation results are compared with available data. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 49, No. 3, pp. 173–183, May–June, 2008.     

Propagation of Normal Axisymmetric Waves in Compliant Elastic Cylinders Filled with and Immersed in a Fluid

The paper studies the relationship between the physical characteristics of a cylinder and the properties of normal axisymmetric waves in elastic–liquid waveguides. The cylinder is made of a compliant material in which the velocity of shear waves is less than the sonic velocity in a perfect compressible liquid. The complete system of dynamic elasticity equations and the wave equation are used to describe the wave fields in the elastic cylinder and fluid, respectively. This approach allows obtaining the dispersion characteristics of coupled normal waves in compound waveguides over wide ranges of frequencies and wavelengths. The curves of real, imaginary, and complex wave numbers versus frequency are plotted for specific pairs of waveguide materials. Computations are carried out for a thick-walled cylinder filled with a fluid and immersed in either vacuum or a fluid. It is found out that compliant and rigid materials of the cylinder affect differently the wave interaction process in elastic–liquid waveguides     

钢筋混凝土界面的近场动力学方法

近场动力学方法已被广泛用于钢筋混凝土的开裂破坏研究,传统近场动力学方法的控制方程与参数是基于同种均质材料的能量方程确定,在处理不同种材料之间的相互作用时,无法合理反映其界面的力学行为.针对这一问题,通过分析钢筋混凝土界面的黏结-滑移机理,提出了近场动力学界面区材料点的相互作用模型,发展了考虑钢筋混凝土界面黏结的键基近场动力学方法.基于键基近场动力学与连续介质力学的能量密度等效方法,提出了界面微弹性参数的确定方法;根据钢筋肋间混凝土的应力分布规律,获得界面材料点域半径与受限楔体半径的等效关系;利用界面黏结-滑移曲线峰值应力对应的滑移变形,给出了界面临界拉伸常数确定方法.通过与2组钢筋混凝土构件的拉拔试验对比,验证了发展的界面近场动力学方法,并开展了不同条件下钢筋混凝土构件的数值试验.结果表明,发展的近场动力方法能够合理反映钢筋直径、锚固长度、混凝土强度以及肋间距对钢筋混凝土界面黏结行为的影响,体现了所提方法的合理性与优越性.     

考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点, 其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性. 同时, 在动力荷载作用下, 混凝土材料具有不可忽视的率敏感性. 为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性, 本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手, 引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率, 并研究了对应的能量耗散过程. 在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度, 建立了微观能量耗散的基本表达式. 进而与微-细观随机断裂模型相结合, 形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型. 同时, 基于速率相关势垒的分析, 揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制. 据此, 假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系, 实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展. 数值算例表明, 建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性. 最后通过与相关试验结果的对比, 验证了建议模型的正确性.      

柱状装药爆炸条件下厚壁圆筒爆室内 流场及结构动力响应分析

借助非线性动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA,采用基于罚函数的流固耦合算法,对厚壁圆筒爆 室在柱状装药爆炸作用下的动态响应过程进行了数值模拟研究。分析了厚壁圆筒爆室内柱状装药爆炸非定 常流场的演化过程以及筒体的动力响应特征。给出了爆炸流场的压力云图、筒壁受到的爆炸压力峰值及冲量 的分布规律、筒体的等效应力云图以及等效应力的分布规律等。流场压力及筒体应变的计算结果与实测结果 吻合较好,并将动力响应的有限元计算结果与理论解进行了比较,证明轴对称平面应变假设下的理论解可以 给出问题的保守估算。分析表明,该厚壁圆筒爆室在柱状装药爆炸作用下在弹性范围内工作,爆室的强度设 计是安全的。     

一种散体材料SHPB被动围压试验体应力修正方法

本文利用有限元仿真给出了一种修正方法，并用数值仿真和试验验证了该方法的可靠性。研究表明:散体材料SHPB被动围压试验中，试样厚度远小于厚壁圆筒长度时，端部效应会导致厚壁圆筒不均匀凸出变形，计算材料的体应力-应变关系不能将厚壁圆筒应力状态简化为平面应力问题；厚壁圆筒处于弹性状态下，通过厚壁圆筒理论计算出的径向力与真实径向力存在一定比例关系，在一定范围内，折算系数与试样实时厚度呈二次函数关系。