利用有限元方法模拟力学拉伸试验以钢纤维混凝土为例

力学试验是获取岩石等许多工程材料力学性能的主要方法之一。 但是对某些特殊材料, 由于影响其力学性能的因素众多, 单纯通过试验来获取其力学性能, 成本高, 过程复杂。 如工程抗震中目前普遍使用的钢纤维混凝土(SFRC), 很难单纯通过力学试验来获取钢纤维的分布对其力学性能的影响。 本文基于随机方法对钢纤维混凝土建立有限元模型, 利用数值模拟的方法来估计钢纤维的分布和体积率对钢纤维混凝土拉伸性能的影响。 通过与试验结果比较验证了其可行性, 结果表明钢纤维的分布对钢纤维混凝土屈服前的力学性能影响较小, 对屈服后的应力-应变特征影响较大。 当钢纤维体积率从1%变化到2%, 钢纤维混凝土的屈服强度与体积率大致为线性关系, 强度随之增加。     

型钢混凝土十字形柱抗震性能试验及有限元分析

为研究型钢混凝土十字形柱的抗震性能,对6个不同轴压比、配钢形式的试件进行低周往复荷载试验,分析滞回曲线、延性、耗能能力、残余变形和累积损伤等抗震性能指标,研究结果表明型钢混凝土十字形柱的滞回曲线饱满对称、变形能力和耗能能力良好,配钢形式为T形钢加方钢管的试件的抗震性能较好。运用ABAQUS对试件进行有限元分析,得到试件的滞回曲线、骨架曲线及刚度退化曲线与试验结果吻合较好。对骨架曲线的影响因素进一步分析,结果表明:轴压比增大,试件的极限承载力增大,但刚度退化加速;型钢屈服强度、配箍率的增大,试件的峰值荷载增大,变形能力增强;配钢率和纵筋强度增大,试件的极限承载力和初始刚度值明显提高。     

高强度Q460钢材高温力学性能试验研究

采用恒温拉伸法和振动法分别对国产高强度Q460钢材在高温下的强度和弹性模量进行了试验研究。根据试验结果对屈服强度、极限强度和弹性模量进行了拟合,得到了Q460钢材的力学性能指标随温度变化的函数表达式。将Q460钢的高温力学性能指标和普通结构钢进行了对比。研究结果表明:高强度Q460钢材的强度和弹性模量随温度的升高而降低;Q460钢材高温下的强度折减系数比普通钢低,同等条件下,Q460钢结构比普通钢结构具有较好的抗火性能。     

连梁可更换构件及连接的试验和模拟分析

结构可更换构件通过可更换连接与主体结构相连,共同工作并集中塑性损伤,震后更换损伤构件即可恢复结构功能。为了研究一种连梁可更换构件及连接的性能,对可更换构件及连接试件进行反复加载试验,并对低屈服点耗能钢材进行单向拉伸试验。采用ABAQUS软件对该可更换构件及连接进行有限元模拟分析,比较了壳单元和实体单元模拟的计算效率和精度,并提出合理可行的材料参数取值方法,采用非线性接触对模拟可更换螺栓端板连接,模拟结果与试验结果吻合良好。试验分析可用于研究该类可更换构件及连接的实际性能,模拟分析可为该类可更换构件及连接提供性能预测方法,并验证了可更换构件实际屈服力与设计屈服力的吻合度和超强系数,验证连接螺栓不产生滑移。在此基础上,给出了该可更换构件及连接在工程中的应用方法。     

钢管混凝土边框内藏钢板组合剪力墙正截面受弯性能分析

提出了钢管混凝土边框内藏钢板的组合剪力墙,进行了模型抗震性能试验,表明其抗震性能良好。为进一步分析该组合剪力墙的受力特点,基于试验研究,引入了平截面假定,提出了正截面受弯承载力简化计算模型,给出了用条带法计算受弯承载力的公式并编制了计算程序。计算分析了钢管壁厚、内藏钢板厚度、混凝土强度等级对剪力墙受弯承载力的影响,计算结果与实测值符合较好。研究表明:增大钢管壁厚,剪力墙抗弯承载力明显提高;增大内藏钢板厚度,剪力墙承载力提高,但比增大钢管壁厚提高的效率低;混凝土强度等级提高,剪力墙抗弯承载力有一定的提高,但提高幅度随着边框钢管壁厚增大而减小;钢管壁厚、内藏钢板厚度、墙体截面厚度、混凝土强度应合理匹配,以充分发挥该组合剪力墙的抗震效能。     

