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2024年 第54卷 第6期
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2024, 54(6): 1-12.
doi: 10.3724/j.gyjzG24043001
摘要:
持续荷载作用下,纤维增强复合材料(FRP)筋蠕变松弛和混凝土收缩徐变引起的过大的附加变形将影响预应力FRP筋混凝土(FRP-PC)梁的正常使用。通过对FRP-PC梁长期性能及其设计方法的最新研究进展进行综述,归纳了不同FRP筋的蠕变和松弛特性及其预测方法,总结了有关有黏结FRP-PC梁和体外FRP-PC梁的长期性能试验结果,介绍了基于按龄期调整有效模量法(AEMM)或基于积分型徐变表达式的FRP-PC梁变形性能时随有限元分析方法,以及相应的多参数分析结果,分析了FRP-PC梁长期变形的计算理论与简化设计方法。最后,对今后FRP-PC梁长期性能的研究方向进行了展望。
持续荷载作用下,纤维增强复合材料(FRP)筋蠕变松弛和混凝土收缩徐变引起的过大的附加变形将影响预应力FRP筋混凝土(FRP-PC)梁的正常使用。通过对FRP-PC梁长期性能及其设计方法的最新研究进展进行综述,归纳了不同FRP筋的蠕变和松弛特性及其预测方法,总结了有关有黏结FRP-PC梁和体外FRP-PC梁的长期性能试验结果,介绍了基于按龄期调整有效模量法(AEMM)或基于积分型徐变表达式的FRP-PC梁变形性能时随有限元分析方法,以及相应的多参数分析结果,分析了FRP-PC梁长期变形的计算理论与简化设计方法。最后,对今后FRP-PC梁长期性能的研究方向进行了展望。
2024, 54(6): 13-21.
doi: 10.3724/j.gyjzG24032004
摘要:
为合理确定湖北十淅高速丹江口水库特大桥地锚桥台预应力碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)筋材的松弛损失,对不同应力比下所用CFRP筋材的应力松弛效应进行了试验研究。基于黏结式锚具和机械压接式锚具锚固的CFRP筋材试件的轴向拉伸试验结果,明确了不同锚固形式对CFRP筋材破坏形态的影响及CFRP筋材的材料性能;基于CFRP筋材试件1 000 h的应力松弛试验,获得了不同应力水平下CFRP筋材应力松弛的发展规律。结果表明:黏结式锚具锚固的轴拉试件发生了理想的筋材拉断爆裂破坏,但应力松弛试件在试验过程中应变变化较大;机械压接式锚具锚固的轴拉试件提前发生了CFRP筋材的层裂剥离破坏,但应力松弛试件在试验过程中应变变化较小,满足GB/T 21839—2019中应力松弛试验的相关要求。随着初始应力比的提高,CFRP筋材的应力松弛越大,初始应力比分别为0.53、0.63和0.82的试件1 000 h的松弛率分别为1.06%、1.65%和2.31%;CFRP筋材应力松弛的发展收敛较快且随初始应力的增加而更快趋于稳定,初始应力比为0.53、0.63和0.82的试件24 h的应力松弛量分别为1 000 h的45.3%、58.8%和59.7%,200 h的应力松弛量分别为1 000 h的78.3%、81.2% 和 82.7%;基于试验结果,建立了CFRP筋材应力松弛的预测模型,且具有较高预测精度,并预测了丹江口水库特大桥地锚桥台所用预应力CFRP筋材10年,30年、50年和100年的松弛率分别为1.91%、2.18%、2.32%和2.52%。
