单向受拉状态下的钢纤维混凝土本构模型

在混凝土中添加随机分布的钢纤维能有效提高混凝土力学性能。为了更好地考虑纤维对单向受拉状态下钢纤维混凝土(SFRC)的增强作用,提出一个钢纤维混凝土的弥散开裂本构模型。在弹性阶段,纤维混凝土被视为简单复合材料,基于两相复合材料理论,对SFRC的弹性刚度矩阵进行修正;在受拉开裂后,混凝土的塑性变形量被视为纤维与混凝土界面脱粘过程中滑移量,利用粘结滑移模型计算纤维在混凝土开裂面上的桥接作用。该文通过有限元软件ABAQUS中子程序二次开发接口Umat,进行Fortran编程,在ABAQUS中实现该本构模型。通过数值模拟结果与受拉实验数据进行对比,验证了该本构模型的准确性。通过数值模拟分析,进一步探究钢纤维混凝土相关参数对抗拉性能的影响,为钢纤维混凝土在实际的工程中的应用提供建议。

不同体积掺量的钢纤维在混凝土中的分布研究

为研究不同体积掺量的钢纤维对钢纤维自密实混凝土中纤维分布和取向的影响,配制了4种不同纤维体积掺量的纤维自密实混凝土,首先探究了新拌混凝土的流变性质与纤维体积掺量之间的关系,同时分析了梁试件切割面上的纤维分布.考虑纤维体积掺量对新拌混凝土流变性质的影响,采用ANSYS CFX软件模拟了具有4种不同纤维体积掺量的新拌混凝土的流动.基于模拟得到的混凝土速度场,将纤维视为刚性连接的数个球形粒子,通过求解刚体动力学方程计算了纤维的运动.通过与试验结果对比发现,本文提出的模拟方法能较好地确定纤维在混凝土中的分布与取向;模拟结果表明,随着纤维体积掺量的增加,纤维在梁竖直方向的离析程度减小,相反地,纤维与梁轴向的取向角度增大.

钢纤维自密实混凝土梁抗弯性能的数值模拟方法

钢纤维自密实混凝土梁的抗弯性能与钢纤维的取向有密切关系,而基于钢纤维取向对其抗弯性能进行的数值模拟研究较少。借助Moldex3D软件模拟并分析了浇筑完成后钢纤维的取向概率,在此基础上由Final-v11有限元软件建立钢纤维自密实混凝土梁模型并进行数值计算,通过与试验对比结构的荷载位移曲线、裂缝开展过程等方面,验证了该数值模拟方法的有效性。由变参数研究表明,当浇注位置由梁端向跨中移动时,梁的开裂荷载几乎不变,极限荷载和抗弯刚度的减小幅度不断增大。

钢纤维混凝土的本构模型及力学性能分析

为充分研究钢纤维混凝土的力学性能,基于混凝土的弥散开裂模型,并考虑纤维与混凝土之间的黏结作用,建立了新的钢纤维混凝土本构模型.在模型中分两种情况考虑纤维作用,混凝土开裂前,纤维与混凝土完全黏结,服从复合材料理论;混凝土开裂后,将分别考虑混凝土和钢纤维的贡献.通过黏结滑移模型,计算钢纤维在混凝土中脱黏和拔出过程中,纤维对开裂后混凝土的增强作用.采用Fortran编程,利用有限元软件ABAQUS中提供的子程序Umat,将提出的本构模型引入ABAQUS,并用于有限元模型去模拟钢纤维混凝土的拉伸和四点弯曲试验.通过数值模拟结果和试验数据的对比,充分验证了所提出的钢纤维混凝土本构模型的准确性.并对钢纤维混凝土的受拉强度、残余强度、受弯强度以及韧性等力学性能进行详细的分析.

钢筋钢纤维混凝土梁弯矩-裂缝宽度计算方法

为了建立能够预测钢筋钢纤维混凝土梁受力过程中裂缝宽度的力学模型,首先考虑裂缝有效宽度和纤维有效拔出角度确定钢纤维混凝土拉应力-裂缝宽度本构关系,引入断裂力学概念建立了钢纤维混凝土梁截面弯矩-裂缝宽度的计算方法,在其基础上考虑钢筋作用提出一种分析钢筋钢纤维混凝土梁截面弯矩-裂缝宽度的计算方法,它可以模拟梁受弯破坏过程。采用本文方法、CECS 38-2004和RILEM TC 162-TDF中的最大裂缝宽度计算公式对收集到的12根钢筋钢纤维混凝土梁在正常使用条件下的裂缝宽度进行验算,结果表明:CECS 38-2004和RILEM TC 162-TDF的计算结果偏于保守且离散性较大,本文方法能够有效预测梁受力全过程裂缝宽度,计算精度高且变异系数小,为钢纤维混凝土结构裂缝控制提供理论依据。

