高层建筑风致疲劳分析中的钢材强度退化模型

全寿命周期内风荷载长期作用下,钢结构中的钢材和节点将出现不同程度的累积损伤。风致疲劳损伤后结构的抗震能力必然发生相应变化,而疲劳累积损伤条件下的材料和节点剩余力学性能模型,是准确开展损伤后结构抗震性能评估的关键。鉴于此,通过贝叶斯理论,建立基于物理机制的钢材强度退化模型分析方法。首先,收集高周疲劳预损伤钢材强度退化的试验数据,并选取常用的强度退化模型,通过贝叶斯更新准则确定了退化模型参数的后验估计值。其次,基于钢材强度退化模型,给出了确定风致疲劳劣化焊接梁柱节点弯矩和转角骨架曲线的分析方法。结果表明:(1)疲劳累积损伤条件下的传统钢材强度退化模型离散性大,且缺少必要的数学和物理依据,而基于贝叶斯理论的强度退化模型可有效弥补这一缺陷;(2)相同试验数据,不同强度退化模型得到的结果差异性较大,且不存在普遍适用的最优模型。通过贝叶斯理论建立的钢材强度退化模型,可有效考虑材料型号、试件尺寸、疲劳荷载模式和加载机制等多种因素对试验结果的影响,且可借此反映风致累积损伤对结构性能退化的影响,有助于提高风致疲劳损伤后高层钢结构建筑地震风险评估结果的可靠性。

钢筋锈胀作用下混凝土的抗压强度退化模型

在杂散电流作用下,混凝土内钢筋发生电化学锈蚀,产生锈胀应力。为了研究在混凝土尚未出现裂缝阶段钢筋锈蚀对混凝土抗压强度的影响,以钢筋均匀锈蚀为前提,将混凝土内钢筋锈蚀分为有和无锈胀应力2个阶段,给出锈胀应力的产生时间。利用Faraday电解定律、弹性力学厚壁筒应力理论以及混凝土二轴强度破坏准则研究杂散电流腐蚀钢筋对混凝土抗压强度的影响,得到了混凝土抗压强度理论退化模型。对模型进行分析表明:杂散电流作用下,钢筋锈蚀产生的锈胀应力会对混凝土抗压强度产生不利影响。最后将理论模型与试验进行对比分析,证明该模型在分析杂散电流腐蚀钢筋对混凝土抗压强度的影响上具有一定可行性。

强震区桥梁抗震挡块强度退化模型及其应用

钢筋混凝土抗震挡块作为强震区桥梁的重要受力构件,强震下往往率先发生严重破坏,而现行规范中尚未明确给出挡块的抗震设计方法及其分析模型。为此,在揭示钢筋混凝土抗震挡块斜截面破坏机理的基础上,基于刚体转动平衡方程推导了考虑混凝土残余抗拉强度和钢筋变形协调性的3类挡块强度计算公式,并通过能量等效原理建立了挡块强度双折线退化模型。以九度区一座近断层的中小跨径梁桥为例,通过剪切铰模型模拟挡块强度双折线退化,进而探讨挡块承载力下降对桥梁下部结构地震需求的影响。研究结果表明:所提抗震挡块强度计算公式及其强度退化模型能够较为精确地预测挡块的力学特征(计算平均误差小于5%),采用剪切铰模型能够合理地模拟挡块在强震下的损伤行为;强震作用下,不考虑抗震挡块碰撞效应的影响将低估桥梁下部结构的地震需求,会导致不安全的设计结果;而仅考虑挡块刚性碰撞(不考虑挡块承载力下降)则会高估桥梁下部结构的地震需求,容易造成不必要的浪费;抗震挡块不仅起到限制主梁横向位移的作用,而且挡块的损伤一定程度上起到消耗上部结构地震力的作用;考虑所提挡块强度退化后,能准确反映主梁与挡块之间的碰撞力对桥梁下部结构地震需求的影响。所提的挡块强度退化模型及其模拟方法可为九度区中小跨径梁桥的抗震设计提出借鉴。

锈蚀对钢筋与混凝土之间粘结性能影响研究综述

钢筋锈蚀导致横截面积减少,同时锈蚀产物体积膨胀导致混凝土开裂和剥落,影响混凝土与钢筋的粘结能力,对混凝土结构的承载能力和使用寿命产生影响。本文基于国内外广泛的研究成果,分析了不同钢筋锈蚀实验方法的优劣和适用性。对于锈蚀钢筋与混凝土的粘结性能,探讨了中心拉拔试验、偏心拉拔试验和梁式试验的优劣。分别研究了纵筋和箍筋锈蚀对粘结强度的影响,并构建了以钢筋锈蚀率为基础的粘结强度退化模型。锈蚀导致的表面裂缝宽度是评估粘结强度的理想参数,然而基于裂缝宽度的粘结强度退化模型仍然相对较少。在锈蚀钢筋粘结应力-滑移本构模型方面,对未锈蚀和锈蚀钢筋混凝土构件的粘结-滑移关系进行了阐述,然而由于锈蚀钢筋的粘结-滑移曲线测试数据有限,上述模型的可靠性尚未得到验证。本文综述了国内外有关钢筋锈蚀方法和锈蚀钢筋混凝土构件粘结性能的研究方法,分析了纵筋和箍筋锈蚀对粘结强度退化的影响,并归纳总结了基于钢筋锈蚀率和构件表面锈胀裂缝宽度的粘结强度退化模型、以及钢筋混凝土构件粘结-滑移本构关系的最新研究成果。同时,分析了现有研究的不足之处,旨在为未来的钢筋混凝土粘结性能研究提供参考。