为合理确定湖北十淅高速丹江口水库特大桥地锚桥台预应力碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)筋材的松弛损失,对不同应力比下所用CFRP筋材的应力松弛效应进行了试验研究。基于黏结式锚具和机械压接式锚具锚固的CFRP筋材试件的轴向拉伸试验结果,明确了不同锚固形式对CFRP筋材破坏形态的影响及CFRP筋材的材料性能;基于CFRP筋材试件1 000 h的应力松弛试验,获得了不同应力水平下CFRP筋材应力松弛的发展规律。结果表明:黏结式锚具锚固的轴拉试件发生了理想的筋材拉断爆裂破坏,但应力松弛试件在试验过程中应变变化较大;机械压接式锚具锚固的轴拉试件提前发生了CFRP筋材的层裂剥离破坏,但应力松弛试件在试验过程中应变变化较小,满足GB/T 21839—2019中应力松弛试验的相关要求。随着初始应力比的提高,CFRP筋材的应力松弛越大,初始应力比分别为0.53、0.63和0.82的试件1 000 h的松弛率分别为1.06%、1.65%和2.31%;CFRP筋材应力松弛的发展收敛较快且随初始应力的增加而更快趋于稳定,初始应力比为0.53、0.63和0.82的试件24 h的应力松弛量分别为1 000 h的45.3%、58.8%和59.7%,200 h的应力松弛量分别为1 000 h的78.3%、81.2% 和 82.7%;基于试验结果,建立了CFRP筋材应力松弛的预测模型,且具有较高预测精度,并预测了丹江口水库特大桥地锚桥台所用预应力CFRP筋材10年,30年、50年和100年的松弛率分别为1.91%、2.18%、2.32%和2.52%。
2024, 54(6): 22-30.
doi: 10.3724/j.gyjzG24041601
摘要:
通过玻璃纤维增强复合材料(GFRP)弯折筋增强超高性能混凝土(UHPC)拉拔试验,研究了GFRP筋弯折区域力学服役性能及损伤机制,揭示了GFRP弯折筋与UHPC协同受力状态,建立了试件受力模型。试验研究变量包括:GFRP筋材直径、弯折筋尾部锚固长度、筋材尾部形状以及筋材基体种类。研究表明,受到GFRP筋材弯折区域褶皱和受力肩应力集中影响,GFRP筋材直径对弯折强度影响较大;弯折筋尾部锚固长度的增加,在一定程度上利于GFPR筋弯折强度提升;筋材尾部形状(L型和U型)对弯折强度的影响较小。基于此,阐述了GFRP筋弯折区在受拉状态下的损伤破坏机理;提出了GFRP弯折筋三阶段断裂过程:筋材受力肩内侧基体开裂、内侧纤维断裂和外侧纤维断裂;建立了GFRP弯折筋-UHPC弯折区域拉拔状态下的受力分析模型。
通过玻璃纤维增强复合材料(GFRP)弯折筋增强超高性能混凝土(UHPC)拉拔试验,研究了GFRP筋弯折区域力学服役性能及损伤机制,揭示了GFRP弯折筋与UHPC协同受力状态,建立了试件受力模型。试验研究变量包括:GFRP筋材直径、弯折筋尾部锚固长度、筋材尾部形状以及筋材基体种类。研究表明,受到GFRP筋材弯折区域褶皱和受力肩应力集中影响,GFRP筋材直径对弯折强度影响较大;弯折筋尾部锚固长度的增加,在一定程度上利于GFPR筋弯折强度提升;筋材尾部形状(L型和U型)对弯折强度的影响较小。基于此,阐述了GFRP筋弯折区在受拉状态下的损伤破坏机理;提出了GFRP弯折筋三阶段断裂过程:筋材受力肩内侧基体开裂、内侧纤维断裂和外侧纤维断裂;建立了GFRP弯折筋-UHPC弯折区域拉拔状态下的受力分析模型。
2024, 54(6): 31-45.
