工程與技術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科

鋼管再生混凝土軸壓短柱受力性能的試驗(yàn)與理論分析

陳宗平，張士前，王妮，等

摘要：目的：為了揭示鋼管再生混凝土短柱在軸心受壓狀態(tài)下的破壞形態(tài)、承載能力和變形性能，探明外包鋼管對內(nèi)部核心再生混凝土的套箍系數(shù)及再生粗骨料取代率對該類新型構(gòu)件的力學(xué)性能影響規(guī)律，并研究建立其理論分析模型和極限承載力計算方法。方法：采用試驗(yàn)和理論相結(jié)合的研究手段，首先再生粗骨料取代率和套箍指標(biāo)為變化參數(shù)，設(shè)計22個鋼管再生混凝土短柱試件進(jìn)行以位移控制的軸心受壓加載試驗(yàn)，通過試驗(yàn)揭示了其受力破壞機(jī)理，獲取受力破壞全過程的荷載—位移曲線和峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變等特征點(diǎn)參數(shù)。然后，基于試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，深入分析了不同再生粗骨料取代率和外包鋼管套箍指標(biāo)對鋼管再生混凝土軸壓短柱力學(xué)性能的影響規(guī)律；并進(jìn)行了軸心受壓狀態(tài)下，鋼管再生混凝土柱應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程分析的理論公式擬合，提出了其相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和極限承載力計算方法。結(jié)果：軸心受壓狀態(tài)下，鋼管再生混凝土短柱與普通鋼管混凝土短柱的破壞過程和破壞形態(tài)相似，均表現(xiàn)為腰鼓狀的破壞形態(tài)；再生粗骨取代率的變化（從取代率0%增大到100%）對鋼管再生混凝土軸壓短柱的承載能力、變形性能、位移延性和能量耗散等力學(xué)性能指標(biāo)的影響不大（其范圍在8%之內(nèi)），而外包鋼管套箍指標(biāo)的變化對鋼管再生混凝土軸壓短柱的極限承載能力和變形性能的影響明顯；基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論和疊加計算理論建立的公式方法其計算值小于試驗(yàn)值（偏于安全），而基于套箍混凝土理論建立的計算方法其計算值略大于試驗(yàn)值。結(jié)論：不同再生粗骨料取代率下鋼管再生混凝土軸壓短柱均具有良好的承載能力和變形性能，將其推廣應(yīng)用于工程實(shí)際中可行，擬合提出的鋼管再生混凝土軸壓短柱受力全過程應(yīng)力-應(yīng)變理論公式和基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論和疊加計算理論建立的公式方法可應(yīng)用于鋼管再生混凝土軸壓短柱的理論分析和設(shè)計中。

