基于修正混凝土塑性损伤模型的大应变FRP约束混凝土有限元分析

精确的有限元分析(FEA)依赖于材料的准确定义。通过编写用户子程序UMAT实现了大断裂应变纤维增强聚合物(LRS FRP)在纤维方向上拉伸特性的定义。基于Abaqus中混凝土塑性损伤模型的理论框架,提出了一种改进的混凝土塑性损伤模型用于定义LRS FRP约束混凝土的材料特性。这些改进包括:通过LRS FRP约束混凝土的实验数据校准了与屈服准则相关的参数K;硬化/软化准则与约束刚度相关;流动法则与轴向塑性应变相关。采用修改后的材料模型进行FEA,结果表明:FEA预测的应力-应变曲线与实验结果吻合。基于FEA的结果,讨论了矩形柱截面上应力分布的不均匀性,根据约束效果可分为有效约束区域和弱约束区域,且在约束有效区域上应力分布不均匀性随着截面比(长边/短边)的增加而增加。

自复位摇摆双柱式桥墩抗震能力数值仿真分析

自复位摇摆桥墩是震后功能可恢复桥梁的重要结构形式。为研究不同设计参数对自复位摇摆双柱式桥墩抗震性能的影响,以我国首座自复位摇摆桥梁(跨京台高速洪士庄桥)为研究对象,推导了自复位摇摆双柱式桥墩的承载力计算公式;采用ABAQUS有限元软件建立自复位摇摆双柱式桥墩数值仿真模型,基于前期完成的拟静力试验结果验证模型的准确性。考虑预应力筋初始张拉力、耗能部件截面积、预应力筋配筋率等设计参数,分析了其对自复位摇摆双柱式桥墩抗震能力的影响规律。研究结果表明:预应力筋初始张拉力和配筋率增加,桥墩最大抗侧承载力增大,残余位移减小,耗能能力无明显变化;耗能部件截面积增加,桥墩最大承载力、残余位移以及耗能能力均有明显增大。参数分析表明自复位摇摆桥墩可同时具有良好的耗能能力和较小的残余位移,桥墩最大偏移率达4%时残余偏移率为0.56%,此时预应力筋配筋率为0.26%,初始张拉控制应力为极限强度的0.4倍,耗能部件对墩柱水平承载力贡献率为44.4%。研究成果可为自复位摇摆双柱式桥墩抗震能力设计和评估提供参考。

钢管混凝土剪力键抗剪性能研究

采用ABAQUS有限元软件建立了钢管混凝土剪力键数值仿真模型,并基于已有试验结果验证了数值建模的正确性;基于验证的模型,讨论钢管预埋深度、径厚比、抗剪栓钉及剪跨比等对钢管混凝土剪力键抗剪性能的影响,并提出了钢管混凝土剪力键抗剪强度及最小埋深计算方法。研究结果表明:钢管混凝土剪力键接缝直剪强度达到峰值承载力后抗剪强度缓慢下降,具有良好的延性行为。在一定范围内,钢管混凝土剪力键的抗剪承载力随着钢管混凝土剪力键预埋深度增大而增大,随剪跨比增大而减小;钢管截面面积对剪力键的抗剪承载力影响较小;当在钢管混凝土剪力键预埋端设置栓钉后,其抗剪承载力可提高约20%。

FRP约束钢筋混凝土柱中钢筋屈曲行为研究

通过FRP约束钢筋混凝土柱的单向和往复轴压试验,研究了外包FRP的断裂应变、刚度、以及加载方式对钢筋屈曲性能的影响。采用了两种不同的纤维材料：CFRP和PET FRP,二者具有不同的断裂应变（CFRP〈1.5%;PET FRP〉5%）。在试验分析的基础上,发展了考虑FRP侧向约束作用的弹性地基梁模型,该模型能够较好地分析FRP约束钢筋混凝土柱中钢筋屈曲行为。基于弹性地基梁模型和试验数据,提出了考虑FRP侧向约束作用的钢筋屈曲经验模型。并将该模型通过二次开发的方法写入OpenSees数值分析平台,对FRP约束RC柱的往复轴压行为进行数值分析,分析结果与试验结果吻合较好。研究成果可为精确分析FRP约束钢筋混凝土结构的抗震性能提供有力的工具。