doi: 10.3724/j.gyjzG24040301
摘要:
为研究由玻璃纤维增强复合材料(GFRP)布、碳纤维增强复合材料(CFRP)箍筋、GFRP纵筋与混凝土组成的新型组合墩柱,纤维增强复材(FRP)约束FRP筋增强混凝土(FCFRC)墩柱的抗震性能,基于OpenSees有限元软件开发FCFRC墩柱单调及往复水平荷载作用下的数值模拟模型,在此基础上以轴压比、剪跨比、纵筋配筋率、CFRP箍筋和GFRP布约束水平、混凝土强度和截面尺寸为变量进行5 184个FCFRC墩柱的单调静力弹塑性分析(Pushover分析),获得上述影响变量对屈服承载力、峰值承载力、弹性刚度、弹塑性刚度以及极限位移角等建立三折线恢复力模型的关键参数的影响规律;结果表明:提高轴压比、纵筋配筋率、混凝土强度和截面尺寸均能提高屈服承载力和极限承载力,箍筋和FRP布约束水平的影响相对较小。基于参数分析结果,获得了恢复力模型骨架曲线关键参数的计算式;此外还提出了FCFRC水平力-位移加卸载滞回规则,结合骨架曲线和滞回规则提出了FCFRC水平力-位移恢复力模型,通过与试验结果比较验证了恢复力模型的适用性。
为研究由玻璃纤维增强复合材料(GFRP)布、碳纤维增强复合材料(CFRP)箍筋、GFRP纵筋与混凝土组成的新型组合墩柱,纤维增强复材(FRP)约束FRP筋增强混凝土(FCFRC)墩柱的抗震性能,基于OpenSees有限元软件开发FCFRC墩柱单调及往复水平荷载作用下的数值模拟模型,在此基础上以轴压比、剪跨比、纵筋配筋率、CFRP箍筋和GFRP布约束水平、混凝土强度和截面尺寸为变量进行5 184个FCFRC墩柱的单调静力弹塑性分析(Pushover分析),获得上述影响变量对屈服承载力、峰值承载力、弹性刚度、弹塑性刚度以及极限位移角等建立三折线恢复力模型的关键参数的影响规律;结果表明:提高轴压比、纵筋配筋率、混凝土强度和截面尺寸均能提高屈服承载力和极限承载力,箍筋和FRP布约束水平的影响相对较小。基于参数分析结果,获得了恢复力模型骨架曲线关键参数的计算式;此外还提出了FCFRC水平力-位移加卸载滞回规则,结合骨架曲线和滞回规则提出了FCFRC水平力-位移恢复力模型,通过与试验结果比较验证了恢复力模型的适用性。
2024, 54(6): 46-53.
doi: 10.3724/j.gyjzG23051401
摘要:
在"双碳"目标下,采用绿色低碳的地聚物混凝土替代高碳排放的硅酸盐水泥混凝土是目前的研究热点之一。以粉煤灰基地聚物混凝土为对象,基于梁式试验开展弯拉作用下地聚物混凝土-玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋界面黏结性能的研究,探明了不同混凝土强度、类型对地聚物混凝土-GFRP筋界面黏结性能的影响。结果表明:在与GFRP筋黏结的试验中,由于地聚物混凝土与硅酸盐水泥混凝土存在力学性能的差异,导致两者虽然有相似的破坏模式,但在不同混凝土强度下界面的破坏机制不同,黏结刚度、黏结强度随混凝土变化的规律也不同;对已有的XUE模型和Bimodal模型进行形状系数的修正,通过对比分析,建立适用于地聚物混凝土-GFRP筋的黏结滑移本构模型。
在"双碳"目标下,采用绿色低碳的地聚物混凝土替代高碳排放的硅酸盐水泥混凝土是目前的研究热点之一。以粉煤灰基地聚物混凝土为对象,基于梁式试验开展弯拉作用下地聚物混凝土-玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋界面黏结性能的研究,探明了不同混凝土强度、类型对地聚物混凝土-GFRP筋界面黏结性能的影响。结果表明:在与GFRP筋黏结的试验中,由于地聚物混凝土与硅酸盐水泥混凝土存在力学性能的差异,导致两者虽然有相似的破坏模式,但在不同混凝土强度下界面的破坏机制不同,黏结刚度、黏结强度随混凝土变化的规律也不同;对已有的XUE模型和Bimodal模型进行形状系数的修正,通过对比分析,建立适用于地聚物混凝土-GFRP筋的黏结滑移本构模型。
2024, 54(6): 54-60.