來源出版物：工程力學(xué), 2013, 30(4)：107-114

入選年份：2016

全級配混凝土三維細(xì)觀模型的建模方法研究

方秦，張錦華，還毅，等

摘要：目的：混凝土在細(xì)觀層次上由粗細(xì)骨料、水泥砂漿和二者之間的粘接界面（ITZ）組成，細(xì)觀各組份的力學(xué)性質(zhì)決定了混凝土的宏觀力學(xué)性質(zhì)和破壞模式。為此，建立一種混凝土材料三維細(xì)觀建模方法，用于研究混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其力學(xué)性能，在細(xì)觀層次上分析沖擊爆炸荷載作用下混凝土的損傷破壞機(jī)理。方法：建模方法分為4個步驟。首先，基于混凝土三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從粗骨料的形狀特征入手，研究不同粒徑骨料的含量和分布規(guī)律，提出空間三維隨機(jī)凸多面體的建模方法，生成了一系列隨機(jī)大小和形狀的三維粗骨料在骨料生長過程中提出了形狀控制技術(shù)，避免了尖角、長條狀類骨料的出現(xiàn)。其次，基于taking & placing算法，用于粗骨料的空間隨機(jī)投放，建立了三維骨料在空間的隨機(jī)分布模型，與其它方法相比，本文提出的投放算法，大幅度提高了骨料一次性投放成功率和骨料體積含量，縮短了計算時間，提高了計算效率。第三，在三維細(xì)觀有限元網(wǎng)格剖分方面，由于混凝土各個組份（骨料、砂漿、ITZ層）在空間分布上呈現(xiàn)隨機(jī)性特點(diǎn)，必須發(fā)展高效的材料屬性識別算法，將混凝土各組份隨機(jī)分布的特點(diǎn)在有限元網(wǎng)格中體現(xiàn)出來，同時，由于ITZ層是連接砂漿與骨料之間很薄的一層介質(zhì)，對于ITZ層的處理，直接關(guān)系到計算精度和效率。根據(jù)映射網(wǎng)格方法，將待剖分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格離散，得到初步剖分網(wǎng)格，根據(jù)網(wǎng)格投影算法，將初步剖分網(wǎng)格投影到隨機(jī)骨料模型區(qū)域，根據(jù)混凝土細(xì)觀組份隨機(jī)分布特點(diǎn)，提出高效的材料屬性判定算法，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同單元的材料屬性，依次確定砂漿單元、骨料單元與ITZ單元。最后，編制了相應(yīng)的接口程序，將生成的細(xì)觀模型，嵌入大型通用有限元計算軟件 ABAQUS和 LS-DYNA中，并進(jìn)行混凝土靜態(tài)力學(xué)特性和高速沖擊條件下破壞形態(tài)的模擬。結(jié)果：根據(jù)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，在空間八面體的基礎(chǔ)上，提出了三維隨機(jī)凸多面體生成與隨機(jī)投放算法，在此基礎(chǔ)上，提出了高效的網(wǎng)格剖分算法，建立了混凝土三維細(xì)觀模型，通過編制相應(yīng)的接口程序，嵌入大型通用有限元軟件，可靜、動態(tài)荷載作用下混凝土的力學(xué)性能與細(xì)觀損傷破壞機(jī)理的數(shù)值分析。結(jié)論：生成的三維細(xì)觀模型具有如下幾個方面的特點(diǎn)。（1）三維隨機(jī)骨料顆粒具有形狀可控、算法簡單等特點(diǎn)，生長過程中采用形狀控制技術(shù)，避免了尖角、長條狀類骨料的形成。（2）在骨料投放過程中，基于taking & placing算法，優(yōu)化了骨料投放流程，提高了計算效率和骨料體積含量。（3）在網(wǎng)格剖分過程中，單元特征尺寸的選取與骨料尺寸和ITZ層厚度相聯(lián)系，使得有限元網(wǎng)格能夠充分反映細(xì)觀模型的結(jié)構(gòu)特性。對單軸靜載和沖擊荷載作用下混凝土靜動力特性的算例表明，生成的混凝土細(xì)觀模型，在模擬混凝土靜力特性和高速沖擊破壞特性方面具有較高的可靠性。

