损伤混凝土结构的长期变形与力学性能研究综述

混凝土结构在服役过程中会受到复杂的环境与荷载作用,这些复杂荷载作用会使结构产生损伤,不仅会引起结构的内力重分布,还会导致结构构件的抗力性能劣化,增大结构的长期变形,带来一系列结构安全问题。现有关于混凝土结构长期变形的研究,大多以徐变为主要考察对象,较少考虑其他环境及荷载作用,对耦合作用下不同损伤的混凝土结构的长期变形规律、力学性能退化研究尚不充分。为此,梳理了损伤混凝土结构长期变形的相关研究,分别对环境侵蚀作用、循环荷载作用与复杂荷载作用下,混凝土结构的长期变形与力学性能研究进行了分析与评价,最后提出需要完善的内容和发展趋势。

可持续发展工程结构全寿命周期设计理论体系研究

以结构全寿命周期为研究时域,运用结构全寿命设计的新理念,构架了工程结构全寿命设计的目标体系,并从目标体系出发,结合工程结构的特点,分析了设计中结构性能、成本、使用寿命的内涵及相互关系。在综合众多影响因素的基础上,构建了工程结构全寿命周期设计理论的研究框架,确定了工程结构性能指标、经济指标及时间指标在全寿命设计理论体系中的核心地位,提出了基于性能设计的耐久性极限状态设计新理念,并分析了性能极限状态所具有的特点。

可持续发展工程结构全寿命周期设计理论体系研究

以结构全寿命周期为研究时域,运用结构全寿命设计的新理念,构架了工程结构全寿命设计的目标体系,并从目标体系出发,结合工程结构的特点,分析了设计中结构性能、成本、使用寿命的内涵及相互关系。在综合众多影响因素的基础上构建了工程结构全寿命周期设计理论的研究框架,确定了工程结构性能指标、经济指标及时间指标在全寿命设计理论体系中的核心地位,提出了基于性能设计的耐久性极限状态设计新理念,并分析了性能极限状态所具有的特点。

基于修正力磁模型的混凝土结构压磁疲劳模拟

为了通过混凝土梁内钢筋在力磁效应下的磁信号来定量分析混凝土梁的疲劳状态,整合几种力磁模型的优缺点和适用范围,提出了适用于铁磁性材料弹塑性阶段的力磁本构模型,并通过ANSYS定量模拟分析了混凝土梁在弹性和弹塑性阶段的磁化特征;对混凝土结构在拟动力和疲劳加载过程中的力磁效应进行了有限元模拟,得到了测点处磁感应强度的时变曲线,并与试验和隐式微分模型所得结果进行对比。结果表明:修正后的力磁模型在弹性阶段的应用能够准确反映试验观察到的3个阶段变化规律,即梁开裂前的平直段、开裂后的迅速磁化段和加载后期的磁化饱和段;该模型的磁场模拟结果还能反映箍筋、纵筋的相对位置和梁的受载情况;在疲劳阶段,模拟结果与试验观察的规律一致,精度较高,并与试验结果在同一数量级;该修正力磁模型不仅具有应力与磁学属性的直观映射关系,而且相较于隐式微分模型更易于应用,可作为力磁效应的定量化研究工具。

山区输电线路跳线风偏状态方程及临界风速研究

为研究山区微地形中的竖向风速对跳线风偏的影响,基于刚性直棒法对导线、跳线及绝缘子串增加竖向风荷载分析,确定跳线处最大风偏位移值作为风偏指标,建立风荷载作用前后跳线静力平衡平面的几何变换关系,提出了考虑竖向风速影响的跳线风偏状态方程。建立半径5 km的地形模型,包含跳线风偏事故地点与微气象站点,采用数值模拟方法将微气象站点风速推演到事故地点风速,获得了考虑微地形影响的跳线风偏闪络事故风速。将事故线路参数及竖向风速代入跳线风偏状态方程,得到跳线风偏临界水平风速,通过与事故风速进行比较验证了跳线风偏状态方程的可靠性。最后根据风偏状态方程分析竖向风速的变化对跳线风偏临界水平风速的影响。结果表明:随着竖向风速的增大,跳线风偏临界水平风速线性减小,当风攻角为20°时临界水平风速可降低16%。考虑竖向风速影响的跳线风偏临界水平风速取值较为安全,建议在山区输电线路跳线设计过程中加以考虑。