单向受拉状态下钢纤维混凝土的二次峰值强度

不同于普通混凝土在单向受拉实验中的仅有唯一峰值强度,在大量钢纤维混凝土拉伸实验的应力应变曲线中均出现了两次峰值强度现象。本文采用黏结滑移模型考虑纤维在混凝土开裂面上的桥接作用,确定了钢纤维轴向应力与裂缝宽度之间的关系。钢纤维混凝土开裂后,将基体的软化模量与纤维增强作用的切线模量之和,作为判断第二峰值的依据。该值始终为非负时,钢纤维混凝土的应力-应变曲线具有唯一峰值强度;否则,应力-应变曲线中将具有二次峰值强度,并提出了钢纤维混凝土峰值强度的三种可能情况。建立了有限元模型以模拟钢纤维混凝土的拉伸试验,进一步研究了钢纤维掺量、长径比对混凝土开裂后力学性能的影响。并提出了钢纤维混凝土的抗拉强度的计算公式,可以有效地预测钢纤维混凝土的抗拉强度。

不同纤维长度的混杂钢纤维混凝土本构模型

为了充分发挥不同长度纤维的桥接作用,在混凝土基体中加入不同长度的混杂钢纤维,构成混杂钢纤维混凝土.考虑混凝土开裂后钢纤维的脱黏全过程,利用黏结-滑移模型来模拟混杂钢纤维的增强作用,建立了混杂钢纤维应力与裂缝宽度的关系.考虑到长、短钢纤维随裂缝扩展的黏结状态不同,将混杂钢纤维的增强作用分为3个阶段.基于经典的弥散开裂本构模型,将混杂钢纤维桥接作用视为应力增强,建立混杂钢纤维混凝土本构模型.将所提出的混杂钢纤维混凝土本构模型引入有限元软件Abaqus中,建立了混杂钢纤维混凝土四点弯曲试验有限元模型.通过比较试验数据与数值模拟结果,验证了所提出本构模型的正确性.

砌石挡土墙稳定性的模型试验及数值模拟

利用数值计算软件对挡土墙稳定性进行数值模拟分析是研究挡土墙在不同荷载作用下响应的重要手段之一。以模型试验中砌石挡土墙的尺寸为基准,采用分析软件ABAQUS建立砌石挡土墙的二维和三维有限元模型。在模型中,背后填土采用Mohr-Coulomb弹塑性本构,同时在挡土墙及背后土体的多个关键位置设置接触,以考虑各部分之间的相互作用。为验证模型的有效性,对某公路挡土墙结构进行拟静态的倾斜试验,以相同的加载条件对有限元模型进行模拟分析。研究结果表明,挡土墙墙面缺乏整体性,同时墙后砾石下沉,最终导致墙体发生坍塌破坏;数值模拟和模型试验结果的对比分析,证明提出的有限元模型模拟挡土墙倾斜过程的合理性;相比于三维模型,二维模型计算过程更加稳定,为后续挡土墙的抗震计算分析奠定了基础。

考虑纤维取向的自密实混凝土梁抗弯性能分析

为了探究自密实混凝土中钢纤维取向分布对梁抗弯性能的影响,考虑纤维在梁中的取向分布,提出了一种能够模拟钢纤维自密实混凝土梁力学性能的数值模拟方法。首先,结合流体动力学软件CFX和Matlab编程,对钢纤维自密实混凝土梁的浇筑过程进行模拟;然后,基于混凝土梁浇筑模拟得到的钢纤维取向,并考虑钢纤维的粘结滑移作用,采用有限元软件FINAL对钢纤维自密实混凝土梁进行数值计算。通过与三点弯曲试验结果进行对比,对提出的数值模拟方法进行验证,同时采用该方法进行了参数化分析。

组合结构发电塔架灌浆连接段接触压分析

钢-混组合结构发电塔中的连接段对于整个结构来说至关重要,采用灌浆连接可以有效减小应力集中和疲劳破坏,但目前关于钢-混组合结构风电塔中灌浆连接方式的研究和应用都较少。本文以某150m大型风力发电塔架为研究对象,利用有限元分析软件ABAQUS分析了在外力作用下,钢-混凝土组合结构风电塔架灌浆连接段的接触压,并探究了外侧混凝土厚度对接触压分布的影响,进一步推导了在外荷载作用下连接段接触压的理论计算公式,并通过数值模拟验证了公式的正确性,为钢-混组合结构灌浆连接段设计提供了一定的参考。

