工程与技术科学基础学科

钢管再生混凝土轴压短柱受力性能的试验与理论分析

陈宗平，张士前，王妮，等

摘要：目的：为了揭示钢管再生混凝土短柱在轴心受压状态下的破坏形态、承载能力和变形性能，探明外包钢管对内部核心再生混凝土的套箍系数及再生粗骨料取代率对该类新型构件的力学性能影响规律，并研究建立其理论分析模型和极限承载力计算方法。方法：采用试验和理论相结合的研究手段，首先再生粗骨料取代率和套箍指标为变化参数，设计22个钢管再生混凝土短柱试件进行以位移控制的轴心受压加载试验，通过试验揭示了其受力破坏机理，获取受力破坏全过程的荷载—位移曲线和峰值应力、峰值应变等特征点参数。然后，基于试验实测数据，深入分析了不同再生粗骨料取代率和外包钢管套箍指标对钢管再生混凝土轴压短柱力学性能的影响规律；并进行了轴心受压状态下，钢管再生混凝土柱应力—应变全过程分析的理论公式拟合，提出了其相应的数学表达式和极限承载力计算方法。结果：轴心受压状态下，钢管再生混凝土短柱与普通钢管混凝土短柱的破坏过程和破坏形态相似，均表现为腰鼓状的破坏形态；再生粗骨取代率的变化（从取代率0%增大到100%）对钢管再生混凝土轴压短柱的承载能力、变形性能、位移延性和能量耗散等力学性能指标的影响不大（其范围在8%之内），而外包钢管套箍指标的变化对钢管再生混凝土轴压短柱的极限承载能力和变形性能的影响明显；基于统一强度理论和叠加计算理论建立的公式方法其计算值小于试验值（偏于安全），而基于套箍混凝土理论建立的计算方法其计算值略大于试验值。结论：不同再生粗骨料取代率下钢管再生混凝土轴压短柱均具有良好的承载能力和变形性能，将其推广应用于工程实际中可行，拟合提出的钢管再生混凝土轴压短柱受力全过程应力-应变理论公式和基于统一强度理论和叠加计算理论建立的公式方法可应用于钢管再生混凝土轴压短柱的理论分析和设计中。

来源出版物：工程力学, 2013, 30(4)：107-114

入选年份：2016

全级配混凝土三维细观模型的建模方法研究

方秦，张锦华，还毅，等

摘要：目的：混凝土在细观层次上由粗细骨料、水泥砂浆和二者之间的粘接界面（ITZ）组成，细观各组份的力学性质决定了混凝土的宏观力学性质和破坏模式。为此，建立一种混凝土材料三维细观建模方法，用于研究混凝土细观结构特点及其力学性能，在细观层次上分析冲击爆炸荷载作用下混凝土的损伤破坏机理。方法：建模方法分为4个步骤。首先，基于混凝土三维细观结构特点，从粗骨料的形状特征入手，研究不同粒径骨料的含量和分布规律，提出空间三维随机凸多面体的建模方法，生成了一系列随机大小和形状的三维粗骨料在骨料生长过程中提出了形状控制技术，避免了尖角、长条状类骨料的出现。其次，基于taking & placing算法，用于粗骨料的空间随机投放，建立了三维骨料在空间的随机分布模型，与其它方法相比，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体积含量，缩短了计算时间，提高了计算效率。第三，在三维细观有限元网格剖分方面，由于混凝土各个组份（骨料、砂浆、ITZ层）在空间分布上呈现随机性特点，必须发展高效的材料属性识别算法，将混凝土各组份随机分布的特点在有限元网格中体现出来，同时，由于ITZ层是连接砂浆与骨料之间很薄的一层介质，对于ITZ层的处理，直接关系到计算精度和效率。根据映射网格方法，将待剖分区域进行网格离散，得到初步剖分网格，根据网格投影算法，将初步剖分网格投影到随机骨料模型区域，根据混凝土细观组份随机分布特点，提出高效的材料属性判定算法，在此基础上，根据不同单元的材料属性，依次确定砂浆单元、骨料单元与ITZ单元。最后，编制了相应的接口程序，将生成的细观模型，嵌入大型通用有限元计算软件 ABAQUS和 LS-DYNA中，并进行混凝土静态力学特性和高速冲击条件下破坏形态的模拟。结果：根据混凝土细观结构特性，在空间八面体的基础上，提出了三维随机凸多面体生成与随机投放算法，在此基础上，提出了高效的网格剖分算法，建立了混凝土三维细观模型，通过编制相应的接口程序，嵌入大型通用有限元软件，可静、动态荷载作用下混凝土的力学性能与细观损伤破坏机理的数值分析。结论：生成的三维细观模型具有如下几个方面的特点。（1）三维随机骨料颗粒具有形状可控、算法简单等特点，生长过程中采用形状控制技术，避免了尖角、长条状类骨料的形成。（2）在骨料投放过程中，基于taking & placing算法，优化了骨料投放流程，提高了计算效率和骨料体积含量。（3）在网格剖分过程中，单元特征尺寸的选取与骨料尺寸和ITZ层厚度相联系，使得有限元网格能够充分反映细观模型的结构特性。对单轴静载和冲击荷载作用下混凝土静动力特性的算例表明，生成的混凝土细观模型，在模拟混凝土静力特性和高速冲击破坏特性方面具有较高的可靠性。

