无粘结预应力混凝土板火灾行为的非线性分析

火灾试验研究表明,火灾下无粘结预应力混凝土受弯构件的变形非常大,其中转动也很大,尤其是单面受火的板,是典型的材料非线性、几何非线性问题。如何对其进行精确、高效地求解是值得关注的问题。而基于S-R分解原理的更新拖带坐标有限元法有诸多优点:有利于跟踪变形物体中各点的变形;保证单元的质量守恒;在有限元增量法求解时,还可以避免对坐标的修正;而且将转动作为一个独立的自由度,提高了求解效率。在升温过程中,虽然预应力钢筋的应力处处相等,但其各点的温度不同,导致各点的温度应变、蠕变、塑性应变均不同。预应力筋必然产生滑移。本文采用该方法对火灾下无粘结预应力钢筋混凝土板进行编程分析。通过实际算例验证该算法的可靠性,该方法求解效率高,精度也比较好。     

铝合金筋板蠕变全过程的Graham改进模型研究

采用分离模型推导了铝合金筋板的循环弹塑性在蠕变全过程的应力-应变增量关系,并用塑性增量及蠕变理论分析了筋板在温度场及应力应变场作用下的热弹塑性-蠕变力学性质。将蠕变应变增量以初应变形式置入ANSYS隐式蠕变方程中,推导出包含初应力和初应变过程的Graham改进模型。用提出的Graham改进模型对四应力水平下的筋板蠕变实验数据进行拟合,并对比分析。结果表明,拟合结果能够较好地表征铝合金筋板在不同应力水平下不同蠕变阶段的蠕变特性,且对高应力水平的加速蠕变特性具有很好的适用性。同时,Graham改进模型和传统模型的有限元模拟预测结果进一步验证了在同一位置时改进模型的误差更小,拟合效果更好。     

纤维增强金属基复合材料整体蠕变性能的细观力学分析

高温下金属基复合材料的蠕变主要由基体蠕变和界面扩散蠕变两部分构成,以往的研究中常常只考虑其中一种蠕变机理,从而导致得到的规律具有较大的局限性．本文提出了一种可预测金属基复合材料整体蠕变性能的细观力学方法,同时考虑了基体蠕变和界面扩散蠕变两种蠕变机理,导出了具有张量形式并满足不可压缩性的界面扩散蠕变应变表达式．采用Mori-Tanaka法和自洽法二者结果的平均以便更准确地计算纤维中的应力,揭示了两种蠕变机理相互影响的竞争关系．研究了恒定双轴荷载下的总体蠕变和固定位移约束下的应力松弛这两种常见蠕变问题,探究了基体蠕变与界面扩散蠕变两种蠕变机理在总蠕变中发挥的作用,考察了不同加载条件和不同纤维体积分数对复合材料整体蠕变行为的影响．     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

冻结黏土力学特性分析及改进S-M蠕变模型

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明:冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S--M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S--M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S--M蠕变模型参数进行优化。改进S--M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S--M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S--M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

蠕变历程中电厂承压材料SA508-Ⅲ钢的细观应力研究

长期服役温度下(300℃以上)的承压容器及管道极易发生热老化和高温蠕变,微观组织表征为晶内粗大第二相粒子、晶界粗化和蠕变空洞,因而材料的细观非均匀性也使得细观应力分析变得更加复杂。首先详细阐述了Eshelby等效夹杂理论,针对电厂服役承压材料SA508-III钢的微观组织变化,当基体中夹杂一种掺入体时,即稀疏材料系统(夹杂数量少)结合蠕变第一阶段和第二阶段初期,非稀疏材料系统则结合蠕变第二阶段中期,分别进行掺入体的细观应力应变分析,并计算在温度变化或有外载荷作用时的应力和转变应变。在此基础上,进一步结合承压材料在蠕变第二阶段后期和第三阶段微观组织特征,推导了基体中夹杂两种不同掺入体的转变应变及弹性模量。     

超超临界汽缸高温强度及多轴蠕变分析

超超临界汽轮机汽缸的多轴蠕变分析与高温强度设计对机组安全高效运行至关重要.对于在超超临界参数下中压内缸,它的主要破坏来自于高温和复杂应力共同作用下的蠕变损伤.随着蒸汽参数(温度T,压力P)的不断提升,原汽缸承受的蠕变损伤越发严重,因此有必要进行局部结构改进.应用基于受约束孔洞长大机制的Cocks-Ashby多轴蠕变模型对新老汽缸进行了对比分析,并采用了有限元计算方法得到了汽缸多轴蠕变等效应变的分布.结果表明:基于孔洞长大蠕变理论能较好地预测汽缸危险点的多轴蠕变;新汽缸比老汽缸在抗蠕变性能方面有一定改善.     

