断裂能与统一损伤加载面描述的混凝土本构模型

构建一个混凝土损伤本构模型,研究目的为解决现有模型中存在的损伤演化、双轴强度与网格尺寸依赖性问题。基于试验观察,提出符合实际的压缩损伤演化方程;在不可逆热力学的框架下,利用当量转化应力状态的方法,在应变空间构造统一损伤加载面,以表达混凝土的双轴强度;借助断裂能对损伤阀值正则化的方法,以合理反映应变软化过程中的能量耗散,并达到消除网格尺寸依赖性之目的。采用编制的程序,对单轴与双轴加载、四点弯非比例加载等混凝土试验进行数值计算,验证了模型的合理性与有效性。研究结果表明:模型不仅解决了上述存在的问题,而且具备在较复杂应力路径下预测结构的承载力、变形及裂缝扩展的能力,可为混凝土结构的定量评价提供支持依据。     

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土疲劳损伤初探

主要讨论 CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土调整层在反复荷载作用下的疲劳损伤特性,根据自密实混凝土损伤本构关系,分析了自密实混凝土疲劳损伤演变过程和几种疲劳寿命S-N曲线。在反复荷载作用下,由于自密实混凝土某些区域存在交变应力或复杂应力区域而容易发生疲劳损伤,最后计算并验证了其疲劳损伤主要集中在自密实混凝土自身微缺陷处和调整层端部边缘处。     

混凝土塑性损伤模型在无砟轨道非线性分析中的应用

为满足无砟轨道非线性损伤分析及长期服役性能研究的需求,基于混凝土塑性损伤本构理论和CA砂浆劈裂抗拉试验结果,建立可考虑无砟轨道各组成结构材料非线性损伤的有限元分析模型。主要考虑温度和列车荷载作用,对比分析塑性损伤模型与线弹性模型对计算结果的影响。结果表明:当无砟轨道结构的受力变形较小时,非线性塑性损伤模型与线弹性模型的计算结果相差不大;当无砟轨道升温幅度超过30℃、正温度梯度超过60℃/m或列车荷载大于225 kN时,两种模型的计算结果开始产生差异且随着荷载的增大而不断扩大。配筋的塑性损伤模型与现场实际结构和材料属性较为相符,可为无砟轨道非线性分析、塑性变形及损伤累积效应分析、长期服役性能研究等提供参考。     

隧道衬砌弹塑性损伤模型建立与应用研究

研究目的:《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)虽然已经施行多年,但还未见有文献运用其中的混凝土损伤本构关系对工程结构进行数值模拟计算的实例,这无疑是工程设计领域的一种不足或缺陷。因此,通过理论推导建立动载长期作用隧道衬砌结构弹塑性损伤模型,并进行二次开发及损伤模型验证是必要的。研究结论:(1)根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中建议的混凝土损伤本构关系方程,推导并建立了微分形式的拉、压损伤演化方程;(2)编写了混凝土弹塑性损伤本构模型的相应计算程序,并在有限差分软件FLAC3D软件平台上进行了二次开发及损伤模型验证;(3)采用开发的混凝土损伤模型对高速铁路隧道在不同行车速度和不同围岩级别下的动力响应进行了系统的分析计算,通过结构的损伤分布直观地了解衬砌结构的受力特点及损伤特性,明确结构的危险部位;(4)本研究成果可对动载长期作用下弹塑性损伤隧道设计提供指导。     

玻璃、碳纤维布加固短纤维改性混凝土梁的性能研究

提出一种对纤维改性混凝土构件用碳纤维布与玻璃纤维布混杂加固的新方法,通过建立不同材料本构方程,对单层及双层加固模型做了非线性有限元数值计算。分析了在不同加固形式下,加固梁弯曲刚度及初裂荷载与极限荷载情况,将计算结果与试验结果进行了对比。结果表明非线性有限元计算与试验吻合较好,混凝土中掺入杜拉纤维和钢纤维,可以延缓混凝土构件微裂缝的出现,提高混凝土材料的强度。同时,混杂加固具有良好的混杂效应,碳纤维布高强度的特点得到充分发挥。     