来源出版物：工程力学, 2013, 30(1)：14-21

入选年份：2016

螺栓节点板抗剪连接的有限元模拟方法研究

沈国辉，潘峰，孙炳楠，等

摘要：目的：在格构式钢结构中，采用螺栓节点板来连接两根钢构件的做法已得到广泛应用。由于螺栓的紧固作用使得节点板之间存在接触和摩擦作用，导致螺栓节点板体系的受力情况非常复杂。针对常见的3种有限元模拟方法进行计算，分析螺栓节点板抗剪连接的受力性能，比较不同方法的计算结果、建模难度和计算效率等，并将简单实例的有限元分析结果同试验结果进行比较，给出有限元模拟方法的应用建议。方法：首先，针对某试验实例进行有限元建模计算，采用了3种方法，（1）设置接触约束并施加预紧力（简称接触加预紧力），采用 SOLID45单元模拟螺栓和连接板，CONTA174单元和TARGE170单元模拟连接板之间、螺栓孔壁和螺栓杆之间的摩擦接触作用，采用PRETS179单元进行螺栓杆内预紧力的施加。（2）耦合节点板螺栓孔处相关节点（简称耦合螺孔节点），采用SOLID45单元模拟连接板，采用耦合3块连接板在螺栓孔附近相关节点的自由度来模拟螺栓对连接板的约束作用。（3）连接板直接进行粘结（简称直接粘结），采用单元和网格划分基本同耦合螺孔节点方法，但3块连接板之间采用耦合了连接面上所有节点自由度的方法。对模拟结果采用荷载—位移曲线进行分析。其次将3种方法的模拟结果与试验结果进行比较。最后，为了探讨上述模拟方法在复杂实例中的应用，针对某十字形节点进行了其弹性阶段承载时的受力分析，比较了3种方法的结果。试验实例的模拟结果表明，（1）接触加预紧力方法得到的螺栓孔内表面竖向位移在连接板交接处发生了较大的相对位移，中间块连接板应力较大，且在连接板交界处存在应力突变现象。环向位移和应力均较小，比较符合实际情况。（2）耦合螺孔节点方法得到的螺栓孔内表面竖向位移在连接板交接处发生了较大的相对位移，且连接板交接处的变形很大，螺栓孔周边节点也发生了畸变，连接板的交接处存在严重的应力集中现象。环向位移和应力都很大。（3）直接粘结方法得到的螺栓孔内表面竖向位移和应力沿长度方向基本不变，且数据均较小，环向位移和应力非常小，说明这种方法过分放大了螺栓连接的整体性和刚度。模拟结果与试验结果的比较表明，（1）接触加预紧力方法的结果最合理，计算得到的受力状态和变形情况最符合实际情况，与试验结果的吻和程度也最高。但该方法的不足之处是建模复杂，计算代价大。（2）耦合螺孔节点方法与第一种方法的结果比较接近，其建模难度不大，计算代价小。但该方法的最大问题是耦合节点处的应力和位移会发生畸变，与实际情况不符。（3）直接粘结方法的计算结果与实际情况吻和较差，由于其将各块连接板粘接成一个整体参与受力，因此其模拟结果过于安全。该方法的优点是建模简洁方便，计算代价最小。十字形节点的模拟结果表明，（1）接触加预紧力方法和耦合螺孔节点方法计算得出的Von-Mises等效应力最大值出现在最边缘处螺栓孔壁，位置相同，应力最大值和相对位移数据也比较接近。（2）直接粘结方法计算得出Von-Mises等效应力最大值出现在支管与连接板的相交位置，出现位置和最大值都不相同，而相对位移数据较小，说明该方法使得螺栓节点板的刚度过大，导致支管端部的相对位移偏小，且基于该方法计算的结果完全不会在螺栓节点板位置出现应力集中问题，与实际情况有一定的不同。结论：采用接触加预紧力是最为合理的一种方法，也是推荐使用的方法，但该方法的不足之处是建模复杂、计算费时。如果计算模型过于复杂，采用该方法进行建模有困难时，优先推荐耦合螺孔节点方法。该方法的最大问题是耦合节点处的应力和位移会发生畸变，与实际情况不符。直接粘结方法虽然具有建模简单的优点，但是该方法由于过分放大了连接板系统的强度和刚度，因而获得的应力和位移都比实际情况小。

