锈蚀钢筋混凝土黏结滑移本构模型及数值模拟应用

为研究纵筋与箍筋共同锈蚀对钢筋混凝土黏结性能的影响,采用电渗—恒电流—干湿循环的加速锈蚀方法对25个钢筋混凝土(RC)试件进行锈蚀,进而对其进行拉拔试验,研究了纵筋锈蚀、箍筋锈蚀、保护层厚度和箍筋间距等参数对黏结性能的影响规律。分析了锈蚀对混凝土与钢筋界面间黏结力的影响,将黏结性能退化归因于材料性能退化和约束效应退化,基于试验数据,建立并验证了一个考虑设计参数、纵筋及箍筋共同锈蚀的修正黏结滑移本构模型。结合所提本构模型及微元算法建立了锈蚀纵筋应力-滑移模型,基于OpenSees平台,将所建模型应用于零长度截面单元中,通过串联纤维梁柱单元与零长度截面单元建立了考虑黏结滑移变形的锈蚀RC构件数值模型,根据锈蚀RC柱拟静力试验数据对该模型的准确性进行验证,并采用仅考虑锈蚀损伤的纤维模型进行辅助验证。结果表明:混凝土与钢筋界面间黏结力随锈蚀程度的增加呈先上升后下降的趋势,增加保护层厚度可略微增加黏结强度,而箍筋加密对黏结强度提升明显;与纤维模型相比,所建锈蚀RC纤维模型承载力、累计耗能和极限位移误差分别降低12.8%、23.5%和14.2%,表明所建模型可合理计算钢筋滑移的贡献且准确预测锈蚀RC柱地震整体响应。

考虑锈蚀损伤的黏结滑移本构模型

为合理反映钢筋锈蚀后黏结滑移性能劣化对钢筋混凝土(RC)结构抗震性能的影响,在既有黏结应力分布模式的基础上,推导得到钢筋应力-滑移关系,进而通过分析锈蚀对混凝土与钢筋界面黏结滑移机理的影响,建立考虑钢筋锈蚀损伤的黏结滑移本构模型。基于已有拉拔试验结果,与仅考虑纵筋锈蚀率影响的Cheng模型进行对比,验证所建模型的合理性与准确性。基于OpenSees有限元平台,采用纤维梁柱单元和零长度截面单元串联的方式,将所建钢筋黏结滑移模型嵌套于零长度截面单元的钢筋本构中,建立可考虑黏黏结滑移的锈蚀损伤纤维梁柱模型,并通过6根锈蚀RC柱拟静力试验结果验证模型的准确性,结果发现所提考虑黏结滑移的锈蚀RC纤维梁柱模型计算所得滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好,累计耗能最大误差不超过15%。此外,通过参数分析研究影响锈蚀钢筋滑移量的因素,结果表明屈服滑移量与极限滑移量随体积配箍率的增大而明显减小,随混凝土保护层与钢筋直径之比(c/d)增大而变化的幅度较小。

基于裂缝滑移模型的无腹筋RC梁抗剪承载力计算

为了考虑翼缘对无腹筋钢筋混凝土(RC)梁抗剪承载力的影响,基于裂缝滑移模型,考虑了受压区的贡献、销栓作用贡献和受拉区骨料咬合作用的贡献,提出了一种无腹筋RC梁抗剪承载力计算公式。为验证该计算公式的准确性,分别应用该公式和国内外规范对收集的444根矩形截面梁与172根T形截面梁的试验数据进行计算,并将结果与国内外规范计算结果进行对比;基于所收集的数据集,利用5种常用的机器学习算法对收集的数据集进行回归分析,在数据集较小的情况下验证各算法的拟合度。结果表明:各国规范提出的抗剪承载力计算公式与试验值吻合较好;相较于规范的计算方法,该研究提出的计算方法较为准确,且可以有效地考虑T形截面梁翼缘对于抗剪承载力的贡献;选取的5个机器学习算法在测试集上表现良好,且与计算结果表现出了相同的规律,验证了机器学习算法在数据集较小的情况下对钢筋混凝土梁抗剪承载力计算的适用性。