高速铁路隧道基底混凝土结构的随机损伤模型

基于热力学原理与能量耗散原理,针对高速铁路隧道基底混凝土结构"拉—压—拉—压"反复受力特点,定义双标量损伤变量,引入硬化函数,建立混凝土受拉、受压条件下基于修正弹塑性亥姆霍兹自由能的随机损伤本构模型。在有效应力空间,根据塑性力学正交法则推导损伤变量的演化法则;在概率密度演化方程求解的基础上,建立"弹性预测—塑性修正—损伤修正"数值分析算法,并进行程序二次开发,实现对随机损伤本构模型的求解。通过与混凝土单轴拉伸、单轴压缩室内试验结果对比,验证所建立随机损伤本构模型的准确性和适用性。该模型既可在均值意义上反映混凝土受拉、受压的应力—应变关系,也可以在概率意义上模拟其离散范围,较为全面地反映了混凝土受力行为的非线性与随机性;可用于计算分析隧道基底混凝土结构的损伤演化规律及损伤疲劳寿命。     

混凝土弯曲疲劳累积损伤性能研究

本文在室内混凝土试件弯曲疲劳试验的基础上，研究了素混凝土受弯试件在变幅重复荷载作用下的弯曲疲劳累积损伤性能，在对试验结果分析的基础上，证明了变幅疲劳荷载的大小和加载顺序对混凝土弯曲疲劳破坏有较大的影响，当疲劳荷载由小变大时，累积损伤量大于１，当疲劳荷载由大变小时，累积损伤量小于１，Ｐ－Ｍ线性累积损伤准则不适于混凝土弯曲疲劳破坏，同时验证了非线性疲劳累积损伤理论的合理性。     

基于OpenSees的RPC桥墩拟静力数值模拟与参数分析

为探讨RPC桥墩在拟静力荷载作用下的延性抗震性能,本文基于OpenSees计算平台,选取Concrete02本构关系和Steel02本构关系,结合非线性梁柱单元和零长度单元,建立考虑墩底纵筋滑移的滞回分析模型。3个常轴力作用下的RPC桥墩水平反复加载滞回试验结果与数值模拟的对比分析表明:基于适当的参数取值,应用OpenSees中既有材料本构关系和单元类型能够较好模拟RPC桥墩的骨架曲线和滞回曲线,并能反映构件在反复加载过程中强度和刚度的退化。在此基础上运用OpenSees分析轴压比、纵筋率和水平荷载加载方向等参数对RPC桥墩延性抗震性能的影响。     

高温荷载下植筋加固CRTS Ⅱ型板式无砟轨道变形及损伤规律

采用拉拔试验,研究不同强度等级混凝土基材内销钉与混凝土的黏结应力-滑移本构关系,并将其应用于植筋加固CRTS Ⅱ型板式无砟轨道有限元模型,分析高温荷载作用下植筋加固对无砟轨道变形及损伤的影响规律.结果表明:销钉与混凝土的黏结性能与混凝土强度有关,C30混凝土和C55混凝土试件中销钉与混凝土的黏结应力-滑移本构关系分别可...     

客货共线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道疲劳寿命预测

针对客货共线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道的疲劳寿命问题,采用有限元软件,通过应力等效原理及列车运行速度确定了室内混凝土疲劳试验的加载值和加载频率;在各组合工况下对混凝土试件进行重复加载,分析了抗折强度和动弹性模量的关系,确定采用动弹性模量衰减幅值来评价混凝土疲劳寿命;将试验结果拟合为混凝土损伤曲线,并基于Palmgren-Miner疲劳累积伤损准则得到不同荷载作用下轨道板疲劳寿命预测值。结果表明:混凝土动弹性模量和抗折强度之间存在良好的相关性;荷载频率越低或应力水平越高,混凝土损伤发展速度越快;忽略其他荷载耦合作用时,客车荷载作用下轨道板的疲劳寿命约为货车荷载作用下的2倍,而客、货车荷载交替作用下无砟轨道的疲劳寿命则介于上述2种荷载作用之间。     

