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。

钢筋与ECC的搭接-滑移力学模型研究

针对传统的粘结滑移力学模型未考虑到钢筋间距这一重要因素,导致无法准确预测钢筋搭接结构中的钢筋搭接性能。基于此,设计了针对钢筋间距等因素的钢筋搭接拉伸试验,并探究了钢筋间距对钢筋搭接性能的影响规律。同时,建立了一种考虑钢筋间距的力学模型,并对其进行了准确性和泛化性验证。结果表明,与传统的粘结-滑移力学模型相比,所提出的考虑钢筋间距的力学模型在准确度上最大提高了近50%;对于高延性混凝土-钢筋搭接构件而言,该模型与试验结果之间的相关系数达到了0.95以上;该模型还展现出了良好的泛化性,可以有效地预测超高性能混凝土和普通混凝土的钢筋搭接性能,适用于预测钢筋混凝土搭接构件的搭接性能。

UHPGC与HRB600钢筋粘结-滑移本构模型研究

通过对16组不同直径、不同粘结长度的HRB600钢筋与UHPGC(超高性能玻璃砂混凝土)的拉拔试验,研究钢筋直径、粘结长度、加载速率和养护周期等因素对粘结强度的影响规律。通过进一步整理试验数据,对试验中的混凝土抗压强度、钢纤维体积掺量、玻璃砂替换率、钢筋直径、粘结长度以及保层厚度等主要影响因素,与试件的极限粘结强度进行拟合分析,得到UHPGC与HRB600高强钢筋的粘结滑移本构模型,为该类型结构体系的实际应用提供理论参考。

CFRP加固混凝土界面粘结-滑移数学模型解析研究

采用CFRP(碳纤维增强复合材料)加固混凝土是一种新型的加固方式,界面的粘结-滑移关系更是研究高温环境下加固混凝土结构性能与破坏行为的重要基石。对此,本文简述了高温环境下混凝土损伤分析模型与常用的加固方法,设计与制备CFRP-混凝土试件,进行高低温循环作用下双面剪切试验,分析了混凝土强度等级、高低温循环次数对界面破坏形态和极限承载力的影响,基于双线性模型,通过对试验数据拟合,建立了高低温循环作用下界面的粘结-滑移数学模型,提出了CFRP-混凝土界面最大剪应力、最大滑移量、初始刚度等参数的表达式。

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。

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。

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.

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。

疲劳荷载作用下钢-混组合梁界面滑移对其性能影响研究

为分析界面滑移对钢-混组合梁疲劳性能的影响,在考虑界面滑移影响的栓钉疲劳刚度退化模型基础上,提出考虑界面滑移损伤的钢-混组合梁疲劳性能分析方法,以某工字钢-混组合连续梁为背景开展缩尺模型试验,建立考虑界面滑移损伤的钢-混组合梁疲劳性能分析模型梁,对比分析疲劳加载过程中试验梁与模型梁的疲劳性能,并进行界面滑移系数影响因素的参数分析。结果表明:疲劳荷载作用下,钢-混组合梁中钢梁下翼缘发生开裂,并最终导致组合梁失效,加载过程中钢-混组合梁跨中挠度及界面残余滑移均呈现明显的三阶段特征;模型梁跨中挠度及界面残余滑移随加载次数的变化趋势分析结果与试验梁吻合良好,验证了考虑界面滑移损伤的钢-混组合梁疲劳性能分析方法的可行性;疲劳荷载作用下钢-混组合梁界面滑移将引起钢梁中应力增加,从而降低组合梁疲劳寿命,建议在疲劳寿命预测中引入界面滑移疲劳折减系数,建议其取值为1.2。

地下金属矿采动作用下断层带滑移失稳机制及影响规律

以山东省某矿山为工程背景,针对采动作用下断层带易产生滑移失稳问题,采用三维离散-连续耦合数值方法和理论分析的方法开展研究。计算了岩体质量RMR、原岩应力、开采条件及断层产状对断层及其近区围岩稳定性的影响规律,基于断层滑移量和剪应力差两个指标,建立了开采卸荷对断层影响程度的量化评估方法。研究结果表明:随着采场跨度、采场埋深的增大,断层的扰动区范围逐渐增大;随着RMR、断层倾角、采场到断层距离的增大,断层的扰动区范围逐渐减小;当断层倾角小于45°时,断层极易产生滑移;在此基础上,采用扰动响应准则与摩尔-库伦准则,分析获得不同条件影响下开采后作用在断层上的正应力和附加剪应力的变化规律,揭示采动作用对断层滑移失稳的影响机制。进一步采用矩阵散点图方法,得出各影响因素之间的相关性较弱,采场到断层距离与断层滑移量之间的相关性最强;采用核岭回归算法建立断层滑移量的预测模型,验证模型预测误差低于10%,表明该模型可以实现对采动作用下的断层滑移量的预测,本研究为采动作用下断层滑移及其近区围岩稳定性分析及预测提供理论及思路支撑。