一种基于μ-S模型的最佳滑移率辨识估计器设计

为了使基于滑移率识别的汽车防抱死控制器实现最优控制,在Kiencke μ-S模型的基础上,利用改进遗忘因子递推最小二乘算法设计了最佳滑移率辨识估计器,并将辨识估计器的最佳滑移率和峰值附着系数估算结果与Burckhardt μ-S模型下的结果进行了对比.将辨识估计器应用于汽车防抱死制动系统的模糊滑模控制器中,在单一路面和跃变路面条件下进行仿真实验.实验结果表明,辨识估计器的误差小、延迟小,基于最佳滑移率识别的防抱死控制器能实现最佳滑移率的在线辨识和快速追踪,有效提升制动效能.

常泰长江大桥组合索塔锚固结构钢-混传剪构造足尺模型试验研究

常泰长江大桥索塔锚固结构采用钢箱-核芯混凝土组合结构,为研究该新型组合索塔锚固结构钢-混传剪构造的受力特性,进行钢-混传剪构造足尺模型试验研究。制作2个锚固结构足尺节段试验模型,通过压剪试验研究锚固结构的荷载~滑移曲线及应力、应变分布等受力特性,并通过有限元模型分析锚固结构的传力机理和各组件的内力分配比例,推导剪力钉剪力计算方法。结果表明:在2.14倍单索最大索力荷载作用下,锚固结构保持弹性状态,钢壁板未产生明显滑移,钢-混界面最大滑移不超过0.25 mm,该锚固结构中钢-混传剪构造至少具有2.14倍的安全系数;荷载作用下,剪力钉剪力从上至下逐渐增大,锚腹板附近底部3排剪力钉剪力较大,钢-混传剪构造至少存在剪力钉和界面摩擦力2种传剪机制,钢-混传剪构造的承载能力显著提高;钢-混传剪构造受力过程分为粘结力传力阶段和局部滑移阶段,剪力钉剪力分布不仅与沿剪切方向长度分布有关,也与荷载的大小线性相关。

玻璃纤维增强复合材料筋与超高性能混凝土之间粘结-滑移本构模型

为研究玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋与超高性能混凝土(UHPC)之间的粘结性能,故基于相关文献中153个拉拔试验和42个梁式试验的数据,系统分析了FRP筋直径、相对粘结长度、相对保护层厚度、超高性能混凝土抗压强度、FRP筋表面形态和试验方法对玻璃纤维增强复合材料筋粘结强度的影响规律,通过回归分析和区间预测提出了超高性能混凝土中玻璃纤维增强复合材料筋与粘结强度和锚固长度的计算公式。对比分析了已有FRP筋与普通混凝土之间的粘结-滑移本构模型,基于CMR模型提出了绕肋玻璃纤维增强复合材料筋与超高性能混凝土之间粘结-滑移本构模型的计算公式。上述公式计算结果与试验结果均吻合良好,并可为工程设计及后续研究提供依据。

考虑黏结滑移与剪切效应的不均匀冻融损伤RC剪力墙数值模型

为了合理评估严寒环境下在役钢筋混凝土(RC)剪力墙的抗震性能,采用相对动弹性模量为冻融损伤系数,结合修正Petersen模型构建了不均匀冻融损伤模型;基于经过准确性验证的既有公式建立了完好RC剪力墙剪切恢复力模型,进而通过分析冻融损伤RC剪力墙实测剪应变和剪力受参数影响的变化趋势,采用多参数回归建立了冻融损伤RC剪力墙剪切恢复力模型;基于既有材性实测数据建立了不均匀冻融损伤黏结强度模型,同时结合既有钢筋黏结滑移模型通过理论推导建立了不均匀冻融损伤纵筋滑移模型;结合所建立的不均匀冻融损伤模型、冻融损伤剪切滞回模型、冻融损伤不均匀的黏结强度-滑移模型,提出了冻融损伤剪力墙构件数值模型.最后采用8个不同参数冻融损伤RC剪力墙的拟静力实测数据对本文所提的数值模型的准确性进行了验证.结果表明:本文建立的数值模型可较准确地模拟冻融损伤RC剪力墙低周往复下的力-变形关系,可用于冻融环境下RC剪力墙的抗震性能评估.