超大幕墙开启扇结构风洞试验研究

尽管越来越多的商场、写字楼采用超大幕墙作为外围护结构,而目前对开启扇的研究仍主要集中于普通尺寸。但超大幕墙受风荷载的作用与普通幕墙结构迥异,如何确定并计算其风荷载及其影响是结构设计的关键问题。对超大幕墙开启扇进行了风洞试验研究,在确定其风压系数的基础上,计算风压时程与风压极值两种条件下的力矩,得到不同湍流度、不同风向角组合下的最不利工况,并与依据规范的计算结果比较。结果表明,风压极值的最大正、负力矩普遍略小于风压时程下的力矩,仅在开启扇紧闭时,风洞试验得到的力矩更大。在瞬时风压下,幕墙角部受力较大。结合某设计院大楼超大幕墙开启扇的工程实例,分析了驱动器的受力情况和极限状态。

混凝土桥梁结构全寿命可持续性成本量化模型

为了在规划设计阶段定量化地考虑工程结构的环境和社会影响,提出一种综合性的全寿命可持续性成本指标框架和计算模型。在环境影响方面,将空气、水体和土壤污染物的防治成本作为量化指标,提出工程活动、交通绕行和交通拥堵引起的环境成本模型,汇总常见建筑材料和燃料动力的环境成本费率。在社会影响方面,提出社会成本量化模型,涵盖施工和交通安全、客货运输、区域经济、居住环境和公共服务等方面。以沿海桥梁维护方案比选为例,说明全寿命可持续性成本的参数取值和计算方法。结果表明,对于占用车道的桥梁维修方案,环境和社会成本之和远超直接经济成本,而不占用车道的维护方案的环境和社会成本很少,其中环氧涂层方案的可持续性优于电化学除氯方案。

π形山脉主山脊线风速加速效应研究

为研究真实地形的加速效应,提取真实地形的几何特征建立理想简化地形,提出一种π形山脉模型.采用CFD数值模拟研究顺子山脉风向下子山脉间距、长度及坡度对主山脊线加速效应的影响,结合地形特征比较π形山脉与三维余弦山脉的主山脊线加速比差异,在后者基础上获得π形山脉主山脊线特征点的风速加速比简化计算公式,并通过一处真实π形山脉加以验证.结果表明:π形山脉主山脊线中点的加速比受子山脉间距、长度影响较大,而山脊线交点的加速比受子山脉长度、坡度影响较大;与三维余弦山脉相比,π形山脉主山脊线加速比在山脊线端部相同,但整体偏小,尤其受子山脉遮挡的部分显著偏小,超过离地70 m高度后差异基本消失;通过与真实π形山脉的风场比较,发现简化地形和简化计算公式能较好反映真实地形主山脊线特征点的加速效应.

基于实测数据的某高层建筑结构动力参数和气动阻尼识别

根据在北冕台风及汶川远震作用下某270 m高大楼顶层实测得到的加速度响应数据,对该高楼的结构动力参数和气动阻尼进行了识别。采用两种方法识别得到了该大楼的模态振动频率和阻尼比参数。一是经验模态分解(EMD)结合随机减量法(RDT)及希尔伯特黄变换法(简称EMD+RDT),另外采用了基于贝叶斯理论和快速傅里叶变换的识别方法。利用EMD+RDT法,还得到了阻尼比随加速度幅值的变化规律。两种方法识别得到了非常一致的模态振动频率结果。然而,在台风作用和地震作用下所识别的大楼阻尼比特性却表现出明显不同的特性和规律,这种不同主要是由于在台风作用下的建筑物阻尼包含了气动阻尼成分。如果把地震作用下识别得到的该高楼阻尼比作为结构阻尼比,台风条件下识别得出的阻尼比为总阻尼比,则二者相减可以作为该楼气动阻尼比的估计。

工程结构全寿命可靠性与灾害作用下的安全性

从结构生命周期的角度研究了工程结构的可靠性问题.结合历史统计资料研究,指出了在常规荷载作用下使用阶段的结构可靠性可以从设计规范上得到基本保障,而对于施工阶段和老化阶段的结构可靠性以及结构在使用过程中受爆炸、冲击和火灾等偶然灾害作用时的安全性问题尚缺乏深入的研究.从荷载和抗力的分布模式、结构失效概率和(可接受的)目标失效概率、灵敏度分析和设计方案修正等角度对可靠度问题进行了分析,指出采用现行规范的荷载抗力系数(LRFD)方法不能有效解决问题,而可靠度分析方法是解决问题的重要手段与方法.