原状湿陷性黄土的结构性本构模型

研究目的:黄土的应力和含水率状态对应着一定的结构状态,微观结构性的改变,引起宏观力学性状的改变。湿陷性黄土在力与水的共同作用下,产生原生结构性的损伤和湿陷变形,对增湿和加荷耦合作用下的结构性变化规律,应力应变关系和增湿变形等力学特性的研究有重要的意义。研究结论:不同含水率和固结围压条件下原状结构性黄土的应力应变变化规律,以及由增湿、固结作用和剪切变形反映了土体结构性损伤规律;统一考虑增湿和加荷对土体结构的损伤破坏,建立的反映结构性变化的非线性本构模型,能够描述应变软化和硬化型应力应变关系曲线,实现了土的结构性与其本构模型研究的统一。     

钢筋混凝土截面损伤分析与检测

以平截面假定和截面力平衡关系为基础,导出钢筋混凝土双向压弯截面含损伤变量的割线刚度、切线刚度矩阵。将截面受压混凝土分成若干四边形,用高斯数值积分完成每个四边形的积分,截面含损伤变量的刚度等于各四边形积分之和。对截面进行了全过程损伤分析,并进行钢筋混凝土梁损伤试验,用冲击回波法检测垂直裂缝,试验检测结果与理论分析结果较吻合。     

基于疲劳驱动力能量损伤参数修正的非线性疲劳寿命预测

针对疲劳驱动力能量模型中变幅载荷间交互因子难以确定的问题,考虑载荷大小次序、载荷间的干涉以及疲劳损伤程度等因素对变幅载荷作用下损伤累积规律的影响,在引入能量准则确定损伤参数的基础上,将变幅载荷应力比、载荷循环比、疲劳损伤程度引入载荷间交互因子的计算,建立分别采用载荷循环次数比和实时疲劳损伤对交互因子进行修正的改进非线性疲劳寿命预测模型。根据Q235B和铝合金2种常用材料的焊接接头在多级变幅载荷作用下的试验数据,对改进的疲劳寿命预测模型的预测能力进行验证。结果表明:在变幅载荷作用下,改进的疲劳寿命预测模型能有效地对焊接结构的疲劳寿命进行预测,相比其他模型更接近于试验结果,且模型中仅含有2个比较容易通过试验确定的常规参数,无需引入其他参数,便于应用于实际工程结构的分析及设计。     

持续荷载作用对粉煤灰混凝土冻融性能的影响

在不施加和施加持续荷载条件下,进行不掺和掺20%,40%粉煤灰的混凝土冻融试验,研究持续荷载作用对粉煤灰混凝土抗冻性能的影响。试验结果表明:与不施加持续荷载试件对比,施加持续荷载作用后粉煤灰混凝土的抗冻性能降低;粉煤灰掺量存在一临界值,对于C40混凝土,该临界值在20%～40%之间,低于该临界值,粉煤灰混凝土的抗冻性能随着粉煤灰掺量的增大而提高,超过该临界值,粉煤灰混凝土的抗冻性能随着粉煤灰掺量的增大而降低,且持续荷载作用会使该临界值变小;混凝土的抗冻性能存在陡劣点,持续荷载作用会使该陡劣点提前出现。根据试验结果,以陡劣点为阶段分界点,采用回归方法给出能够考虑粉煤灰掺量的混凝土冻融损伤两阶段模型。     

地面堆载作用下盾构隧道管片开裂行为分析

针对盾构隧道管片的非线性响应提出一种基于地层结构法的数值模拟手段,考虑土体、混凝土、钢筋和接触的非线性力学行为,将能够准确描述混凝土受拉压与剪切行为的总应变开裂模型赋予衬砌管片。针对实际工程的数值计算结果能够与隧道沉降及实际裂纹开展特征吻合,验证了该数值分析模型的有效性。引入最大裂缝宽度、开裂因子和开裂率等指标评价及预测衬砌开裂行为。研究结果表明:堆载作用下管环的主要损伤区扩展,深度增加,并萌生出宏观裂纹。基于对上、下行线开裂行为的对比分析可知堆载高度和堆载偏移距离对管片开裂行为有重要影响。     