高延性FRP加固大尺寸混凝土柱轴压力学性能研究

现有纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土短柱的研究多基于小尺寸试件,对大尺寸试件的研究较少。聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维增强复合材料(PET FRP)和聚萘二甲酸乙二醇酯纤维增强复合材料(PEN FRP)是由回收废弃塑料制成的环保型高延性FRP。高延性FRP具有超过5%的断裂应变,超过传统FRP断裂应变(1.5~3%)。本研究对8个PET FRP约束混凝土圆柱(直径300、400 mm试件各4个)与8个PEN FRP约束混凝土方柱(边长300、400 mm试件各4个)进行轴压力学性能试验,研究构件截面形状、FRP层数等参数对试件轴压力学性能的影响。试验结果表明:高延性FRP约束混凝土柱应力-应变曲线由3个不同的部分组成;部分高延性FRP约束混凝土柱应力-应变曲线第2段出现了下降段,与约束刚度较小有关;相同尺寸的试件,随着高延性FRP层数(厚度)的增加,试件承载力提高,延性更好;对于PEN FRP约束混凝土方柱,在同一轴向变形、高度区域处,环向面应变较环向角应变大,且环向面应变的增加值大于角区域;采用现有高延性FRP约束混凝土柱模型,对约束圆形和方形混凝土柱轴压力学性能提供相对合理的预测。

FRP、钢箱梁斜拉桥抖振性能分析与比较

基于某三跨钢箱梁斜拉桥的设计方案以及静力荷载作用下刚度等效的假设,类比设计了一座FRP斜拉桥。其桥面板、主梁以及斜拉索均采用FRP材料,桥塔采用传统的钢筋混凝土结构。采用谐波合成法模拟了主梁上各点的随机脉动风速时程,基于准定常假定,将脉动风速时程转化为抖振力时程,采用ANSYS软件对FRP斜拉桥进行抖振时域分析,并与钢箱梁斜拉桥进行对比。结果表明,FRP斜拉桥在抖振载作用下主梁竖向刚度与钢箱斜拉桥相比,有一定程度的减小,但FRP斜拉桥的竖向位移只是略有增加,总体易满足位移限值的要求。

大应变FRP加固连续梁桥地震易损性分析

为评估地震作用下大应变纤维增强聚合物(large rupture strain fiber reinforced polymer,LRS FRP)加固桥梁的抗震性能,以一典型三跨连续梁桥为例进行了研究。目前关于LRS FRP约束混凝土往复轴压模型的研究较少,限制了LRSFRP加固桥梁的抗震分析。因此介绍了作者课题组提出的简化LRS FRP约束混凝土往复轴压模型,根据此模型并结合地震易损性分析理论,基于OpenSees平台,采用增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)方法,对三跨连续梁桥在LRS FRP加固前后的地震易损性进行了分析。结果表明:轻微损伤和中等损伤状态下桥梁墩柱基本处于未受损坏的线弹性阶段,LRS FRP加固对其地震易损性影响不大;严重破坏和完全倒塌状态下,未加固桥梁的损坏超越概率明显大于LRS FRP加固的桥梁。提出的简化LRS FRP约束混凝土往复轴压模型可为LRS FRP加固桥梁的抗震分析提供参考。

树脂基复合材料内部离面位移场和应变场分布的动态测量

为了快速动态测量树脂基复合材料内部的受力变形情况,利用光学干涉谱域相位对照B扫描方法,对存在孔洞缺陷的树脂基复合材料样件内部的离面位移场和应变场进行了测量。分别对机械载荷和热载荷作用下的复合材料样件进行了弯曲变形和热变形实验,然后对实验中得到的相位差数据进行解卷绕,计算得出了材料内部的离面位移场分布和应变场分布。实验显示:得到的结果能够清晰反映复合材料内部缺陷周围受力变形的动态过程,观测到的材料应力集中区域的位移和应变明显大于完好部分,透视得到了测量材料表层以下1mm连续深度的变形情况。该方法能够实现亚微米级的位移场测量精度,并可对材料的变形过程进行动态测量,是一种进行材料力学特性分析的有效手段。

基于概率密度最小二乘拟合的叶片后缘轮廓

为了解决燃气轮机叶片后缘轮廓的测量和模型化的难题,采用了基于概率密度的最小二乘圆拟合方法,通过对数据重复拟合过程若干次,求得每组的拟合圆心坐标和半径,以概率密度分布的最大值作为最优拟合值。通过数据仿真,对拟合数据误差进行了理论分析和实验验证,验证了该方法的可行性和鲁棒性。结果表明,实现了对叶片后缘轮廓的拟合和数据的参量估计,精度达到±0.01mm,求得圆拟合的最优圆心坐标和半径;对于直线段和短圆弧组合的叶片后缘,在不知切点和圆弧方程的情况下,能够对叶片后缘轮廓拟合。此方法对叶片后缘轮廓的高精度测量、加工精度以及参量的设计有着重要的指导意义。

