多因素耦合的混凝土结构硫酸盐传输多尺度模拟分析

提出一种能考虑多因素耦合的混凝土结构硫酸盐传输多尺度模拟分析方法。基于Fick第二定律与化学反应动力学提出一种同时包括离子浓度梯度作用、考虑离子活性的化学反应消耗、钙溶蚀、钙矾石膨胀、温度等多因素耦合的硫酸盐传输模型。首先,将混凝土结构等效为一种匀质材料,从宏观尺度研究匀质混凝土结构硫酸盐传输规律,通过与试验结果对比,验证传输模型的有效性。然后,基于Monte Carlo方法和Fuller级配曲线,建立能够真实反映混凝土随机性与非均质性的随机骨料混凝土模型,从细观尺度研究在随机粒径和位置的骨料影响下混凝土结构硫酸盐传输特征。研究结果表明:当外界硫酸根离子质量分数越大、温度越高、孔隙溶液中钙离子浓度越大时,混凝土中硫酸根离子质量分数显著增大。钙溶蚀固液平衡转化比其导致的混凝土孔隙率改变对硫酸根离子传输的影响更显著;此外,细观尺度下的硫酸盐传输模型很好体现了骨料的粒径和位置的随机性导致的硫酸根离子浓度分布呈现的随机性与不均匀性现象,同时,骨料的存在使得靠近侵蚀边界的骨料外侧硫酸根离子聚集偏多,远离侵蚀边界的骨料外侧硫酸根离子质量分数偏低。

混凝土桥塔日照温度效应分析

在温度与应力、变形不耦合,混凝土热物理性能不随温度变化的假定条件下,利用天文参数和气象资料推导出混凝土桥塔热交换边界条件;以大型有限元通用软件ANSYS为平台编制相应的热力耦合分析程序,计算出混凝土桥塔在日照温度效应下的温度场和应力场,分析其分布规律;并将计算值与实测值比较.计算结果表明,温度的实测值和计算值差异较小,采用的计算方法能够满足工程实际的需要;太阳辐射强度是影响截面温度分布的最主要因素,桥塔截面上某点的温度分布日时程曲线大致呈S形;截面形状对温度场的分布影响较大,截面突变、畸角部位温度拉应力相对其它部位较大.

钢筋混凝土拱桥极限承载力的参数分析

采用空间有限元模型,研究了活荷载分布方式、拱圈混凝土的强度、拱圈面内的抗弯刚度、矢跨比和初始几何缺陷等参数对钢筋混凝土拱肋极限承载力的影响。研究结果表明:拱圈混凝土的强度、拱圈面内的抗弯刚度和矢跨比是决定大跨度钢筋混凝土拱桥极限承载力的3个关键设计参数;初始几何缺陷会降低结构的极限承载能力,但降低的程度很小,一般情况下可以忽略该参数的影响;矢跨比在一定范围内取值时,随着矢跨比的降低,钢筋混凝土拱桥的极限承载能力也随之减弱,且不同的矢跨比取值范围对极限承载力的影响程度不同。

中小跨径桥梁结构形式优选

为了确定中小跨径桥梁合理的截面形式,以达到安全、经济、耐久的要求,以40m的跨径为例,提出了两种组合梁和一种预应力混凝土T梁方案。首先分析了两种组合梁的受力,在受力满足要求的基础上,分别计算3种方案上、下部结构的材料用量和经济性指标,最后对3种断面形式的造价进行了比较。结果表明:在采用合理断面形式和截面尺寸情况下,组合梁相对预应力混凝土T梁的造价与墩高有关,随着墩高的增加,两者的造价差异减小,墩高达到60m左右,两者造价相当;在保证应力水平不变的情况下,通过增加下翼缘的板厚可有效降低组合梁的梁高。

大跨径钢筋混凝土拱桥极限承载力分析

以马蹄河特大桥(上承式钢筋混凝土拱桥)为工程背景,分析了钢筋混凝土拱桥的第一类弹性稳定问题,研究不同加载方式、矢跨比、拱圈面内抗弯刚度对第一类稳定的影响。对该桥在恒载作用下的第一类弹性稳定问题、第二类弹性稳定问题(几何非线性问题)和第二类弹塑性稳定问题(极限承载力问题)进行了对比分析,并对达到极限荷载时的破坏形式和破坏过程进行了分析。