來源出版物：工程力學(xué), 2013, 30(1)：14-21

入選年份：2016

螺栓節(jié)點(diǎn)板抗剪連接的有限元模擬方法研究

沈國輝，潘峰，孫炳楠，等

摘要：目的：在格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)中，采用螺栓節(jié)點(diǎn)板來連接兩根鋼構(gòu)件的做法已得到廣泛應(yīng)用。由于螺栓的緊固作用使得節(jié)點(diǎn)板之間存在接觸和摩擦作用，導(dǎo)致螺栓節(jié)點(diǎn)板體系的受力情況非常復(fù)雜。針對常見的3種有限元模擬方法進(jìn)行計算，分析螺栓節(jié)點(diǎn)板抗剪連接的受力性能，比較不同方法的計算結(jié)果、建模難度和計算效率等，并將簡單實(shí)例的有限元分析結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，給出有限元模擬方法的應(yīng)用建議。方法：首先，針對某試驗(yàn)實(shí)例進(jìn)行有限元建模計算，采用了3種方法，（1）設(shè)置接觸約束并施加預(yù)緊力（簡稱接觸加預(yù)緊力），采用 SOLID45單元模擬螺栓和連接板，CONTA174單元和TARGE170單元模擬連接板之間、螺栓孔壁和螺栓桿之間的摩擦接觸作用，采用PRETS179單元進(jìn)行螺栓桿內(nèi)預(yù)緊力的施加。（2）耦合節(jié)點(diǎn)板螺栓孔處相關(guān)節(jié)點(diǎn)（簡稱耦合螺孔節(jié)點(diǎn)），采用SOLID45單元模擬連接板，采用耦合3塊連接板在螺栓孔附近相關(guān)節(jié)點(diǎn)的自由度來模擬螺栓對連接板的約束作用。（3）連接板直接進(jìn)行粘結(jié)（簡稱直接粘結(jié)），采用單元和網(wǎng)格劃分基本同耦合螺孔節(jié)點(diǎn)方法，但3塊連接板之間采用耦合了連接面上所有節(jié)點(diǎn)自由度的方法。對模擬結(jié)果采用荷載—位移曲線進(jìn)行分析。其次將3種方法的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。最后，為了探討上述模擬方法在復(fù)雜實(shí)例中的應(yīng)用，針對某十字形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了其彈性階段承載時的受力分析，比較了3種方法的結(jié)果。試驗(yàn)實(shí)例的模擬結(jié)果表明，（1）接觸加預(yù)緊力方法得到的螺栓孔內(nèi)表面豎向位移在連接板交接處發(fā)生了較大的相對位移，中間塊連接板應(yīng)力較大，且在連接板交界處存在應(yīng)力突變現(xiàn)象。環(huán)向位移和應(yīng)力均較小，比較符合實(shí)際情況。（2）耦合螺孔節(jié)點(diǎn)方法得到的螺栓孔內(nèi)表面豎向位移在連接板交接處發(fā)生了較大的相對位移，且連接板交接處的變形很大，螺栓孔周邊節(jié)點(diǎn)也發(fā)生了畸變，連接板的交接處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。環(huán)向位移和應(yīng)力都很大。（3）直接粘結(jié)方法得到的螺栓孔內(nèi)表面豎向位移和應(yīng)力沿長度方向基本不變，且數(shù)據(jù)均較小，環(huán)向位移和應(yīng)力非常小，說明這種方法過分放大了螺栓連接的整體性和剛度。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較表明，（1）接觸加預(yù)緊力方法的結(jié)果最合理，計算得到的受力狀態(tài)和變形情況最符合實(shí)際情況，與試驗(yàn)結(jié)果的吻和程度也最高。但該方法的不足之處是建模復(fù)雜，計算代價大。（2）耦合螺孔節(jié)點(diǎn)方法與第一種方法的結(jié)果比較接近，其建模難度不大，計算代價小。但該方法的最大問題是耦合節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力和位移會發(fā)生畸變，與實(shí)際情況不符。（3）直接粘結(jié)方法的計算結(jié)果與實(shí)際情況吻和較差，由于其將各塊連接板粘接成一個整體參與受力，因此其模擬結(jié)果過于安全。該方法的優(yōu)點(diǎn)是建模簡潔方便，計算代價最小。十字形節(jié)點(diǎn)的模擬結(jié)果表明，（1）接觸加預(yù)緊力方法和耦合螺孔節(jié)點(diǎn)方法計算得出的Von-Mises等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在最邊緣處螺栓孔壁，位置相同，應(yīng)力最大值和相對位移數(shù)據(jù)也比較接近。（2）直接粘結(jié)方法計算得出Von-Mises等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在支管與連接板的相交位置，出現(xiàn)位置和最大值都不相同，而相對位移數(shù)據(jù)較小，說明該方法使得螺栓節(jié)點(diǎn)板的剛度過大，導(dǎo)致支管端部的相對位移偏小，且基于該方法計算的結(jié)果完全不會在螺栓節(jié)點(diǎn)板位置出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，與實(shí)際情況有一定的不同。結(jié)論：采用接觸加預(yù)緊力是最為合理的一種方法，也是推薦使用的方法，但該方法的不足之處是建模復(fù)雜、計算費(fèi)時。如果計算模型過于復(fù)雜，采用該方法進(jìn)行建模有困難時，優(yōu)先推薦耦合螺孔節(jié)點(diǎn)方法。該方法的最大問題是耦合節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力和位移會發(fā)生畸變，與實(shí)際情況不符。直接粘結(jié)方法雖然具有建模簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法由于過分放大了連接板系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度，因而獲得的應(yīng)力和位移都比實(shí)際情況小。