两种不同的恒载升温方式下的钢材破坏机理分析

通过对我国建筑结构用钢在拉伸和压缩两种方式下的恒载升温试验,进行了5次受拉试件和2次受压试件的对比研究,根据试验中材料的各自变形规律,对其破坏机理进行了理论分析;从材料屈服的定义出发,给出了恒载升温拉伸试验中的参数(对应温度下的临界荷载水平),并与恒载升温压缩试验中的参数项进行了对比,指出受压构件和受拉构件的高温屈服强度是不同的,因此在钢结构建筑的耐火设计中应分别取不同的安全系数。     

低屈服点钢剪切板阻尼器滞回性能试验研究

为改善传统滞变型阻尼器在小振动变形时不明显的耗能效果,利用国产低屈服点钢设计了5个剪切板阻尼器（LYPSSP）,并对其进行低周往复循环荷载试验,重点考察阻尼器核心板连接方式、高厚比、十字加劲肋对其滞回性能的影响。研究结果表明：核心板与翼缘板通过熔透焊缝连接与螺栓连接相比,构造简单、可靠度高且易加工;由国产低屈服点钢制作的剪切板阻尼器滞回曲线饱满,耗能性能好,在同一位移级别下循环的滞回曲线基本上重合,稳定性好,并且在整个循环加载过程中,强化现象非常明显,破坏之前也没有出现强度和刚度的突然改变;以P/Py为设计目标时,核心板高厚比越小、面外屈曲越小,滞回曲线就越饱满,耗能性能就越好;根据等效粘滞阻尼器系数和平均耗能指数,能够对阻尼器的耗能性能很好地做出评价。     

铅芯支座力学参数对梁桥地震响应的影响

应用减隔震支座进行连续梁桥的抗震设计时,可通过支座参数的合理选择实现结构的抗震性能优化。针对一工程实例,进行系统的有限元仿真分析,研究铅芯橡胶支座设计参数优化问题。数值计算结果表明,铅芯橡胶支座的屈服强度对结构的内力和位移响应有较大影响;结构的内力和位移响应的降低与支座耗能率相关,其最大响应值随耗能率的增大而有不同程度的减小。建议根据支座耗能率进行隔震梁桥的支座参数优化,实现内力和位移响应量的同时降低。     

基于随机IDA的多龄期钢框架地震易损性分析

利用气雾腐蚀箱对城市近海大气环境进行了模拟。对近海大气环境中不同锈蚀程度的钢材试件进行了拉伸试验,并获得了钢材力学性能(屈服强度、极限强度、伸长率和弹性模量)随失重率增大的退化规律。利用钢材力学性能退化规律,建立了钢框架结构的时变整体地震损伤模型。基于ABAQUS数值模拟,同时考虑结构与地震动的不确定性,建立了4个不同龄期(0年、20年、35年、50年)6层钢框架结构的有限元模型,以PGA作为地震动强度指标,以结构整体损伤为地震需求指标,对模型进行了随机IDA分析,并在IDA分析结果的基础上对结构进行了多龄期钢框架结构地震易损性分析。研究结果表明,随着龄期的增长,结构失效概率逐渐增大,且在同一损伤状态下,结构失效概率的增量也逐渐增大;龄期对结构失效概率的影响随损伤程度的增加而增大。     

不同可替换构造钢连梁抗震性能研究

为实现剪力墙结构或框剪结构的震后快速修复,在钢连梁中采用震损可替换技术;采用ABAQUS软件对不同可替换构造的钢连梁进行数值仿真,研究不同跨高比下试件的抗震性能。研究表明:当跨高比较小时(≤2),由于受剪需求较高,采用摩擦端板连接构造的钢连梁比采用传统拼接板构造的钢连梁更容易形成受力明确的屈服耗能段,同时具有更大的初始刚度、强度和更稳定的滞回高能性能;随着跨高比增大(3),采用摩擦端板连接构造的钢连梁由于端板和螺栓的变形较大,抗震性能受到一定程度的削弱,增长摩擦端板并加设螺栓的构造能有效限制端板之间的相对变形,对试件抗震性能有明显的改善。而采用传统拼接板构造的钢连梁则具有更高的刚度和强度。在参数分析的基础上,对满足不同工程需求的可替换钢连梁连接构造提出建议,其研究成果可为建筑工业化和震后快速修复提供借鉴。     