doi: 10.3724/j.gyjzG24032001
摘要:
大直径盾构隧道是建设长大穿海穿江隧道的主要建设形式,具有安全、经济、高效、智能化高等优点。纤维增强复合材料(FRP)具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳及可设计等优点,在地下复杂服役环境条件下FRP可替代钢材以解决其存在的工程问题。首先,从FRP在深基坑支护结构、在基坑地下连续墙、盾构隧道内部结构以及在泥浆环流管道等4个典型大直径盾构隧道施工分部分项工程方面,介绍了国内外典型的FRP研究和应用范例,结果表明FRP力学性能和服役性能均满足地下基坑支护、盾构隧道等结构的应用要求。针对研发现状及当下应用存在的问题,对FRP在地下工程结构中的应用前景做出展望。
大直径盾构隧道是建设长大穿海穿江隧道的主要建设形式,具有安全、经济、高效、智能化高等优点。纤维增强复合材料(FRP)具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳及可设计等优点,在地下复杂服役环境条件下FRP可替代钢材以解决其存在的工程问题。首先,从FRP在深基坑支护结构、在基坑地下连续墙、盾构隧道内部结构以及在泥浆环流管道等4个典型大直径盾构隧道施工分部分项工程方面,介绍了国内外典型的FRP研究和应用范例,结果表明FRP力学性能和服役性能均满足地下基坑支护、盾构隧道等结构的应用要求。针对研发现状及当下应用存在的问题,对FRP在地下工程结构中的应用前景做出展望。
2024, 54(6): 61-71.
doi: 10.3724/j.gyjzG23071211
摘要:
在内压作用下,预应力钢筒混凝土管(PCCP)可能发生各结构层失效。在PCCP内壁粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)是常见的修复方法,然而修复PCCP在内压作用下的结构失效机理研究尚不成熟。鉴于此,建立了CFRP内衬加固PCCP在内压作用下的多层圆环模型(MRM)力学模型,推导得到了CFRP内衬加固PCCP在内压作用下管壁径向位移、应力和应变的表达式。该力学模型计算结果与已有试验结果吻合良好,验证了力学模型的正确性。参数分析结果表明:增加钢筒厚度和混凝土管芯厚度可提高PCCP的内压承载力,提升预应力水平可提高PCCP抗开裂能力,增加CFRP厚度可以提高CFRP内衬加固PCCP的内压承载力。
在内压作用下,预应力钢筒混凝土管(PCCP)可能发生各结构层失效。在PCCP内壁粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)是常见的修复方法,然而修复PCCP在内压作用下的结构失效机理研究尚不成熟。鉴于此,建立了CFRP内衬加固PCCP在内压作用下的多层圆环模型(MRM)力学模型,推导得到了CFRP内衬加固PCCP在内压作用下管壁径向位移、应力和应变的表达式。该力学模型计算结果与已有试验结果吻合良好,验证了力学模型的正确性。参数分析结果表明:增加钢筒厚度和混凝土管芯厚度可提高PCCP的内压承载力,提升预应力水平可提高PCCP抗开裂能力,增加CFRP厚度可以提高CFRP内衬加固PCCP的内压承载力。
2024, 54(6): 72-80.
