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。     

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。     

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。     

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。     

应用三维有限元法探讨RC梁柱节点的破坏机理

为了探究节点加强后RC梁柱节点的抗剪承载力、延性提高以及节点破坏模式由剪切破坏转变为梁弯曲破坏的实质,本文在RC节点的三维有限元分析的基础上探讨RC梁柱节点加强后的破坏机理。通过详细考察加固前后节点内部不同位置混凝土的应力-应变发展规律,探讨加强前后节点混凝土的宏观损伤发展过程;同时,通过考察核心混凝土的应力-应变关系及发展过程定量探讨加强钢板、梁柱主筋及箍筋对核心混凝土的约束作用。基于上述混凝土损伤过程的宏观分析,可以得出由于梁主筋的粘结加强、加强钢板以及箍筋对混凝土约束作用,使节点核心混凝土的实际强度增大、损伤延迟,RC节点由加强前的节点剪切破坏模式转变成梁端的弯曲破坏模式,从而提高RC梁柱节点的抗剪承载力和延性。     

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。     

爆炸荷载作用下影响RC梁破坏形态的主要因素分析

在冲击、爆炸等强荷载作用下，钢筋混凝土结构通常是发生弯曲破坏。室内外试验结果表明，当动荷载峰值较大、作用时间较短（脉冲荷载）时，钢筋混凝土结构易发生脆性的剪切破坏，其主要原因是脉冲荷载的高频成份丰富和加载速率高等特点容易激发结构构件中的剪切变形和剪 应力。本文基于Timoshenko梁理论，提出了一种爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态的有限差分预报方法，利用该方法分析了荷载加载速率、截面高度、混凝土强度、配筋率等对钢筋混凝土破坏形态的影响规律，并指出，随着荷载升压段加载速率、截面高度、主筋配筋率的增加或混凝土强度的降低，梁的破坏形态从弯曲破坏转变为剪切破坏。     

配有斜筋混凝土梁抗剪承载力计算与试验

以剪压破坏时配有斜筋的混凝土梁为研究对象,考虑临界斜裂缝处各钢筋拉应力和剪应力的影响,基于极限平衡理论和复合应力状态下混凝土的强度准则,建立了极限抗剪承载力的计算公式。对配有斜筋混凝土梁进行的试验研究发现,理论值与试验值的误差不超过5%。研究表明:箍筋与纵筋、斜筋与纵筋的相对配筋率以及剪跨比对临界斜裂缝顶端混凝土受压区的高度影响较为显著,进而影响抗剪承载力;临界斜裂缝顶端混凝土在复合应力状态下发生破坏,竖向压应力的作用不应忽略;斜筋和箍筋的剪应力对极限抗剪承载力影响较小,计算中可不予考虑。     

爆炸荷载作用下RC梁单边直剪破坏数值分析

本文通过建立数值模型,选择相应的参数信息得出数值计算结果对既有的爆炸荷载作用下RC简支梁的动力响应试验结果进行对比分析,认为所选数值模型及计算方法能够很好地与试验相匹配.据此,文中通过建立RC梁在一端作用有0.2kg的TNT炸药爆炸模型分析该梁的破坏模式、提取梁中不同部位的位移时程曲线得出RC梁破坏的具体形态及由局部破坏导致整根构件失效等一系列过程.爆压分布的测定对RC梁发生该种破坏类型时荷载的简化具有指导意义.通过截取梁两端支反力可知受到单边直剪破坏作用的RC梁端的剪切作用力远高于另一端.对另外三种近似工况建立数值模型,通过数值计算分析出RC梁构件发生单边直剪破坏风险的诸条件及要素.与此同时,确定了单边直剪破坏荷载类型简化形式.     

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。     

均布荷载下钢筋混凝土梁剪切破坏的研究

对于剪切破坏的梁，本文提出平截面假定的适用范围，并将它用于研究钢筋混凝土梁的抗剪性能，建立了适用于均布荷载下钢筋混凝土简支梁抗剪强度计算的理论模型，并对此进行了实验验证。此模型可推广到任意分布荷载。     

起波配筋RC梁抗爆作用机理及抗力动力系数的理论计算方法

针对钢筋混凝土(RC)梁，提出了一种通过对抗拉纵筋进行局部弯折，形成钢筋起波，从而提高RC梁抗爆能力的高效新方法。结合已有的实验结果和有限元模型计算，分析了起波配筋RC梁的受荷破坏全过程，揭示了其抗爆作用机理。分析结果表明，在RC梁底部适当位置设置纵筋起波，能增大RC梁在爆炸荷载作用下的允许变形，有效吸收爆炸能量，大幅度提高RC梁的抗爆性能。基于能量法，建立了起波配筋RC梁在爆炸荷载作用下的理论计算模型，给出了抗力动力系数的显示计算公式；讨论了平屈抗力比、平弹变形比以及屈弹变形比3个关键设计参数对起波配筋RC梁抗爆性能的影响规律，以便为进一步工程应用提供理论依据。     