來源出版物：工程力學(xué), 2013, 30(1)：119-125

入選年份：2016

鋼筋混凝土框架抗連續(xù)倒塌的壓拱機(jī)制分析模型

周育瀧，李易，陸新征，等

摘要：目的：連續(xù)倒塌是意外災(zāi)害荷載（如爆炸、撞擊、火災(zāi)和人為失誤等）造成建筑結(jié)構(gòu)初始局部破壞并在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)傳播，最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)生與初始破壞不成比例的倒塌破壞。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)依靠梁板組成的樓蓋系統(tǒng)來抵抗連續(xù)倒塌。在小變形下，樓蓋系統(tǒng)的連續(xù)倒塌抗力由梁板內(nèi)的壓拱機(jī)制提供?，F(xiàn)有壓拱機(jī)制抗力計算方法基于框架梁的宏觀受力分析，但結(jié)構(gòu)體系的超靜定導(dǎo)致該計算模型的參數(shù)過多且不能考慮樓板的影響，因此難以在工程設(shè)計中進(jìn)行應(yīng)用?；谖⒂^受力分析，通過簡化樓蓋系統(tǒng)關(guān)鍵截面承載力計算，建立鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在壓拱機(jī)制下連續(xù)倒塌抗力計算方法。方法：首先對框架梁在壓拱機(jī)制下的微觀受力機(jī)理進(jìn)行分析，建立連續(xù)倒塌抗力和梁端截面內(nèi)力（包括彎矩和軸力）間的力平衡方程。針對壓拱機(jī)制下各截面進(jìn)行極限狀態(tài)分析，獲得梁端彎矩的計算方法，并推導(dǎo)得到梁內(nèi)軸力和梁兩端截面受壓區(qū)高度平均值的理論關(guān)系?；诳蚣芰旱淖冃螀f(xié)調(diào)方程，推導(dǎo)得到受壓區(qū)高度平均值的理論計算公式，從而建立梁軸力的計算方法。最終由關(guān)鍵截面的彎矩和軸力計算框架梁在壓拱機(jī)制下的連續(xù)倒塌抗力。另一方面，針對梁板組合而成的樓蓋，引入相對受壓區(qū)高度系數(shù)，來考慮樓板鋼筋導(dǎo)致截面超筋時的截面應(yīng)變分布。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，給出了相對受壓區(qū)高度系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)而能夠方便地計算關(guān)鍵截面內(nèi)力。最終，建立考慮樓板影響下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在壓拱機(jī)制下連續(xù)倒塌抗力的計算方法。結(jié)果：通過分析11個試驗(yàn)中47個梁試件的試驗(yàn)結(jié)果表明，該計算方法的平均誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)差分別為9.2%和23%，略優(yōu)于經(jīng)典的Park公式（2個值分別為12.1%和21.3%）。但是計算參數(shù)僅12個，比Park公式少5個，計算公式更加簡潔、適合工程設(shè)計計算。通過計算6個梁板子結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果表明，該計算方法的平均誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)差分別為6.6%和16.2%，比Park公式的誤差顯著降低（2個值分別為29.7%和15.0%），該計算方法在考慮梁板共同作用時的計算精度更高。此外，計算結(jié)果也表明6個梁板子結(jié)構(gòu)試件的軸向壓力貢獻(xiàn)了29.8%的連續(xù)倒塌抗力，按照傳統(tǒng)的塑性理論僅考慮端部受彎貢獻(xiàn)會嚴(yán)重低估實(shí)際結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌抗力。結(jié)論：基于結(jié)構(gòu)微觀機(jī)理的受力分析，建立了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌抗力的理論計算方法。計算公式所描述的結(jié)構(gòu)內(nèi)力貢獻(xiàn)與理論和試驗(yàn)相一致。在計算精度方面，對梁試件的計算精度略優(yōu)于現(xiàn)有經(jīng)典方法，但是計算參數(shù)大幅降低更適合工程設(shè)計計算；對梁板子結(jié)構(gòu)試件的計算精度顯著優(yōu)于現(xiàn)有經(jīng)典方法。

來源出版物：工程力學(xué), 2016, 33(4)：34-42

入選年份：2016