奥氏体不锈钢高温循环棘轮行为的实验研究

对两种不锈钢材料（316L和304）进行了高温应力控制下的系统循环试验。对该类材料在应力循环下的平均应力、应力幅值及其历史对循环蠕变（棘轮效应）的影响进行了分析,同时也分析了环境温度的变化以及先前应变循环对后继应力循环的棘轮行为的影响。研究表明,两种不锈钢材料在高温非对称循环下的单轴棘轮行为基本相同,不但依赖于当前温度和加载状态,而且还依赖于先前加载历史。研究得到了不锈钢材料高温单轴循环棘轮行为的一些有意义的结果。     

岩石蠕变的应力-应变比分析

对岩石蠕变的应力-应变比分析方法进行了探索。蠕变是岩石重要的力学性质之一。岩石在各个应力水平下的蠕变曲线具有几何相似性。根据岩石蠕变的应力-应变比曲线可以近一步分析得到等时模量曲线。在岩石蠕变本构描述十分复杂、至今没有成熟的理论的情况下,应力-应变比分析方法具有十分重要的现实意义。     

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

An application of a damage constitutive model to concrete at high temperature and prediction of spalling

A characteristic feature of concrete under uniaxial compression is the development of cracks parallel to the loading direction. A damage constitutive model proposed by Ortiz [Ortiz, M., 1985. A constitutive theory for the inelastic behaviour of concrete. Mech. Mater. 4, 67–93] can predict the transverse tensile stress responsible for these cracks by considering the interaction between the aggregate and the mortar and the development of damage in the latter. When concrete is exposed to high temperature, as is the case during fire, the failure mode is thermal spalling. In order to improve the prediction of the stresses involved in this failure Ortiz’s model is extended to account for the effects of high temperature. Published experimental results for uniaxial and biaxial compression at high temperatures are used to calibrate the temperature dependence of some of the material properties. The transient creep strain is accounted for by modifying the constrained thermal strain. The stress analysis is coupled with hygro-thermal analysis of heat, mass transfer and pore pressure build-up. The effect of pore pressure on the damage evolution is modeled by applying a body force in the stress analysis module proportional to the pressure gradient. A numerical example of concrete under fire is solved and the computed results are discussed. Spalling is predicted when the damage variable reaches its maximum value of unity. The predicted depth and time of spalling for a range of variation of permeability and initial liquid water content are presented. They are in good agreement with published experimental results.     

混凝土桥梁拼接后收缩徐变计算方法分析

为分析混凝土收缩徐变对新旧拼接混凝土桥梁的影响,考虑每个计算步长内由混凝土收缩引起的应力的徐变作用和混凝土的弹性模量变化,根据能量原理推导了混凝土收缩徐变的位移法基本方程。分别按每个计算步长内应力为变值和常值,采用增量法推导了每个计算步长内收缩徐变的递推计算公式,并编制了相应的计算程序。对比分析表明,按每个计算步长内应力为变值的计算结果与实测值吻合良好,与每个计算步长内应力为常值相比,可以增大计算步长,减少叠加次数,大大加快程序计算速度。     

钢筋混凝土剪力墙受火性能非线性分析

为了研究钢筋混凝土剪力墙的抗火性能,本文基于纤维元模型,提出了一种非线性分析方法。该方法无需计算截面的弯矩-曲率曲线族,计算过程中采用了高温下耦合的混凝土本构关系,其中考虑了混凝土高温热膨胀应变、瞬态热应变和徐变。编制了相应的非线性计算分析程序,程序考虑了轴力二阶效应的影响,计算得到了剪力墙跨中平面外挠度以及火灾下其跨...     

A multiaxial constitutive model for concrete in the fire situation: Theoretical formulation

This paper aims to develop a multiaxial concrete model for implementation in finite element software dedicated to the analysis of structures in fire. The need for proper concrete model remains a challenging task in structural fire engineering because of the complexity of the concrete mechanical behavior characterization and the severe requirements for the material models raised by the development of performance-based design. A fully three-dimensional model is developed based on the combination of elastoplasticity and damage theories. The state of damage in concrete, assumed isotropic, is modeled by means of a fourth order damage tensor to capture the unilateral effect. The concrete model comprises a limited number of parameters that can be identified by three simple tests at ambient temperature. At high temperatures, a generic transient creep model is included to take into account explicitly the effect of transient creep strain. The numerical implementation of the concrete model in a finite element software is presented and a series of numerical simulations are conducted for validation. The concrete behavior is accurately captured in a large range of temperature and stress states. A limitation appears when modeling the concrete post-peak behavior in highly confined stress states, due to the coupling assumption between damage and plasticity, but the considered levels of triaxial confinement are unusual stress states in structural concrete.     