基于概率密度演化方法的古建筑残损木构件可靠度研究

【目的】建立随时间变化的古建筑残损木构件多因子强度退化模型,验证基于概率密度演化方法对残损木构件进行可靠度分析的适用性,提高古建筑残损木构件可靠度分析的计算精度和效率,为古建筑保护中构件力学性能的量化和评估提供科学依据。【方法】综合考虑长期荷载、腐朽、虫蛀和干缩开裂对木材损伤的影响,借助已有模型和理论,建立木构件多因子损伤时变模型并推导出强度退化模型。以某古建筑木结构的典型柱为例,根据强度退化模型确定影响参数,对残损影响参数进行灵敏度计算及排序,通过设定阈值确定影响构件残损的关键参数,将非关键参数常数化以实现参数的初步降维。通过拉丁超立方法在关键参数的参数域内选点得到1000组代表点,基于强度退化模型计算残余强度变化率,根据概率密度守恒构建概率密度演化方程,利用差分法求解得到残余强度比与随机参数的联合概率密度函数,在随机参数域内积分求得残余强度比随时间变化的概率密度函数,最后将概率密度函数在安全域内积分得到构件可靠度;同时基于蒙特卡罗法随机抽样产生10000组参数数据对残损木柱进行可靠度分析,对比分析两种方法计算出木柱服役时间为1~1000 a时的失效概率。【结果】随服役时间增加,木柱损伤变量逐渐增大,服役时间为1000 a时1000组不同参数值的构件几乎都达到失效界限;概率密度演化曲面中概率最高的残余强度比逐渐减小;构件失效概率随时间增大,即可靠度降低;服役时间为100、300、500、700、900 a的5个节点,蒙特卡罗法和概率密度演化方法计算所得的木柱失效概率差值分别为9.48%、3.92%、6.10%、8.40%、4.40%,在蒙特卡罗法参数取样量更多、计算用时更长的前提下,两者计算所得失效概率差值不超过10%。【结论】建立的多因子强度退化模型可用于木柱残余强度的评估和预测,但仍需要进一步的修正。基于概率密度演化方法对残损木构件进行可靠度分析是可行的,与蒙特卡罗法相比具有更高的效率。

锈蚀钢筋混凝土柱残余承载力研究

沿海及周边地区的钢筋混凝土结构往往因钢筋锈蚀而导致混凝土结构发生开裂破坏、结构承载力降低,严重威胁钢筋混凝土结构的可靠性和安全性。针对氯盐环境中处于服役状态下的钢筋混凝土柱结构的力学性能退化规律进行研究,通过分析钢筋锈蚀引起的材料损伤机理,构建对应的钢筋与混凝土材料退化模型以及构件强度退化模型,计算锈蚀钢筋混凝土柱的残余承载力,并获得锈蚀柱的弯矩-轴力相互作用曲线。计算结果表明,锈蚀钢筋混凝土柱的承载力随锈蚀程度的上升而显著下降,对于大偏心受压情况,当锈蚀程度为6%~10%时,构件的承载力由于钢筋与混凝土界面的黏结强度损失而大幅降低,对于小偏心受压及轴压情况,当锈蚀程度接近5%时,构件的承载力由于受压区混凝土截面的几何损失、钢筋屈服强度降低与横截面面积减小而明显降低。

基于增量动力分析震后RC柱抗震性能

为研究震后钢筋混凝土(RC)柱的抗震性能,基于增量动力分析法(IDA),利用OpenSEES平台提出了模拟震后RC柱抗震性能的方法:对经历地震后的RC柱进行低周往复荷载模拟试验。考虑到地震的不确定性,选取ATC-63报告上推荐的22条远场地震动记录,分析了震后RC柱的抗震性能,重点研究了震后RC柱的强度、刚度和延性等力学性能,探讨了震后RC柱强度退化模型的方法,分析了轴压比因素对震后RC柱抗震性能的影响。结果表明:震后RC柱的强度和刚度随地震动强度指标(PGA)的增大而下降,随轴压比的增大而增大;震后RC柱的延性随轴压比的增大而下降,随PGA的增大而先下降后提高。

基于Monte Carlo法的冻融环境下预应力混凝土疲劳可靠度分析

基于预应力混凝土受弯构件冻融循环与疲劳加载交替试验,分别建立冻融环境下混凝土与钢筋疲劳剩余强度退化模型;考虑冻融循环对疲劳损伤的促进作用,在混凝土剩余强度退化模型中引入冻融应力增大系数;基于混凝土与钢筋剩余强度退化模型,从结构体系可靠度角度出发,运用蒙特卡罗法对交替试验的构件进行可靠度计算.研究结果表明:冻融环境下预应力混凝土构件疲劳可靠度呈指数型衰减,可靠度计算结果与百分位秩法结果吻合度较好.

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究;对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型,建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示:单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右,在70.0%应力水平的疲劳载荷下,面内剪切刚度退化最大可达30%左右;三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高;随着疲劳循环加载数的增加,三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。