基于XGBoost-SHAP的钢管混凝土柱轴向承载力预测模型

为了可靠、准确地预测钢管混凝土(CFST)柱的轴向承载力,建立和解释集成机器学习的CFST柱轴向承载力预测模型.使用马氏距离评估CFST柱数据库质量,通过极限梯度提升(XGBoost)算法建立CFST柱轴向承载力预测模型,使用K折交叉验证(K-Fold CV)和树结构概率密度估计(TPE)算法寻找模型的最优超参数组合.采用不同评价指标将优化后XGBoost模型的预测值与已有方法和未优化XGBoost模型的计算值比较.使用SHAP方法给出XGBoost模型预测结果的整体和局部的解释.结果表明,经过超参数调整优化的XGBoost模型的性能超越了相关规范和经验公式的性能,且SHAP方法能够有效地解释XGBoost模型的输出.

相衬光学相干层析在无损检测领域的应用

光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)作为一种具有微米级分辨率和毫米级量程的层析成像技术,可用于透明/半透明物体(如聚合物材料、陶瓷材料、复合材料等)内部微观结构信息的探测与成像。在结合了相衬方法后,该技术还可利用干涉信号的相位敏感特性,实现纳米级位移场与微应变级形变场的高灵敏度测量,用于材料内部全场力学行为的表征与测试。在近十余年发展中,相衬OCT已逐渐成为无损检测领域的研究热点,受到了国际相关学者的广泛关注。本文旨在介绍相衬OCT基本原理及其在检测领域典型应用(包括多层结构热变形场层析测量、聚合物内部固化过程可视化监测、材料内部微缺陷高灵敏辨识等)的基础上,对其未来发展进行探讨与展望。

动态透视测量铁氧体/聚苯硫醚复合材料内部温度-离面位移场

使用相位对照B扫描方法,对温度变化过程中的曲面轮廓铁氧体/聚苯硫醚复合材料样品,进行内部离面位移场动态透视测量。实验测得了从37℃降温至34.5℃过程中,曲面材料表面及表面以下60μm深度区域发生的离面位移变化情况。材料温度变化较快处,发生了2.3μm的离面位移;温度变化较慢处,发生了1.7μm的离面位移。实验研究表明:相位对照B扫描方法具有测量速度快、轮廓测量和位移场测量分辨率高等优点,为电磁吸波材料的力学性能测试提供了一种有效手段,具有很好的实用性和应用前景。

HFRP管约束超高性能混凝土的本构模型

为了研究混杂纤维增强聚合物(hybrid fiber reinforced polymer,HFRP)约束超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)圆柱体的轴压特性,通过36个圆柱体轴压试验,测定了应力-应变全曲线.试验结果表明:已有的几个有代表性的强度和极限应变预测模型并不适用于HFRP管约束UHPC,因此,考虑了纤维混杂种类对约束效率的影响,提出了新的强度与极限应变的公式,其预测精度较高;已有几个代表性的应力-应变本构模型预测曲线比实测曲线偏低,提出了双线性的本构模型,理论曲线和试验曲线吻合良好,模型表达式简单,便于设计人员使用.

自复位U形钢板耗能支撑设计与滞回性能分析

为控制地震作用下结构的残余变形,提出了一种自复位U形钢板耗能支撑,采用组合碟簧作为复位系统提供复位能力,将U形钢板作为耗能系统提供耗能能力.在耗能系统和复位系统的双线性弹性模型基础上,建立了支撑恢复力模型,并对支撑进行数值模拟,分析不同设计参数对支撑滞回性能的影响.结果表明,自复位U形钢板耗能支撑具有稳定的耗能能力和良好的自复位能力,且耗能能力随U形钢板宽度的增加而增强,复位能力随组合碟簧初始预压力的增大而增强,建议将组合碟簧的预压力取值为大于耗能系统的屈服强度且小于耗能系统的极限强度.