混凝土腐蚀后列车振动对水下交叉隧道的影响分析

针对联络横通道与主隧道连接形成的交叉隧道结构,利用海蚀条件下衬砌混凝土的经时力学模型和塑性损伤本构模型,考虑高速列车的行驶效应,开展实测高速列车振动荷载作用下,交叉隧道结构在混凝土遭受腐蚀影响后的结构损伤分析。研究表明:列车行驶引起的主隧道压致和拉致损伤主要分布在隧道底部大约130°的区域,且主隧道的拉致损伤程度和范围相对压致损伤更大,拉致损伤最大值约为压致损伤的5.1倍;随着列车行驶速度的增大,隧道的损伤将更加显著,并朝着隧道的中上部位置发展,列车行驶速度从300 km/h提升至350 km/h,压致损伤最大值和拉致损伤最大值分别增加了53%、36%左右;联络横通道的损伤区域主要集中在其边墙和拱部。     

CRTS-I型板式无砟轨道疲劳寿命研究

为研究无砟轨道在列车荷载和环境温度共同作用下的疲劳特性,以CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道为研究对象,建立弹性地基梁-体模型,计算出列车荷载和温度梯度作用下轨道结构的垂向最大应力,并结合普通混凝土结构S-N曲线的疲劳寿命分析方程和CA砂浆在不同温度时的疲劳方程,预测了CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层在规定服役年限内的疲劳寿命。计算表明,对于有限的作用次数,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层受到的最大应力均未超过相应的混凝土强度值。根据各结构层最大应力预测出的相应疲劳寿命表明,CA砂浆在25~30年后将出现疲劳损伤,而在规定年限60年内,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道其他结构层不会出现疲劳损伤,能达到客运专线服役期内的要求。     

U型粘钢加固预应力混凝土梁抗弯性能试验研究

为了探讨不同损伤程度、粘贴钢板厚度和高度、有效预应力大小和加载方式等对粘钢加固部分预应力混凝土梁抗弯性能的影响,进行2片普通钢筋混凝土(RC)梁以及8片部分预应力混凝土(PPC)梁的U型粘钢加固抗弯试验和数值分析。结果表明:采用U型粘钢加固部分预应力混凝土梁能够有效抑制裂缝的扩展,显著提高加固部分预应力混凝土梁的正截面抗弯承载能力;部分预应力混凝土梁损伤后加固,其屈服荷载和刚度较未损伤加固梁均有不同程度的降低;初始有效预应力水平主要影响使用阶段的抗弯性能;非线性有限元模型能够预测U型粘钢加固梁的抗弯行为,计算结果与试验结果吻合较好;在实际工程中建议梁侧面粘贴钢板高度不超过梁高的1/3为宜。     

自锚式悬索桥损伤吊索系统拉力重分布研究

为研究吊索损伤对自锚式悬索桥吊索系统内力的影响机理,以某主跨160 m的混凝土自锚式悬索桥为工程依托,采用非线性静力分析方法,对吊索不同损伤程度下结构的力学响应进行研究。研究结果表明:吊索损伤引起吊索系统的拉力重分布,主要发生在损伤吊索和与之同跨同侧相邻的2根吊索之间,具有相邻性;相较于单根吊索损伤,相邻2根吊索发生损伤后结构的力学响应更为剧烈,且与这2根吊索分别发生损伤引起同侧吊索拉力重分布的叠加效果几乎等效。研究结果可用于自锚式悬索桥损伤索力控制,同时可为损伤吊索监测提供技术指导。     

柴达木盆地冻融、盐蚀环境下混凝土腐蚀机理及耐久性研究

为研究柴达木盆地地区强腐蚀环境下混凝土结构的耐久性,配制与现场土壤腐蚀浓度相近的腐蚀性溶液,对掺加特定外加剂的不同强度等级混凝土试件进行冻融、盐浸循环试验,通过检测试件的电通量、强度损失率、质量损失率等参数研究其腐蚀规律及耐久性。试验结果表明,在强腐蚀环境下,低强度混凝土耐久性较差;掺加抗冻防腐剂后混凝土密实性可提高28%~53%,抗压强度损失率可减小22%~54%;氯盐对混凝土的侵蚀破坏起主导作用;混凝土腐蚀破坏前期表现为盐类结晶膨胀型破坏,后期主要是氯盐溶蚀破坏;混凝土破坏为氯盐和硫酸盐共同腐蚀的破坏效果叠加。根据试验结果及腐蚀机理,提出强腐蚀环境下考虑设计、施工、养护的混凝土结构耐久性综合设计方案。