结构裂缝的分布式光纤监测方法及试验研究

结构裂缝监测是评估结构安全性的重要依据之一,分布式光纤裂缝监测技术可有效避免点式检测空间不连续造成的漏检现象,且易于实现自动化监测。该文提出了布里渊光频域分析计(BOTDA)结合斜交光纤组的裂缝监测方法,通过几何分析得到了光纤应变和裂缝宽度及开展方向的理论模型,并采用标定试验建立了由光纤测试应变反算裂缝宽度及开展方向的数值方程。同时开展了光纤裂缝传感器标距和预拉力大小对测量精度影响的试验研究,并标定了300mm标距的光纤裂缝传感器实测应变和裂缝宽度及夹角的定量关系。最后通过裂缝模拟试验对裂缝开展进行了跟踪监测,结果表明斜交光纤组能有效得到光纤与裂缝之间夹角值并实时监测裂缝宽度变化。

混凝土小型空心砌块建筑温度效应分析和研究

结合杭州混凝土小型空心砌块多层住宅试点工程的设计 ,针对设计方案中所采用不同的构造措施 ,建立相应的有限元模型。考虑南方地区的气象和气候条件 ,参考已有的试点建筑温度场分布 ,进行温度效应的有限元分析。从而得到试点建筑中温度应力的分布 ,为南方混凝土小型空心砌块建筑温度裂缝控制提供设计依据。

钢筋混凝土结构耐久性提升技术研究进展

钢筋混凝土结构耐久性的提升技术可以从"防"、"抗"、"治"3个方面考虑。从"治"的角度出发,综述了国内外对钢筋混凝土结构的传统修补方法和电化学修复方法的研究,介绍了阴极保护法、混凝土再碱化法、电沉积修复法、电化学除氯法以及电渗阻锈剂法的基本原理和研究现状,评述了各种修复方法效果及其影响因素。重点介绍了在结合电迁移型阻锈剂和电化学除氯技术优势的基础上提出的双向电渗修复法的概念、基本原理以及目前的研究状况和技术难点。最后,在双向电渗的研究基础上提出将纳米材料引入双向电渗的新方法。

再生混凝土结构长期工作性能研究进展

再生混凝土结构的应用是建筑垃圾资源化利用和建筑材料可持续发展的重大需求,受到国内外学术界和工程界的共同关注和高度重视.再生混凝土结构长期工作性能研究是再生混凝土研究的一个重要方向,其中再生混凝土的抗冻融性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透性能、徐变性能、再生混凝土内钢筋锈蚀及锈裂、锈蚀钢筋与再生混凝土黏结性能和再生混凝土构件的长期工作性能是决定再生混凝土结构长期工作性能的重要组成部分.本文就以上7个方面的相关研究进行了总结和分析,归纳了亟待深化研究的问题.结果表明:1)以上再生混凝土长期工作性能研究均有不同程度进展,并取得了很多较有价值的结论,但也有部分研究结论并不完全一致,甚至相互冲突,究其原因,主要因再生骨料来源、配合比设计和试验方法不同所致,仍需进一步深入研究;2)多数研究围绕中、低强再生混凝土展开,高强再生混凝土方面涉及较少,可多开展高强再生混凝土长期工作性能研究,与目前大力推广使用的高强钢筋同步进行,使二者充分发挥其性能,避免浪费;3)宏观规律性结论较多,细微观结构机理研究较少,可多进行细微观机理研究;4)相较再生混凝土材料长期工作性能研究成果而言,再生混凝土构件和结构部分的研究相对薄弱,后续可多开展构件或结构方面的研究;5)再生混凝土长期工作性能研究多为单因素作用研究,而实际工程多为多因素耦合作用,后续可进一步深入多因素耦合作用效果研究,以最大程度实现理论与实际吻合.期望本文能为后续再生混凝土长期工作性能的研究提供思路和方向,为再生混凝土的推广应用提供数据和理论支持.

混凝土结构锈胀裂缝中铁锈分布的试验研究

混凝土结构锈胀开裂是导致混凝土结构耐久性失效的主要原因。在锈胀开裂过程中,铁锈是否填充到锈胀开展的裂缝中,是影响锈裂模型预测结果准确与否的重要因素之一。对人工气候环境下加速劣化的混凝土试块进行切片研究,采用数码显微镜观察了混凝土锈胀开裂裂缝中铁锈分布的情况,由此分析随裂缝开展铁锈发展的过程。试验研究认为,对于外裂裂缝,在裂缝开展到保护层表面之前,铁锈对裂缝的填充可忽略不计;只有在裂缝贯通到保护层表面后,铁锈才会逐渐填入钢筋附近的裂缝之中,并能在较远位置的裂缝边缘观察到铁锈的吸附。而对于内裂裂缝,钢筋锈蚀到一定程度后,也会有少量的铁锈填入裂缝中,但填充过程要缓慢得多。铁锈发展的这一特性,对混凝土结构锈裂过程的分析和合理锈裂模型的建立具有非常重要的指导意义。