基于IDA的多龄期钢排架结构地震易损性分析

针对钢材锈蚀导致结构抗震性能退化的现象,需对多龄期结构进行抗震性能评估。基于酸性大气环境下不同锈蚀程度钢材材性试验结果,以SAP2000为平台建立不同服役龄期(30年、40年、50年、60年)钢排架结构数值模型。选取PGA为地震动强度指标,最大层间位移角为地震需求参数对模型进行增量动力分析(IDA),建立结构地震需求模型,基于地震需求模型建立多龄期钢排架结构厂房地震易损性曲线和震害矩阵。研究成果可为城市多龄期建筑地震风险评估提供依据。     

应变率效应对600 MPa级高强钢筋混凝土框架结构抗震性能影响研究

为了更真实地进行钢筋混凝土结构抗震性能评估,应该考虑材料的应变率效应影响。600 MPa级高强钢筋作为新一代建筑钢材,尚无考虑应变率效应影响的600 MPa级高强钢筋混凝土框架结构抗震性能研究。首先进行了不同应变率下600 MPa级高强钢筋拉伸力学性能试验,利用试验数据拟合得到600 MPa级高强钢筋在不同应变率下的强度提高系数表达式,并利用OpenSees软件进行了配置600 MPa级高强钢筋混凝土框架结构抗震性能模拟分析,研究了应变率效应对框架结构抗震性能的影响。研究结果表明:随着应变率的增大,钢筋的屈服强度和极限强度均得到提高,屈服强度最大提高11.5%,极限强度最大提高8.9%;随着所考虑的材料应变率增加,配置600 MPa级高强钢筋框架结构最大顶点位移总体上呈减小趋势,地震波强度越强,应变率效应影响越大,而层间位移角减小幅值相差不大。研究成果可作为600MPa级高强钢筋混凝土框架结构抗震评估的依据。     

Mechanical and low-cycle fatigue behavior of stainless reinforcing steel for earthquake engineering applications

Use of stainless reinforcing steel (SRS) in reinforced concrete (RC) structures is a promising solution to corrosion issues. However, for SRS to be used in seismic applications, several mechanical properties need to be investigated. These include specified and actual yield strengths, tensile strengths, uniform elongations and low-cycle fatigue behavior. Three types of SRSs (Talley S24100, Talley 316LN and Talley 2205) were tested and the results are reported in this paper. They were compared with the properties of A706 carbon reinforcing steel (RS), which is typical for seismic applications, and MMFX II, which is a high strength, corrosion resistant RS. Low-cycle fatigue tests of the RS coupons were conducted under strain control with constant amplitude to obtain strain life models of the steels. Test results show that the SRSs have slightly lower moduli of elasticity, higher uniform elongations before necking, and better low-cycle fatigue performance than A706 and MMFX II. All five types of RSs tested satisfy the requirements of the ACI 318 code on the lower limit of the tensile to yield strength ratio. Except Talley 2205, the other four types of RSs investigated meet the ACI 318 requirement that the actual yield strength does not exceed the specified yield strength by more than 18 ksi (124 MPa). Among the three types of SRSs tested, Talley S24100 possesses the highest uniform elongation before necking, and the best low-cycle fatigue performance.     

Finite element investigation of steel built-up shear links subjected to inelastic deformations

Non-linear finite element models accounting for large displacements have been used to investigate the behavior of steel built-up shear links that had previously been tested using large-scale experiments. The links were designed using steel grades with yield points ranging from high to low strengths. The objectives of the numerical analyses were to further investigate the non-linear behavior and to correlate the numerical results with experimental observations. Elasto-plastic as well as cyclic stress-strain material properties were incorporated to study the influence of material behavior on the overall shear link response. Non-linear monotonic analyses of the shear links incorporating the cyclic stress-strain steel properties resulted in similar trends in the response as the backbone curves recorded from the physical experiments. The numerical models of built-up shear links utilizing structural grade steels closely correlated to the experimentally recorded shear strength.Models utilizing low yield point steels overestimated the shear strength, which was caused by the characteristics of cyclic behavior of those steels. The detailed numerical models also allowed for investigation of the plastic strain demands on the different components of the link. It was shown that finite element models combined with appropriate stress-strain relationship may be used with confidence to check the design of shear links of different steel grades and sectional geometries.     