方钢管石灰石机制砂再生粗骨料混凝土黏结滑移本构模型

通过16根方钢管石灰石机制砂再生粗骨料混凝土试件推出试验,研究了机制砂再生粗骨料混凝土强度等级、石粉含量以及钢管宽厚比对方钢管石灰石机制砂再生粗骨料混凝土黏结性能的影响,结合试件自由端滑移曲线分析了黏结滑移发展过程与内在机理。对比了方钢管卵石机制砂再生粗骨料混凝土平均黏结强度,采用方钢管卵石机制砂再生粗骨料混凝土黏结滑移本构模型拟合得到了石灰石机制砂试件黏结滑移曲线,并与试验结果进行了对比验证。由于试件的黏结滑移性能受测点位置影响,通过引入位置函数,提出了能反映局部黏结滑移规律的黏结滑移本构模型。结果表明:方钢管石灰石机制砂再生粗骨料混凝土黏结滑移经历了胶结、滑移、摩阻力、后滑移4个阶段,且具有更高黏结强度;对比本构模型得到的计算值与试验值并分析其误差发现,采用方钢管卵石机制砂再生粗骨料混凝土黏结滑移本构模型拟合的黏结强度及滑移值与试验值相对误差均小于5%,且标准差小于0.05,证明该本构模型具有较好适用性。

疲劳荷载作用下栓钉连接件全过程荷载-滑移计算模型

为了实现全寿命周期内钢-混凝土组合梁中栓钉连接件滑移量的精确计算,开展栓钉连接件在任意疲劳循环次数下的荷载-滑移计算模型研究。设计并制作了11个栓钉推出试件进行了静力滑移量试验、疲劳滑移量试验及剩余滑移量试验。通过试验结果分析了栓钉连接件在疲劳及静力作用下全过程的滑移量增长和分布特征。在单调荷载作用下,基于统计数据建立了考虑极限滑移量的指数型栓钉荷载-滑移模型。在此基础上,考虑疲劳损伤对栓钉直径及滑移量折减,同时计入栓钉连接件滑移量的累积增长和其自身承载力退化,建立了在任意次数疲劳荷载作用下,栓钉连接件全过程荷载-滑移计算模型,并通过试验值进行验证。结果表明:栓钉连接件的滑移量可分为疲劳加载过程中的累积滑移量和疲劳加载后的剩余滑移量。在疲劳加载过程中,栓钉累积滑移量呈“快速-缓慢-急速”的三阶段增长。在疲劳加载后栓钉剩余滑移量和总滑移量均随着疲劳循环次数增加而减少,说明栓钉疲劳损伤的增加导致其整体变形性能逐渐变差。所提出的栓钉全过程荷载-滑移计算模型的计算值与试验值吻合良好。

带Navier边界条件的广义随机Navier-Stokes方程解的适定性

对于有界区域二维随机Navier-Stokes方程(有界区域的边界条件为Navier滑移边界条件),给出了该方程弱解在L^(2)和L^(4)中的先验估计,证明了非线性项的单调性,并利用经典的Minty-Browder方法证明了方程随机弱解的整体存在性和唯一性.

基于索滑移模型的空间索膜结构设计分析

针对空间索膜结构实际应用中会存在索相对薄膜滑移的问题,提出了一种考虑索滑移的索膜组合结构分析模型。利用能量变分原理推导了局部坐标系下空间索单元和膜单元非线性有限元方程,将索和膜单元方程公共项合并得到整体坐标系下索膜组合结构非线性有限元方程。然后将薄膜对索单元节点的拉力分解到垂直于节点相邻两索单元的方向上。根据相邻两索单元张力与摩擦力之间的不等式关系建立了索滑移模型,给出了考虑索滑移的索膜结构非线性有限元方程迭代求解方法。最后将索滑移模型应用到空间索膜结构设计分析中,分析结果表明,索膜间摩擦力的存在会导致索张力不均匀,但在一定程度上可以提高薄膜抵抗外载荷的能力,索膜结构在载荷分析过程中需要考虑摩擦滑移对索膜结构的影响。

