基于扩展离散元法的钢筋混凝土梁裂缝分析方法
发布时间：2021-11-29 05:16
针对传统数值模拟方法难以准确模拟钢筋混凝土（RC）梁开裂的问题,提出一种改进的扩展离散元法（EDEM）。该方法引入拉伸-剪切破坏准则,建立六边形块体模型,块体接触处存在潜在裂缝,根据EDEM计算流程,将满足破坏准则的潜在裂缝转化真实裂缝,实现裂缝的模拟。采用该方法建立二维RC梁模型,开展RC梁四点弯曲试验,结合理论计算,对其开裂模式、跨中位移及固有频率变化规律进行对比。结果表明:随着荷载增大,RC梁底部产生裂缝,当裂缝穿过梁宽度方向3/4时,向加载点方向延伸;基于RC梁跨中位移变化和固有频率连续下降的特征,可确定裂缝扩展和纵向受拉钢筋屈服导致的结构刚度降低过程;EDEM数值模拟结果与理论、试验结果基本吻合,该方法可有效模拟RC梁开裂和扩展过程。
【文章来源】：世界桥梁. 2020,48(03)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
EDEM计算流程
采用EDEM数值模拟方法，建立一个二维RC梁EDEM模型（见图2），模型尺寸为100 mm×1 500mm（高×长）。为了准确模拟RC梁模型裂缝的扩展和破坏模式，在模型长度范围内创建了大量的六边形块体网格。六边形块体边长S=5mm，块体单元由边长为1mm的三角形单元划分组成。六边形块体之间的接触部分预先定义为潜在的裂缝，用来表示裂缝的潜在增长路径。当满足拉伸-剪切破坏准则时，通过改变力学性质，将其转化为真正的裂缝。分别采用莫尔-库仑模型和库仑滑移模型描述混凝土和新产生裂缝的力学行为。钢筋用锚索单元模拟，这种类型的单元可有效模拟混凝土、裂缝和钢筋之间的力学行为。支座按照三角形划分单元，并赋予较大刚度以减少支座自身变形。两支座之间的距离为900mm，支座与RC梁之间通过共用节点实现荷载的传递。图2中左侧支座处施加X与Y方向的约束，右侧支座处施加Y方向约束。在梁的中部施加两点荷载，在动力分析开始之前，先进行静力平衡计算。为模拟RC梁在锤击荷载下固有频率的变化规律，在进行动力计算时输入1个频率为500Hz的短脉冲，以表示由锤击引起的脉冲。在动态计算中，利用0.7%的瑞利阻尼来表示材料的衰减，通过记录每个监测点的16 384离散时间信号的数据，达到0.001s采样间隔，利用快速傅立叶变换（FFT）得到RC梁的固有频率。
试验过程中，采用智能裂缝测量仪监测裂缝的扩展过程，在每一加载阶段施加荷载至设计值时，记录试验梁的裂缝。然后将试验梁卸下，放在橡胶支架上，采用大频率脉冲冲击锤，使梁产生垂直自由振动，在梁底部固定加速度计，记录振动响应，获得固有频率。在振动测试的同时，采用非接触激光测振仪（LDV）进行试验梁固有频率测试（见图5）。在振动测量之后，将试验梁加载到下一加载阶段。图4 试验梁加载布置
【参考文献】：
期刊论文
[1]双工字钢一混组合连续梁桥振动特性与控制研究[J]. 荆国强,吴肖波,王波,汪正兴. 桥梁建设. 2019(S1)
[2]轴对称薄壁结构自由振动的边界元分析[J]. 周琪,陈永强. 力学学报. 2019(01)
[3]高速铁路桥梁动力响应监测数据分析方法及其应用[J]. 荆国强,王波,柴小鹏,汪正兴. 桥梁建设. 2018(02)
[4]桥梁混凝土结构表面裂缝自动识别技术研究[J]. 阮小丽,王波,荆国强,季德钧,王永亮. 世界桥梁. 2017(06)
[5]公路桥梁检测及评价技术综述[J]. 贺拴海,赵祥模,马建,赵煜,宋焕生,宋宏勋,程磊,袁卓娅,黄福伟,张健,田斌,王路阳,戚秀真. 中国公路学报. 2017(11)
[6]声发射技术在混凝土空心板桥裂缝检测中的应用[J]. 李胜利,石鸿帅,毋光明,王东炜. 桥梁建设. 2017(05)
[7]钢筋混凝土梁开裂荷载计算公式比较研究[J]. 刘运林,储德华,刘建军,种迅. 建筑结构. 2015(06)
[8]基于扩展有限元法的钢筋混凝土梁复合断裂过程模拟研究[J]. 茹忠亮,申崴,赵洪波. 工程力学. 2013(05)