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。     

高温条件下混凝土墙体的非线性分析研究

本文建立了一个弹塑性-损伤耦合本构模型用于数值模拟高温下混凝土的真实破坏过程。导出了一个利用Newton-Raphson迭代的一般的直接应力返回映射算法。同时求解应力向量和塑性、损伤的内状态变量。并推导了用于化学-热-湿-力学耦合分析的全局守恒方程Newton-Raphson迭代过程的一致性切线模量矩阵。建议了一个用于弹塑性-损伤耦合分析的两级求解过程。给出的数值例题结果显示了所提出的数法和公式的正确性,表明了所发展的弹塑性-损伤耦合本构模型在模拟高温下混凝土墙体中复杂破坏过程的能力。     

Nonlinear long-term behaviour of spherical shallow thin-walled concrete shells of revolution

The nonlinear long-term buckling behaviour (creep buckling) of spherical shallow, thin-walled concrete shells of revolution (including domes) subjected to sustained loads is investigated herein. A thorough understanding of their nonlinear time-dependent behaviour, as well as the development of comprehensive analytical models for their analysis, has hitherto not been fully established and further studies are required. A nonlinear axisymmetric theoretical model, which accounts for the effects of creep and shrinkage, and which considers the ageing of the concrete material and the variation of the internal stresses and geometry in time, is developed for this purpose. The governing field equations are derived using variational principles, equilibrium requirements, and integral-type constitutive relations. A systematic step-by-step procedure is used for the solution of the integral-type governing equations. First, the nonlinear short-term behaviour is studied to provide a benchmark for the long-term analysis. Different theories for the analysis of the shell structure are examined for this purpose and compared with results obtained by the finite element method. A numerical study, which highlights the capabilities of the nonlinear theoretical model and which provides insight into the nonlinear long-term behaviour of shallow concrete domes, is presented. The results show that long-term effects are critical for the design and structural safety of shallow, thin-walled concrete domes, and so these effects need to be fully understood and quantifiable.     

高温影响的钢管混凝土柱抗爆性能研究

火灾与爆炸通常相伴发生,对工程结构安全造成了严重威胁。为研究高温下钢管混凝土柱抗爆性能,采用ABAQUS有限元软件建立了ISO 834标准火灾作用下钢管混凝土柱抗爆模型。在验证有限元模型可靠性基础上,首先分析了标准火灾作用下钢管混凝土柱抗爆工作机理;其次重点研究了受火时间、材料强度、含钢率以及爆炸当量对构件在标准火灾下抗爆性能的影响。研究结果表明:火灾作用下两端固结的钢管混凝土柱受爆炸荷载时,柱两端首先发生剪切破坏,随后整体发生受弯破坏;随着受火时间增加,钢管耗能占比降低,混凝土塑性变形逐渐成为主要耗能机制;混凝土强度、爆炸当量与轴压比对钢管混凝土柱高温下抗爆性能影响明显,当混凝土立方体抗压强度从30 MPa增加到50 MPa,常温与受火90 min构件抗爆性能分别提高约21%与42%。     

氯盐腐蚀对充填膏体蠕变特性影响的试验研究

为探索充填膏体在经过不同时长氯盐腐蚀后的蠕变规律,采用饱和氯化钠(NaCl)溶液,对养护28天的充填膏体进行干湿循环加速腐蚀试验。采用TAW2000型岩石三轴试验机,将未经腐蚀的试件和经过不同时间腐蚀的试件分别进行不同应力水平的三轴蠕变试验,并对试验结果进行对比分析。在试验基础上,建立了氯盐腐蚀条件下充填膏体的蠕变模型。将一个应变触发的非线性粘壶串联在原来的Poynting-Thomson模型上,建立了一个改进Poynting-Thomson模型。研究表明:在腐蚀早期,经过腐蚀的充填膏体蠕变变形较之未经腐蚀的小;随着腐蚀时间延长,充填膏体的蠕变变形逐渐增大;在长时间腐蚀、高应力水平同时存在的条件下,充填膏体会出现加速蠕变现象。本文建立的蠕变模型与蠕变试验数据吻合较好,能够反映出充填膏体在氯盐腐蚀作用下的蠕变特征。