罕遇地震作用下高架桥抗震性能评估与加固

为了评估罕遇地震作用下高架桥的抗震性能,提出了一套抗震性能评估流程并对一座在役高架桥进行评估。首先建立了高架桥非线性动力时程分析模型;然后进行了模态分析,在综合考虑了有效质量系数和振型图后,选取了用于计算Rayleigh系数的参考振型;最后对动力时程分析结果中各墩的弯曲变形能力和抗剪强度进行评估,并根据评估结果提出了加固方法。结果发现:罕遇地震作用下,各墩变形能力沿横桥向均能满足需求;但在顺桥向上,部分墩的塑性铰区变形能力不足,且各墩的非塑性区均存在变形能力不足的截面。各墩抗剪强度沿顺、横桥向均能满足需求。采用增大截面法对各墩进行加固,首先制定了增大截面内的混凝土和钢筋配置方案,然后确定了能够同时满足各墩沿顺桥向的变形能力和经济性的最优加固高度,为高架桥抗震性能评估和加固工程提供一定的借鉴。

基于延性剪切破坏模式的SFRC无腹筋梁受剪承载力分析

钢纤维混凝土(SFRC)无腹筋梁受剪承载力是结构设计时的关键指标,准确预测其受剪承载力具有重要意义.大量SFRC无腹筋梁受剪性能试验发现由于钢纤维的加入,其破坏模式由脆性的剪切破坏转变为延性剪切破坏.基于SFRC无腹筋梁延性剪切破坏模式及其抗剪机理,提出一种新的受剪承载力计算模型,其中包括骨料咬合力、纵筋销栓作用、斜裂缝截面钢纤维及受压区混凝土的贡献.根据理论分析分别推导了各抗剪机制的计算公式,并通过SFRC无腹筋梁变形协调及受力平衡条件将这些抗剪机制有效结合,给出了SFRC无腹筋梁受剪承载力计算的具体步骤.为了方便工程设计,在提出的受剪承载力计算模型的基础上根据各抗剪机制的受力特点及对于受剪承载力的贡献提出了简化计算公式,简化计算公式力学概念清晰且形式简单.采用提出的计算模型、简化计算公式和5种已有计算模型对收集到的217根SFRC无腹筋梁受剪承载力进行预测并与试验结果进行对比.计算结果表明,斜裂缝截面钢纤维在SFRC无腹筋梁抗剪中发挥重要作用,提出的计算模型与简化计算公式均能够准确地预测SFRC梁受剪承载力,且变异系数小,在不同的剪跨比、轴心抗压强度、纤维特征系数及纵筋配筋率时均能保证较高的计算精度,为SFRC无腹筋梁抗剪设计与分析提供参考.

半地下贮液池结构抗震分析方法的修正系数研究

半地下贮液池作为一种特殊的地下结构,在地震作用下可能发生的震害也较为多样。该半地下贮液池结构复杂,有限元模型单元和节点数量多,难以采用时程分析法进行计算;拟静力法计算简单,但不能得出结构在动态的地震波下的最大响应,因此提出一个修正系数用以拟静力法与时程分析法结果的互相转换。本文在建立半地下贮液池实际有限元模型的基础上建立另一个简化模型,对简化模型分别进行+X、+Y、-X、-Y四个方向的动力时程分析以及拟静力分析,对比两种方法的结果,得出两种抗震分析方法计算得到的结构最大响应位置相同,由此提出一个拟静力法相对于时程分析法的修正系数1.37。在此基础上对实际有限元模型采用拟静力法计算得到结构最大响应,并由修正系数转换为时程分析法的最大响应,发挥两种方法各自的优点对结构进行抗震性能分析,为半地下贮液池的结构抗震研究提供参考。

危险废物固化体存储设施的抗震性能分析

危险废物由于自身的危害性,对存储设施有着严苛的要求。为了研究危险废物固化体存储设施的抗震性能,本文利用ABAQUS软件建立危险废物固化体存储设施有限元模型,并分析其在地震作用下的结构强度。模型分为单管模型和整体模型,单管模型由单个存储管和多个危险废物固化体组成,整体模型由48根存储管、支撑架、立柱和脚柱组成。对于单管模型,进行地震作用下的时程分析,得到危险废物固化体对支撑架的作用力,并在整体模型中考虑这部分作用力;对于整体模型,通过模态分析和振型分解反应谱法进行计算。计算结果表明,在地震作用下,危险废物固化体存储设施强度满足相关规范要求,最大应力发生在中层支撑架构处,为今后危险废物固化体存储设施设计和工程应用提供了参考。