[9]希尔伯特-黄变换联合分析法在桥梁健康监测模态参数识别中的应用[J]. 程辉,李振东. 世界桥梁. 2010(04)
[10]自由钢筋混凝土梁固有频率理论解[J]. 赵亚平,王书茂,焦群英,魏文军,黄立明. 混凝土与水泥制品. 2005(04)
本文编号：3525914
【文章来源】：世界桥梁. 2020,48(03)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
EDEM计算流程
采用EDEM数值模拟方法，建立一个二维RC梁EDEM模型（见图2），模型尺寸为100 mm×1 500mm（高×长）。为了准确模拟RC梁模型裂缝的扩展和破坏模式，在模型长度范围内创建了大量的六边形块体网格。六边形块体边长S=5mm，块体单元由边长为1mm的三角形单元划分组成。六边形块体之间的接触部分预先定义为潜在的裂缝，用来表示裂缝的潜在增长路径。当满足拉伸-剪切破坏准则时，通过改变力学性质，将其转化为真正的裂缝。分别采用莫尔-库仑模型和库仑滑移模型描述混凝土和新产生裂缝的力学行为。钢筋用锚索单元模拟，这种类型的单元可有效模拟混凝土、裂缝和钢筋之间的力学行为。支座按照三角形划分单元，并赋予较大刚度以减少支座自身变形。两支座之间的距离为900mm，支座与RC梁之间通过共用节点实现荷载的传递。图2中左侧支座处施加X与Y方向的约束，右侧支座处施加Y方向约束。在梁的中部施加两点荷载，在动力分析开始之前，先进行静力平衡计算。为模拟RC梁在锤击荷载下固有频率的变化规律，在进行动力计算时输入1个频率为500Hz的短脉冲，以表示由锤击引起的脉冲。在动态计算中，利用0.7%的瑞利阻尼来表示材料的衰减，通过记录每个监测点的16 384离散时间信号的数据，达到0.001s采样间隔，利用快速傅立叶变换（FFT）得到RC梁的固有频率。
试验过程中，采用智能裂缝测量仪监测裂缝的扩展过程，在每一加载阶段施加荷载至设计值时，记录试验梁的裂缝。然后将试验梁卸下，放在橡胶支架上，采用大频率脉冲冲击锤，使梁产生垂直自由振动，在梁底部固定加速度计，记录振动响应，获得固有频率。在振动测试的同时，采用非接触激光测振仪（LDV）进行试验梁固有频率测试（见图5）。在振动测量之后，将试验梁加载到下一加载阶段。图4 试验梁加载布置
【参考文献】：
期刊论文
[1]双工字钢一混组合连续梁桥振动特性与控制研究[J]. 荆国强,吴肖波,王波,汪正兴. 桥梁建设. 2019(S1)
[2]轴对称薄壁结构自由振动的边界元分析[J]. 周琪,陈永强. 力学学报. 2019(01)
[3]高速铁路桥梁动力响应监测数据分析方法及其应用[J]. 荆国强,王波,柴小鹏,汪正兴. 桥梁建设. 2018(02)
[4]桥梁混凝土结构表面裂缝自动识别技术研究[J]. 阮小丽,王波,荆国强,季德钧,王永亮. 世界桥梁. 2017(06)
[5]公路桥梁检测及评价技术综述[J]. 贺拴海,赵祥模,马建,赵煜,宋焕生,宋宏勋,程磊,袁卓娅,黄福伟,张健,田斌,王路阳,戚秀真. 中国公路学报. 2017(11)
[6]声发射技术在混凝土空心板桥裂缝检测中的应用[J]. 李胜利,石鸿帅,毋光明,王东炜. 桥梁建设. 2017(05)
[7]钢筋混凝土梁开裂荷载计算公式比较研究[J]. 刘运林,储德华,刘建军,种迅. 建筑结构. 2015(06)
[8]基于扩展有限元法的钢筋混凝土梁复合断裂过程模拟研究[J]. 茹忠亮,申崴,赵洪波. 工程力学. 2013(05)
[9]希尔伯特-黄变换联合分析法在桥梁健康监测模态参数识别中的应用[J]. 程辉,李振东. 世界桥梁. 2010(04)
[10]自由钢筋混凝土梁固有频率理论解[J]. 赵亚平,王书茂,焦群英,魏文军,黄立明. 混凝土与水泥制品. 2005(04)
本文编号：3525914
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