深部硬岩脆-延性转化行为的细观损伤模型

既有试验研究表明,在压缩荷载作用下,围压对低孔隙率硬岩的强度、破坏模式、剪胀性等具有重要影响。在围压不断增大的条件下,硬岩的破坏特性将呈现由脆性向延性转变的趋势。本文基于细观力学方法分析硬岩的脆-延性破坏机理,探究脆-延性转化过程中非弹性变形、损伤与围压的定量关系,继而构建细观损伤力学模型以描述深部硬岩在不同压缩荷载作用下的脆-延性转化力学行为。为了验证所构建模型的合理性和有效性,通过UMAT子程序将其嵌入有限元软件Abaqus模拟低孔隙率砂岩(围压10~120 MPa)和Tavel石灰岩(围压10~150 MPa)在常规三轴加载下的力学行为。对比发现,数值模拟结果与试验数据具有较好的一致性,说明细观损伤力学模型能够较好地捕捉硬岩随着围压增加表现出的从脆性到延性转化的力学特性,也初步表明基于细观力学的分析方法可以为解译深部岩石的力学行为提供理论支撑。

套筒灌浆接头黏结滑移关系的精细有限元分析

为揭示套筒灌浆连接接头中钢筋和灌浆料间的黏结滑移关系,利用DIANA 10.3有限元软件建立接头试件的肋尺度精细有限元模型,并根据有限元分析结果对接头的局部黏结滑移关系进行研究。结果表明:套筒中钢筋黏结应力沿锚固长度大致呈马鞍形分布,加载端峰值随荷载增加逐渐内移;钢筋与灌浆料间相对滑移从钢筋自由端向加载端递增,超过屈服荷载后在加载端发生激增,并逐渐向里发展;局部黏结滑移曲线大致分为5个阶段,不同锚固位置处曲线的发展趋势大致相同,但其具体路径在发展程度和曲线特征值方面有一定差异;黏结锚固位置函数沿锚固长度大致呈“M”形分布且锚固自由端峰值大于加载端,是锚固位置和相对滑移的二元函数,建议用椭圆曲线和二次曲线进行拟合。该肋尺度精细化有限元模型可用于套筒灌浆连接接头的黏结滑移本构关系的进一步研究。

路基高边坡锚杆组合支护防滑移施工技术

为了改善山区或多雨地区公路高边坡工程中经常出现山体滑坡、滑移等地质灾害的情况,设计一种路基高边坡锚杆组合支护防滑移施工技术。进行路基高边坡稳定性计算,使用圆弧法模拟路基高边坡的滑移状态,获取边坡的稳定系数,设计锚杆组合支护模型,采用MC模型来描述土体和延时的剪切破坏,计算支护施工过程中的相关参数,设计预应力锚索框架梁支护防滑移施工技术流程。在某工程实例中对设计的施工技术进行性能验证,实例分析结果表明:不同锚杆位置下,变严重的初期三处平均形变仍然可以控制在14mm/d以内。一月内整体的平均累计变化量为106。8mm;不同锚杆深度下,随着深度增加,锚固力呈现下降趋势,锚杆顶部受拉力较大,锚杆深度形变较小,整体平衡稳定,达到持续支护作用。负荷路基高边坡的使用要求,验证了施工技术的可行性。

基于目标滑移率的车辆防抱死制动系统控制算法研究

建立了包含平面内SWIFT轮胎模型在内的四分之一车辆模型,建立了防抱死制动系统模型,并设计了以车轮滑移率为目标,采用PID控制的ABS算法。基于该平台对ABS控制算法进行仿真,验证其合理性。最后将ABS控制算法的代码集成到电控制动系统中进行实车试验,试验结果表明,基于目标滑移率的ABS控制算法满足预期。