来源出版物：工程力学, 2013, 30(1)：119-125

入选年份：2016

钢筋混凝土框架抗连续倒塌的压拱机制分析模型

周育泷，李易，陆新征，等

摘要：目的：连续倒塌是意外灾害荷载（如爆炸、撞击、火灾和人为失误等）造成建筑结构初始局部破坏并在结构系统内传播，最终导致整体结构系统发生与初始破坏不成比例的倒塌破坏。钢筋混凝土框架结构依靠梁板组成的楼盖系统来抵抗连续倒塌。在小变形下，楼盖系统的连续倒塌抗力由梁板内的压拱机制提供。现有压拱机制抗力计算方法基于框架梁的宏观受力分析，但结构体系的超静定导致该计算模型的参数过多且不能考虑楼板的影响，因此难以在工程设计中进行应用。基于微观受力分析，通过简化楼盖系统关键截面承载力计算，建立钢筋混凝土框架结构在压拱机制下连续倒塌抗力计算方法。方法：首先对框架梁在压拱机制下的微观受力机理进行分析，建立连续倒塌抗力和梁端截面内力（包括弯矩和轴力）间的力平衡方程。针对压拱机制下各截面进行极限状态分析，获得梁端弯矩的计算方法，并推导得到梁内轴力和梁两端截面受压区高度平均值的理论关系。基于框架梁的变形协调方程，推导得到受压区高度平均值的理论计算公式，从而建立梁轴力的计算方法。最终由关键截面的弯矩和轴力计算框架梁在压拱机制下的连续倒塌抗力。另一方面，针对梁板组合而成的楼盖，引入相对受压区高度系数，来考虑楼板钢筋导致截面超筋时的截面应变分布。通过试验数据的拟合，给出了相对受压区高度系数的经验公式，进而能够方便地计算关键截面内力。最终，建立考虑楼板影响下钢筋混凝土框架结构在压拱机制下连续倒塌抗力的计算方法。结果：通过分析11个试验中47个梁试件的试验结果表明，该计算方法的平均误差和相对标准差分别为9.2%和23%，略优于经典的Park公式（2个值分别为12.1%和21.3%）。但是计算参数仅12个，比Park公式少5个，计算公式更加简洁、适合工程设计计算。通过计算6个梁板子结构的试验结果表明，该计算方法的平均误差和相对标准差分别为6.6%和16.2%，比Park公式的误差显著降低（2个值分别为29.7%和15.0%），该计算方法在考虑梁板共同作用时的计算精度更高。此外，计算结果也表明6个梁板子结构试件的轴向压力贡献了29.8%的连续倒塌抗力，按照传统的塑性理论仅考虑端部受弯贡献会严重低估实际结构的连续倒塌抗力。结论：基于结构微观机理的受力分析，建立了钢筋混凝土框架结构连续倒塌抗力的理论计算方法。计算公式所描述的结构内力贡献与理论和试验相一致。在计算精度方面，对梁试件的计算精度略优于现有经典方法，但是计算参数大幅降低更适合工程设计计算；对梁板子结构试件的计算精度显著优于现有经典方法。

来源出版物：工程力学, 2016, 33(4)：34-42

入选年份：2016