接触爆炸荷载对钢筋混凝土梁的局部毁伤效应

为得到接触爆炸下钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）梁的局部破坏模式和毁伤效应，对同一尺寸的RC梁进行了不同装药量的接触爆炸试验研究。试验中采用框架结构中典型工程尺度RC原型梁为研究对象，通过4次爆炸试验，观测了RC梁在不同装药量下的局部破坏模式和破坏特征，分析了装药量对局部毁伤效应的影响。研究结果表明:接触爆炸荷载作用下，RC梁将发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切等局部破坏模式，爆坑深度、震塌厚度、表面毁伤面积以及受压区纵筋变形均与装药量立方根近似呈线性增加关系。在试验数据基础上，将RC梁局部毁伤程度划分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和严重毁伤4个等级，采用比例装药量判据进行评估。研究成果可为抗爆结构设计和结构毁伤评估提供理论依据。     

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。     

FRP加固钢筋混凝土梁界面开裂分析

应用理论分析及有限元模拟和模型试验相结合的方法分析了FRP加固钢筋混凝土(RC)梁界面的开裂破坏规律。研究结果表明:FRP加固RC梁界面开裂可以应用断裂力学的方法解析,理论分析结论与有限元模拟结果一致。在FRP的剥离角度较大时界面是Ⅰ型和Ⅱ型混合开裂;同时考虑到混凝土剪切裂缝上下错动的尺寸与构件的尺寸相比很小,FRP-RC梁界面主要表现为Ⅱ型断裂。界面的应力强度因子随着加载的增加分为三个发展阶段,分别以混凝土开裂和钢筋屈服为分界点,界面的临界应力强度因子约为5.91MPa·m0.5。并结合试验给出了FRP的极限剥离应变,在工程应用中控制FRP应变在剥离应变以内可以有效地避免界面开裂破坏的发生。     

预应力混凝土水平加腋框架节点受力分析

本文对3个预应力混凝土框架节点进行了低周反复荷载作用下的抗震性能试验,研究了加腋节点的传力机理以及预应力对节点抗震性能的影响规律。研究表明,通过量测节点内的箍筋应变,穿过节点核心区的预应力筋对节点核心区双向交替斜向受压混凝土有重要约束作用,改善了节点的抗剪能力。梁端水平加腋节点中预应力筋不穿过节点核心区时,只要在节点核心区配置适量的箍筋,保持节点后期的强度和刚度,也能够满足抗震设防要求。     

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.     

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。     

钢筋混凝土梁临界斜裂缝倾角计算的概率模型

综合考虑剪跨比、混凝土强度、配筋率和配箍率等重要因素的影响,研究建立了RC梁临界斜裂缝倾角计算的概率模型。首先,基于修正压力场理论,建立了RC梁临界斜裂缝倾角的确定性计算模型;然后,引入剪跨比修正系数,并综合考虑主观不确定性和客观不确定性因素的影响,结合贝叶斯理论和马尔科夫链蒙特卡洛法(MCMC),建立了RC梁临界斜裂缝倾角计算的概率模型;最后,通过与试验数据和传统确定性计算模型的对比分析,验证了该模型的有效性和适用性。分析结果表明,随着剪跨比的增大,RC梁的临界斜裂缝倾角逐渐减小;临界斜裂缝倾角的试验测试值的范围为23°~41°,具有显著的离散性;本文概率模型不仅可以合理描述临界斜裂缝倾角的概率分布特性,而且可以校准传统确定性计算模型的计算精度和置信水平,以及根据预定的置信水平确定临界斜裂缝倾角的概率特征值,具有良好的计算精度和适用性。     

再生大骨料自密实混凝土梁正截面受力特性研究

梁的正截面受力特性是梁构件内力分析的前提条件。为了研究再生大骨料自密实混凝土梁的正截面受力特性,本研究以再生大骨料配比为变量,设计了三根再生大骨料自密实混凝土梁(PH1、PH2、PH3),进行了四点弯梁试验,获取了梁破坏的相关参数指标,分析了梁跨中截面混凝土应变沿截面高度的变化规律,以及天然毛石含量对裂缝开展和梁承载能力的影响。研究结果表明:1)再生大骨料自密实混凝土梁满足平截面假定;2)与普通混凝土梁相同,再生大骨料自密实混凝土梁也具有明显的弹性、开裂、屈服和极限四个受力特点;3)随着天然毛石含量的增加,再生大骨料自密实混凝土梁的开裂荷载逐渐降低,而极限承载力逐渐增大;4)天然毛石的加入影响再生大骨料自密实混凝土梁裂缝产生的位置和开展轨迹。部分裂缝的产生位置不再是梁底部,裂缝开展轨迹也沿非平截面方向发展。