非饱和混凝土氯离子传输细观研究

为研究非饱水状态混凝土中氯离子的侵蚀问题,根据混凝土在干湿循环过程中的水分迁移特点,考虑混凝土中氯离子传输的影响因素,推导出非饱水状态下水分-氯离子传输的对流-扩散耦合方程.融合氯离子侵蚀数值模型与细观随机混凝土模型,总结得到了非饱水混凝土中氯离子传输的一般规律.研究结果表明:受骨料的影响,物质传输路径和含量梯度方向变得复杂;混凝土骨料对氯离子含量有较大的影响,且氯离子含量分布存在聚聚效应;不同于混凝土表层,由于对流和扩散的共同作用,靠近内部区域的氯离子含量在湿润过程中上升,在干燥过程中下降,湿润过程中骨料周围的氯离子含量聚聚效应更加显著.文中成果可为研究非饱水状态混凝土中氯离子的传输机理提供参考.

半漂浮宽箱混凝土斜拉桥剪力滞效应研究

以某半漂浮宽箱混凝土斜拉桥为例,采用MIDAS/Civil软件建立有限元模型,分析了施工阶段和成桥移动荷载作用下箱梁的剪力滞效应,并进行了纵桥向和横桥向的对比分析。结果表明:半漂浮体系斜拉桥混凝土箱梁剪力滞效应沿纵桥向有明显的分区效应;施工阶段和移动荷载作用下箱梁的剪力滞效应沿纵桥向和横桥向均呈现较大的规律性,即纵桥向在支点和桥塔附近箱梁剪力滞明显,横桥向剪力滞系数曲线在不同截面处呈现出不同的曲线形状。

横撑数量对钢箱提篮拱桥动力响应的影响分析

以一座实桥为工程背景,建立有限元模型进行自振频率及时程分析,研究横撑数量对钢箱提篮拱桥动力响应的影响。对计算结果进行对比分析得出:通过自振频率的分析,发现随着横撑数量的增加,实桥的面外刚度(横桥向刚度)有明显增大,同时面内刚度有微弱减小;经时程分析,减小地震响应的主要目标是控制此桥的横桥向位移,而采用7根横撑或是9根横撑将会非常明显地减小横桥向位移。

大跨径钢筋混凝土拱桥悬臂浇筑施工控制

分析了拱桥主拱圈斜拉扣锚悬臂浇筑施工体系的结构特点,总结了拱桥悬臂浇筑施工扣、锚索力的确定方法,分析了零位移法、定长扣索法、影响矩阵法与零弯矩法的优缺点与适用性。基于净跨径为180m的钢筋混凝土拱桥——马蹄河大桥的设计与施工方案,分析了大跨径钢筋混凝土拱桥主拱斜拉扣锚悬臂浇筑施工的全过程,采用零弯矩法进行索力求解,并在最大悬臂施工阶段采用以拱圈弯曲能量为目标函数的影响矩阵法对索力进行了优化。分析结果表明:在拱桥斜拉扣锚悬臂浇筑施工中采用零弯矩法是最直接有效的控制方法;整个施工过程中拱圈截面由部分受拉逐渐进入全截面受压,拱圈线形与应力满足设计要求;拱圈上、下缘拉应力不超过1.5MPa,压应力不超过7.0 MPa,拱圈位移不超过10mm;对最大悬臂施工阶段进行索力优化可以进一步调整拱圈线形,并改善主拱圈受力状态,通过调整可以使拱脚接近"零"应力状态;悬臂浇筑施工阶段的稳定性与扣、锚索系统的关系密切,合理的扣、锚索系统同时控制拱圈的内力、线形与施工阶段的稳定性;扣、锚索拆除顺序的不同对合龙后的拱圈应力影响较大,因此,施工时应注意对扣、锚索系统拆除程序进行优化。研究成果成功解决了国内悬臂浇筑施工的最大跨径钢筋混凝土拱桥的施工方案设计与施工控制问题,并可供大跨径拱桥结构设计与施工控制参考,以期推动大跨径钢筋混凝土拱桥悬臂浇筑技术的发展。