基于大应变FRP的自复位摩擦耗能支撑抗震性能研究

为了降低地震对工程结构的影响,消耗地震输入的能量,同时尽可能减少结构的残余变形,提出了一种基于大应变纤维增强聚合物的新型自复位摩擦耗能支撑。首先阐述了支撑的设计过程与工作机理,并对其相关参数进行了研究,评估了关键参数对支撑性能的影响;然后对支撑进行了拟静力试验(试验共包括3组工况),通过分析各工况中支撑力-位移曲线,验证了支撑的耗能能力与自复位能力;最后基于ABAQUS软件平台对支撑进行了数值模拟。试验与数值模拟结果均表明,将LRS FRP应用在自复位摩擦耗能支撑中具有良好的耗能效果和一定的自复位能力,在工程结构抗震加固中有潜在的应用可能性。

非线性波数域的高分辨扫频干涉层析成像

提出一种用于波数扫频干涉技术的超分辨层析重构方法,该方法适用于波数非线性采样情形。通过在非线性波数域中构造干涉频谱稀疏优化模型,在此基础上采用干涉频谱矩阵优化方法分离混叠层析干涉信号的相位场,解决因光源扫频带宽有限而导致的层析分辨能力不足问题。数值仿真计算出本文方法的层析分辨率为3.8μm,在光源同等带宽前提下,比传统变换域方法提升了87%。双层结构材料轮廓重构实验验证了本文方法的有效性。

水体中氯酚检测方法研究

氯酚类物质是一种有机难降解污染物,本文研究了采用液液萃取的前处理技术和GC-MS分析技术,建立检测水体中氯酚类物质的方法。结果表明:单氯酚、二氯酚、三氯酚、四氯酚和五氯酚标准曲线线性良好(0.998 4~0.999 9),方法检测下限分别为0.1、0.2、0.2、0.2ng/L和0.5ng/L。该方法简单快速、自动化程度高、试剂用量少,能够满足水体中氯酚快速高效的检测需要。

一种高分辨率3维图像的自适应降噪算法

为了获得高保真3维图像,采用了一种针对高分辨率3维图像的自适应均值降噪算法。首先使用一种由激光器、高分辨率3维相机、直线电机和计算机等设备组成的线激光高精度3维测量实验系统对自然纹理皮革进行测量。然后针对系统测量所得的高分辨率3维自然纹理图像(每英寸点数大于1000),进行了理论分析和实验验证,取得了降噪后的高保真3维图像数据,并与传统的均值滤波、小波变换滤波的降噪效果进行对比。结果表明,该算法能自动选取最优的降噪窗口,有效地去除3维图像的噪声信息,并保留高分辨率图像丰富的边缘、细节信息,最终得到高保真的高分辨率3维自然纹理图像。该实验结果对于高分辨率图像的降噪问题是十分有帮助的。

预应力连接预制节段桥墩拟静力试验数值仿真分析

预应力连接预制节段桥墩已在美国低震区桥梁中得到较多应用,但在我国的工程应用甚少。由于预制节段桥墩的震害资料缺乏,震害经验不足,且其抗震机理不明确、设计方法不完善,在强震区较少应用。该文基于预应力连接预制节段墩柱缩尺模型的拟静力往复试验测试,采用有限元分析软件ABAQUS建立其精细化数值模型,进行了单向、斜向往复荷载作用下墩柱拟静力试验数值仿真,将桥墩的损伤特征、滞回行为、墩内竖向预应力和预制节段间接缝开口量与试验测试结果进行了对比分析。结果表明:该文建立的预制节段桥墩数值模型可较好地再现拟静力试验结果,试验和模拟结果均表明斜向加载的预制节段墩柱较单向加载的构件损伤更为严重,构件屈服更早,残余位移较大,墩柱最大偏移率达4%时其残余偏移率已超过1%。常规设计中桥墩按纵桥向或横桥向单向抗震设计偏于不保守,特别是考虑震后功能可恢复或可修复时建议考虑多向地震作用影响。

PEN纤维束动态拉伸力学性能研究

分别采用MTS万能试验机和落锤冲击系统对PEN纤维束进行1/600、80和160s-1应变率下的静动态拉伸试验以研究应变率效应对PEN纤维束拉伸力学性能的影响。试验结果表明,PEN纤维束的抗拉强度和弹性模量随着应变率的增大而提高,而断裂应变随着应变率的增大而减小。为了进一步分析纤维束抗拉强度在不同应变率下的分布规律,基于二参数Weibull分布模型,对纤维束在不同应变率下抗拉强度的离散性进行量化。结果表明,随着应变率的增加,Weibull模型的尺寸参数随之增大而形状参数呈现出降低的趋势。