基于Navier滑移的油膜缝隙微流动特性数值分析

针对液压系统中微米级油膜缝隙流动内的近壁面滑移微观尺度效应,采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法分析壁面滑移作用对微米级油膜缝隙流动规律特性的影响。在对静压支承系统中封油边内油膜缝隙流动进行边界条件处理时,采取了壁面滑移速度与壁面滑移系数和当地局部速度梯度都成正比的Navier滑移模型边界条件。在数值模拟和理论基本吻合的基础上,进一步讨论分析壁面滑移系数对微米级油膜缝隙流动特性的影响,侧重分析考虑壁面表观粘度系数、温粘特性和非牛顿流体属性对微米级油膜缝隙流动特性分布和缝隙壁面滑移速度大小的影响。研究表明在微观尺度下具有界面滑移的油膜缝隙流动区别于无滑移的缝隙流动特性,壁面材料特性系数φ=0.01时,缝隙壁面的滑移速度越大,油膜缝隙流动分布均匀。其温粘特性将最大限度地影响壁面滑移速度大小和缝隙流动特性分布。

型钢混凝土柱粘结滑移本构关系与粘结滑移恢复力模型

进行了弯矩、轴力、剪力共同作用下型钢混凝土柱的粘结滑移性能试验。以试验所得的粘结应力-滑移关系曲线为基础,定义了三个特征粘结应力点,并提出了特征粘结强度、特征滑移的统计回归计算公式,建立了型钢混凝土柱距柱底50mm处的基准粘结滑移本构模型。以基准粘结滑移本构模型为基础,引入反应不同位置粘结应力和滑移分布差异的位置函数,建立了型钢混凝土柱任意位置的粘结滑移本构关系。综合考虑反复荷载作用下型钢混凝土柱粘结强度、滑移刚度退化规律,建立了型钢混凝土柱粘结滑移恢复力模型,提出了恢复力模型中骨架曲线、加卸载刚度的确定方式,加卸载路径、强度衰减规律以及滞回环规则。研究结果为型钢混凝土柱考虑粘结滑移的有限元分析和地震反应全过程分析提供了必要条件。

楠竹加筋复合锚杆内部界面黏结滑移模型

楠竹加筋复合锚杆已经应用于中国西北丝绸之路上留存的古代土遗址保护加固工程中。该锚杆截面积大,可以获得足够大的锚固力。针对现场拉拔试验中钢绞线从内黏结剂中拔出的破坏形式,设计了专门的试件及夹具,试验研究了钢绞线与内黏结剂间的力学行为。试验结果表明,钢绞线与内黏结剂的黏结滑移分为指数上升阶段、软化下降阶段和残余应力阶段3个阶段,可以用简化模型和精确模型描述。试验还表明,钢绞线与内黏结剂接触界面上应力分布不均匀,靠近加载端的应力较大,且有应力峰,应力峰随荷载的逐渐增大向远离加载端的方向移动;钢绞线与内黏结剂间平均剪切应力随锚杆的长度增大呈指数衰减。通过理论分析,给出了界面黏结滑移微分方程及相关曲线,结果表明,钢绞线轴力及界面相对滑移沿钢绞线均呈不均匀分布,且随着距加载端的距离增加其值急剧下降,该规律可以指导锚杆设计及工程应用。

倾倒滑移变形体的基本特征及力学模型研究

在现场地质调查及变形观测分析的基础上，建立了倾倒滑移变形机理的力学模型。

基于滑移网格与RNG k-ε湍流模型的桨舵干扰性能研究

结合RNG k-ε湍流模型,运用滑移网格技术对粘性流场中桨舵相互干扰引起的三维非定常湍流进行了计算,得到了随进速系数的变化,桨舵之间相互干扰性能的变化规律;同时获得了桨舵干扰性能随桨舵之间的距离的改变而相应的变化规律。文中给出了桨舵干扰水动力性能的计算结果,并与试验测量值作了比较。从对计算结果的分析可知,利用滑移网格技术及RNG k-ε湍流模型,可以较好地模拟桨舵干扰的水动力性能问题。同时文中分析了桨舵表面压强分布规律以及舵的存在对螺旋桨尾流场的影响。