二维细观随机混凝土模型的建立和应用

为了建立细观随机混凝土模型,将混凝土假定为由粗骨料和水泥砂浆组成的两相复合材料,根据常用骨料的类型,将其分别假定为圆形、椭圆形、凸多边形3种截面形状,分别给出了二维卵石和碎石骨料的随机投放算法,并利用MATLAB软件编制了相应程序,从而实现了细观层次随机混凝土模型的数值计算。为了使MATLAB生成的随机混凝土模型能被有限元程序调用,并对混凝土物理力学性能作进一步分析,研制了fig2dxf程序,将MATLAB中图形文件转换为.dxf格式,实现了随机骨料模型与有限元软件的无缝对接。研究结果表明:建立的随机骨料模型既满足骨料体积的等效性,又保证了骨料粒径的随机性,骨料含量水平较高;圆形和椭圆形随机混合骨料更符合随机性要求和实际情况;凸多边形骨料随机投放算法简单,同时巧妙地消除了多边形骨料的尖角;利用常用的有限元软件ANSYS等对生成的随机骨料进行网格划分的效果较好;用建立的模型生成标准混凝土试件符合规范要求,并能满足有限元细观分析的需要,为进一步研究混凝土细观物理、力学性能提供了可靠基础。

东沙大桥荷载试验研究

荷载试验是目前定量检测桥梁结构质量最直接有效的方法和手段,文章详细介绍了南通市东沙大桥静载、动载荷载试验的方法，得到了主梁竖向位移、主梁纵向位移、主塔塔顶横向偏位和自振特性与模态等数据。对比理论值与实测值可知，主梁和主塔在设计荷载作用下均处于弹性工作状态，结构基本动力性能指标良好，结构强度和刚度满足设计要求，试验结果可供该桥使用阶段的结构监测和运营管理参考。

饱水混凝土氯离子侵蚀数值试验随机细观分析

为研究饱水状态混凝土中氯离子侵蚀的规律,首先基于Fick第二定律,在前人研究的基础上推导出综合考虑混凝土劣化、荷载作用、混凝土对氯离子的结合作用、温度、混凝土内部相对湿度、氯离子扩散的时间依赖性、离子静电场作用和表面氯离子浓度影响的新扩散方程。然后针对氯离子侵蚀的随机性,建立混凝土随机细观模型,并将氯离子侵蚀宏观数值模型与混凝土随机细观模型融合,提出混凝土氯离子侵蚀的随机细观研究新方法。通过编制相应的MATLAB程序,可生成任意骨料含量并满足不同级配要求的随机混凝土试件,并编制程序将MATLAB生成的.fig格式图形文件转换为通用的.dxf格式,以便于建立的模型可被有限元软件调用。最后,通过对105个混凝土随机试件进行氯离子侵蚀数值试验模拟,采用概率和数理统计的研究方法,总结出混凝土中氯离子侵蚀的一般规律。研究结果表明:细观层次上的物质传输浓度分布和数值上与宏观层次都有显著区别,氯离子在混凝土中的传输具有显著的随机性,相同骨料含量的混凝土试件在同一深度的氯离子含量是随机变量,骨料对氯离子传输具有显著的阻碍作用,骨料改变了氯离子在混凝土中的传输路径,氯离子分布在骨料周围有绕流现象,试件某一深度处的氯离子浓度近似服从正态分布。

混凝土三维细观随机模型的建立和有限元剖分

将混凝土假定为由骨料和砂浆组成的两相复合材料,研究了球形、椭球形和两者混合体的边界和干涉判断数学条件;设计了球形、椭球形骨料随机投放算法,并利用MATLAB编制相应程序,生成了混凝土细观层次三维随机几何模型;采用相邻骨料颗粒中心距判断球形骨料的干涉关系,利用一个椭球上任一点与另一个椭球形心连线构成的直线段上的任一点与该椭球的关系判断椭球形骨料的干涉关系,将两椭球之间的干涉关系转化为一点与椭球的关系;基于MATLAB平台开发了mat2scr2017程序,将MATLAB中的图形文件数据读入SCR脚本文件中,将mat2scr 2017程序生成的随机骨料模型转化为AutoCAD图形文件,并导入有限元软件COMSOL Multiphysics中剖分混凝土几何模型有限元网格。研究结果表明:建立的随机骨料模型的骨料体积率可达到50%,骨料粒径和投放位置均满足随机性要求;椭球形随机骨料投放算法简单、高效,且能保证椭球自身倾角的随机性;模型适用于任意级配混凝土的生成,对连续级配混凝土骨料的逐级随机投放保证了各级配骨料的体积率;实现了MATLAB图形向AutoCAD图形的转换,极大地提高了混凝土随机骨料模型的通用性;所建混凝土模型网格剖分满足骨料、砂浆交界处网格一致性要求,满足有限元分析的需要。