建筑结构风致响应的时频域计算方法比较

针对结构风致响应的时域法结果和频域法结果是否一致的问题,以高层建筑和冷却塔为例比较两种方法在相同的风荷载条件时的响应结果,分析时域法和频域法产生结果差异的原因并给出减少差异的措施,为两种方法在求解结构风致响应的合理应用提供参考.研究表明:频域分析中根据各阶模态的应变能确定该阶模态的贡献程度;计算模型是影响时频域结果吻和程度的一个重要因素,如果两种方法采用相同的计算模型,那么两种方法得到的计算结果会非常接近;计算中结构阻尼的处理方式也是导致时频域计算结果差异的一个原因.

火灾后混凝土结构耐久性的若干研究

火灾对混凝土结构的安全性和适用性带来了严重的危害,而对其耐久性造成的危害同样不可忽视。由于火灾的高温和含氯烟雾作用,混凝土结构存在严重氯离子侵蚀问题。火灾的高温导致混凝土结构碳化,同时,火灾后的混凝土结构也存在着硫酸盐侵蚀等其他一些比较常见的耐久性问题。火灾对混凝土结构耐久性诸多影响的作用机理有别于通常状况,在深入研究火灾影响混凝土结构耐久性各种因素的作用机制的基础上,提出利用特殊的氯离子扩散模型来评估火灾后混凝土结构抵抗氯离子侵蚀耐久性能;引入混凝土结构内部温度场分布理论来评估火灾后混凝土结构碳化剩余寿命。

隧道内爆炸作用下衬砌结构损伤机理及抗爆性能研究

为研究隧道内爆炸作用下衬砌结构抗爆性能,采用AUTODYN软件建立炸药-空气-衬砌结构-围岩与土体三维耦合体系模型,并考虑应变率对混凝土材料动力本构模型影响及炸药-空气-结构间流固耦合作用,分析隧道内爆炸荷载作用下衬砌结构动力响应及损伤机理,研究不同炸药量、衬砌结构配筋率及地质条件等对隧道衬砌结构抗爆性能影响。结果表明,隧道内爆炸作用下爆炸荷载存在振荡且沿隧道纵向、径向以不同规律衰减;损伤主要发生在衬砌结构底板、底板与侧帮及侧帮与拱肋连接部位;衬砌结构配筋率越高,围岩质量越好,衬砌结构损伤程度越低,隧道整体抗爆性能越好。

爆炸荷载作用下建筑结构倒塌的致命率

比较研究了爆炸荷载和地震荷载引起的建筑结构倒塌失效模式,收集了与建筑结构瞬间发生脆性倒塌失效相类似的事件,采用事件树建立了爆炸荷载作用下建筑结构倒塌引起的内部人员的致命率模型,并对数据库进行分类统计分析,给出了不同建筑结构类型的致命率统计特性和概率分布模型,通过对砖石、砖混和钢筋混凝土结构失效事件的组合统计分析,得到了当前城市主要建筑物在爆炸荷载作用下致命率的评估模型.基于现有数据样本量的观测统计,分析了不同楼层对致命率的影响.结果表明,随着楼层数的增加,建筑结构倒塌的致命率统计均值也相应增加.

混凝土结构内锈蚀钢筋的疲劳研究综述

腐蚀环境和反复荷载共同作用下混凝土结构的疲劳问题愈发突出,特别是混凝土结构在荷载作用下产生和发展的裂缝为腐蚀介质提供了快速传输通道,引起开裂区域钢筋局部坑蚀。动态荷载作用下疲劳裂纹在蚀坑底部形成并扩展,导致钢筋脆性断裂,进而导致混凝土构件的疲劳失效。回顾并分析了混凝土裂缝对钢筋疲劳性能的影响、坑蚀钢筋疲劳性能研究进展和基于弱磁效应的钢筋疲劳研究,指出掌握坑蚀钢筋的裂纹扩展行为是进行服役混凝土结构疲劳寿命预测的关键。弱磁效应能够实时地表征锈蚀钢筋的疲劳断裂行为,建立基于弱磁理论的锈蚀钢筋等效裂纹扩展长度和应力强度因子变幅表征方法,是服役钢筋混凝土结构疲劳寿命预测的一个创新方法。