罕遇地震作用下钢筋混凝土贮液池的抗震性能与加固研究

贮液池在工业与民用建筑中有着广泛的用途,在地震中损坏将造成严重的后果,而已建贮液池的耐久性不断降低,因此对已建贮液池的抗震性能进行分析十分必要。本文建立了某钢筋混凝土贮液池的三维有限元模型,考虑地震动输入方向和贮液池的蓄水状态,对其进行罕遇地震作用下的静力弹塑性分析,并对破坏部分进行加固。结果表明:贮液池处于满水状态时较为不利;当地震动由+X向和-X向输入时,结构的位移比地震动由+Y向和-Y向输入时小,由于结构的不对称,当地震动由-Y向输入时,结构的位移最大,且结构整体的非线性程度显著;满水状态时,池内柱A2发生剪切破坏,采用高延性混凝土(HDC)加固可有效提高柱的抗剪承载力,为工程实践提供参考。

既有铁路两侧护栏的加固方法及数值模拟研究

为了改善既有铁路两侧护栏的力学性能,提出了一种使用预制高韧性水泥板的新型加固方法。建立了加固后护栏的有限元模型,通过与试验结果进行对比,验证模拟方法的有效性与准确性,进而研究了本加固方法的加固效果并探讨了合理的加固形式。研究结果表明:模拟与试验的各项误差均在允许范围内,本模型能够较好地模拟加固后护栏的承载过程;护栏经过加固,承载能力得到提升,极限荷载对应的位移增大;在一定范围内,增加高韧性水泥板厚度会提高加固后护栏的极限荷载;高韧性水泥板高度为650mm时,加固后护栏同时满足承载能力和经济要求,达到较好的加固效果,为工程实践提供参考。

矿渣粉对钢纤维自密实混凝土性能的影响

研究了矿渣粉掺量对钢纤维自密实混凝土(SFRSCC)工作性能和力学性能的影响,并从微观层面阐释钢纤维和矿渣粉对混凝土基体的增强作用.结果表明:采用10%掺量的矿渣粉代替水泥能有效提高新拌混凝土的工作性能,增加钢纤维体积分数会减弱自密实混凝土的工作性能;矿渣粉与钢纤维的协同作用能够显著提高混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度;采用矿渣粉替代水泥有助于生成更致密的微观结构.

新型空天货物转载支架车静强度及可靠性仿真分析

为满足空天货物在直升机上的快速装卸及航空运输轻量化需求,研制了以铝合金材料为主体的新型转载支架车。采用ABAQUS软件分别对转载支架车的车架结构和支腿,以及辅助装置的分载板建立有限元模型并进行静强度分析;以支架车单根支腿下降模拟支架车在上机过程中的不均匀沉降现象,通过力学分析计算支架车上机过程中的平均强度;根据强度设计值和强度标准值,反向推导出材料的强度分布,计算得到支架车各结构的失效概率。仿真结果表明:所设计轻量化支架车的结构强度满足指标要求;各结构失效概率均满足可靠性指标要求,但采用铝合金3003材料的分载板失效概率最大,是支架车系统的薄弱环节,后续应考虑加以改进。

水泥基材料中倾斜端钩型钢纤维拔出力学性能计算模型

端钩型钢纤维是结构工程中应用最广泛的钢纤维品类之一,单根钢纤维拔出力学性能对于确定钢纤维混凝土的受拉本构及受拉韧性具有重要意义。为了得到能够有效预测倾斜端钩型钢纤维拔出荷载-端部位移曲线的理论模型,首先将倾斜端钩型钢纤维拔出过程分为完全黏结、脱黏和拔出滑移阶段三种受力状态,考虑不同拔出阶段及基体孔道损伤,建立了钢纤维黏结应力与纤维端部位移之间的关系,同时考虑钢纤维塑性变形、附加摩擦力及纤维拔出角度导致的基体剥落和挤压摩擦效应,建立了一种可以预测倾斜端钩型钢纤维拔出全过程的理论计算模型,在此基础上提出形式简单的简化模型,选取已有试验数据对提出的计算模型进行验证,结果表明:本文提出的两种模型均能够有效预测端钩型钢纤维拔出全过程,具有较高的计算精度且变异系数小,为进一步分析钢纤维对水泥基材料受拉性能的增强作用提供了理论依据。