木构古建筑摇摆类比模型震能辅助动态复位研究

木构古建筑结构体系复杂,其立柱设置受“侧脚”与“生起”构造要求制约,地震作用下将触发同层柱群摇摆行为,从而在各层楼板间形成双向缓坡滑移结构体系,抵御地震侵袭.为探究中国木构古建筑在地震作用下的耦合滑移响应,利用W型界面滑块建立双向缓坡滑移结构体系类比“理论”模型,设置滑动面库仑摩擦系数表征体系滑动阻尼,选取40条近场水平地震波,并依据峰值地震加速度(PGA)数值及其时刻划分地震波“峰时”及“峰后”阶段参数,运用刚体运动学数值积分提高实时滑移计算精度,开展类比模型多参数动力滑移时程响应分析.研究结果表明:各类型近场水平地震作用下,具有3°缓坡和0.05界面摩擦系数的类比模型的最大相对滑移均发生在相应地震的“峰时”阶段,且幅值均小于对应地震峰值位移(PGD)幅值的2倍,并且PDG对低摩擦类比模型地震耦合滑移行为影响显著;各地震“峰后”残余能量可有效辅助缓坡刚体滑块动态复位,3~5°W型缓坡搭配0.03~0.06界面摩擦系数时效果最佳.

四轮滑移转向移动机器人运动分析及轨迹跟踪控制

四轮滑移转向移动机器人因其结构简单可靠性高而被广泛使用,针对四轮滑移转向移动机器人转向运动,引入了3个运动学参数用于描述机器人转向运动,建立了移动机器人的动力学模型,并进行数值求解,得到3个运动学参数与机器人轮速之间速度变化关系,进一步得出滑移转向移动机器人在低速工况下可等效为轮式差速机器人,为滑移转向机器人运动控制和路径规划提供了理论参考。根据所建立的运动学模型轨迹跟踪问题,利用Lyapunov直接法设计了基于反步控制(Backstepping Control)的非线性反馈控制率。仿真结果表明:所提出的控制方法具有有效性。

摩擦型高强螺栓连接抗剪滑移行为研究

为研究摩擦型高强螺栓抗剪连接的滑移行为,分析了钢结构全过程的受力和变形性能。采用简化的螺栓滑移数值计算方法,使用COMBIN39弹簧单元模拟了螺栓与盖板、芯板之间的摩擦行为以及螺杆与螺栓孔壁之间的接触挤压行为。通过ANSYS有限元软件模拟了单行四列螺栓连接抗剪滑移过程并采用试验加以验证。建模分析了三行六列螺栓群在摩擦阶段、滑移阶段和弹塑性变形阶段的连接抗剪滑移过程,总结出各行螺栓在各个阶段的传力比和芯板、盖板的应力分布规律。根据三阶段滑移过程,提出了螺栓群总滑移量的计算公式。以孔壁变形特点为依据,采用分段函数拟合出孔壁的变形-荷载曲线,并将拟合的曲线与芯板和盖板各螺栓孔壁变形平均值有限元结果进行了比对。结果表明:有限元计算的荷载-位移曲线与实测的荷载-位移曲线吻合良好,验证了有限元模型的正确性;拟合的变形-荷载曲线与有限元模拟值吻合良好;当外荷载为375 kN时,传力比最大的第1列螺栓首先开始松动,之后便出现微小滑移;当外荷载增加至905 kN时,第1列螺栓芯板位置处出现大面积塑性变形区并发生孔壁挤压破坏,可以认为芯板已经达到极限承载能力状态,但此时盖板的Von Mises应力仅为231.1 MPa,说明盖板没有进入屈服状态。研究结果可为摩擦型高强螺栓群的研究和设计提供参考。

曲面摩擦滑移隔震结构的随机地震可靠度分析

曲面摩擦滑移隔震结构(curved surface sliding isolated structure,CSSIS)是一种具有广泛应用潜力的新技术.但在工程实践中,地震波的选取会显著影响CSSIS的抗震设计和风险评估结果.针对缺乏强震记录的情况,提出一个能够反映特定地区地震特征的随机地震动模型,并通过Monte-Carlo模拟算法,评估CSSIS的抗震可靠指标.通过振动台试验和理论分析确定CSSIS力学模型的关键结构参数,采用随机地震动模型生成地震波,以天津宁河地区为例,基于首次超越概率理论,计算了CSSIS的失稳概率Pf.结果表明,地震震级M和震中距D对CSSIS的抗震性能具有显著影响.随着震中距D的增加,上部结构的失稳概率Pf迅速下降;相反,地震震级M的增加会导致Pf升高.所得研究结果将为CSSIS的广泛应用提供重要的设计参考依据.

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。