约束高强度Q460钢柱抗火性能分析

为了研究高强度约束钢柱在火灾下的反应,根据高强度结构钢Q460在高温下的力学性能参数,建立了约束高强度钢柱受火分析模型,得到了高强度约束钢柱在火灾下的轴向位移、跨中挠度、最大应力以及临界温度。采用有限元分析对理论结果进行了验证,两者吻合很好。利用验证过的该文计算方法计算了2种荷栽比、长细比和约束刚度比条件下的高强钢柱的抗火性能;采用CECS200：2006的力学性能参数计算了约束普通钢柱的抗火性能。通过对高强钢和普通钢的抗火性能分析发现,轴向约束明显降低钢柱的临界温度,长细比、荷载比越大,临界温度越低;高强钢的抗火性能要优于普通钢。     

细观结构对混凝土动态力学特性的影响研究

混凝土作为非均质复合材料,其力学特性受材料的微细观结构形态影响比较明显,物理试验很难将各因素孤立出来单独考虑其对混凝土力学特性的影响,本文从数值试验入手,把混凝土看作是由骨料、砂浆以及界面组成的三相材料,研究动压和动拉荷载作用下细观结构中诸如骨料位置、单元尺寸、材料强度以及骨料粒径对混凝土动态力学特性的影响,发现混凝土的细观结构对其动态力学特性有影响,不同因素对混凝土动态力学特性影响权重不同,相同因素在不同荷载作用下的影响结果也不同。     

装配式剪力墙竖向钢筋套筒注浆连接试验研究

通过高应力反复拉压试验,研究了18个钢筋套筒注浆连接试件的破坏形态和套筒的应变,并对钢筋套筒注浆连接试件的屈服强度、极限强度和钢筋接头的等级进行了分析。结果表明:连接试件发生钢筋拉断和粘结破坏2种破坏形态,其屈服强度和极限强度均与钢筋母材强度相接近,另外钢筋连接采用套筒注浆的方式施工便捷和合理可靠,并通过对试验数据分析,给出了直径为12mm和14mm的HRB400钢筋采用此套筒注浆方式连接时套筒参数的建议值,为钢筋套筒注浆连接在装配式剪力墙中的设计和应用研究提供了一定的参考借鉴。     

Overstrength of dowelled CLT connections under monotonic and cyclic loading

This paper presents an evaluation of overstrength based on an experimental study on dowelled connections in Cross Laminated Timber (CLT). Connection overstrength needs to be well understood in order to ensure that ductile system behaviour and energy dissipation can be achieved under seismic loading. Overstrength is defined as the difference between the code-based strength, using characteristic material strengths, and the 95th percentile of the true strength distribution. Many aspects contribute to total connection overstrength, which makes its definition challenging. In this study, half-hole embedment tests were performed on CLT to establish embedment strength properties and three point bending tests were performed to determine the fastener yield moment. Different connection layouts, making use of mild steel dowels and an internal steel plate, were tested under monotonic and cyclic loading to evaluate theoretically determined overstrength values and study the influence of cyclic loading on overstrength. Experimental results were compared with strength predictions from code provisions and analytical models for ductile response under monotonic loading. It was found that cyclic loading does not significantly influence overstrength for connections that respond in a mixed-mode ductile way indicating that in future more expedient monotonic test campaigns could be used. This work also provides further experimental data and theoretical considerations necessary for the estimation of a generally applicable overstrength factor for dowelled CLT connections.     

寒区黏土与结构接触面冻结强度特性试验研究

寒区土与结构接触面冻结强度可以视为是与土性、温度、含水量、界面粗糙度、法向压力等诸多因素直接相关的复杂函数形式,并直接影响到上部结构的承载能力及稳定性。以青藏高原黏土与不同粗糙度的钢板结构接触面为研究对象,通过不同含水率、不同温度及不同法向压力下冻结黏土与钢板结构接触面的直剪正交试验,研究土与结构接触面冻结强度的影响因素及影响程度大小,并对冻结强度的变化规律进行初步分析和探讨。研究结果表明含水量对抗剪强度的影响最大,在不同影响因素共同作用下,界面抗剪强度最小值为0.13 MPa,最大值为0.45 MPa。界面抗剪强度随含水量的增加、温度的升高而明显降低,随界面法向压力和粗糙度的增大呈明显增大趋势。界面强度基本可通过摩尔-库仑准则,利用界面的黏聚力和内摩擦角进行表示,并在文中给出了界面强度的参考值。