doi: 10.3724/j.gyjzG23111328
摘要:
碳纤维增强复合材料(CFRP)以其轻质、高强、耐腐蚀的优势,在混凝土结构加固中得到了较为广泛的应用,现已发展出外贴、内嵌、预应力等多种加固方法。然而,由于CFRP及与其黏结的混凝土界面的弹脆性,加固后的混凝土受弯构件常表现为脆性破坏,延性较低。因此,在以往提出的跨中顶撑张拉预应力CFRP板加固方法的基础上,提出了一种高延性预应力CFRP板加固方法,通过改进顶撑装置的属性,在局部设置弹塑性机构,大幅提升加固梁整体的延性。经过有限元分析证实,提出的加固方法可以延缓CFRP板的应变增长并使其始终维持在较高应力水平,在极限承载力降幅不多的情况下,加固梁的极限挠度最大提升了137%,大幅度提高了加固梁的延性,并且为后续新型加固方法的研发提供参考依据。
碳纤维增强复合材料(CFRP)以其轻质、高强、耐腐蚀的优势,在混凝土结构加固中得到了较为广泛的应用,现已发展出外贴、内嵌、预应力等多种加固方法。然而,由于CFRP及与其黏结的混凝土界面的弹脆性,加固后的混凝土受弯构件常表现为脆性破坏,延性较低。因此,在以往提出的跨中顶撑张拉预应力CFRP板加固方法的基础上,提出了一种高延性预应力CFRP板加固方法,通过改进顶撑装置的属性,在局部设置弹塑性机构,大幅提升加固梁整体的延性。经过有限元分析证实,提出的加固方法可以延缓CFRP板的应变增长并使其始终维持在较高应力水平,在极限承载力降幅不多的情况下,加固梁的极限挠度最大提升了137%,大幅度提高了加固梁的延性,并且为后续新型加固方法的研发提供参考依据。
2024, 54(6): 81-90.
doi: 10.3724/j.gyjzG24042801
摘要:
疲劳损伤是钢桥最常见病害之一,预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)能有效抑制裂纹扩展,延长结构服役寿命。预应力CFRP加固钢梁中,CFRP与钢界面作为主要的传力路径,保证了加固后结构的力学和耐久性能。在疲劳和湿热环境作用下,CFRP与钢界面的黏结性能发生劣化,导致加固后结构的力学性能退化。基于已有研究,总结了不同预应力加固系统设计下,钢梁的静载和疲劳性能的测试结果,以及环境因素对结构性能的影响机理。同时整理了预应力CFRP加固受损钢梁的界面主应力和黏结界面的能量释放率公式;并提出疲劳荷载和湿热环境作用下加固钢梁的承载力折减系数和寿命预测方法,以及考虑界面耐久性的结构加固设计思路。
疲劳损伤是钢桥最常见病害之一,预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)能有效抑制裂纹扩展,延长结构服役寿命。预应力CFRP加固钢梁中,CFRP与钢界面作为主要的传力路径,保证了加固后结构的力学和耐久性能。在疲劳和湿热环境作用下,CFRP与钢界面的黏结性能发生劣化,导致加固后结构的力学性能退化。基于已有研究,总结了不同预应力加固系统设计下,钢梁的静载和疲劳性能的测试结果,以及环境因素对结构性能的影响机理。同时整理了预应力CFRP加固受损钢梁的界面主应力和黏结界面的能量释放率公式;并提出疲劳荷载和湿热环境作用下加固钢梁的承载力折减系数和寿命预测方法,以及考虑界面耐久性的结构加固设计思路。
2024, 54(6): 91-99.
doi: 10.3724/j.gyjzG24013001
摘要:
为探究不同补强材料对含表面裂纹受弯钢板的疲劳加固性能,分别采用碳纤维增强复合材料(CFRP)板和钢板加固方案,对含表面裂纹的Q345钢板进行疲劳加载试验。分析了初始裂纹尺寸、加固板厚度及粘贴方式对钢板加固性能的影响,试验过程中采用超声波探伤仪对裂纹扩展的深度和长度进行了测试,最后采用扩展有限元法(XFEM)对钢板裂纹的扩展过程进行了模拟分析。结果表明:在含表面裂纹受弯钢板上粘贴CFRP板和钢板均能有效延长损伤钢板的疲劳寿命,抑制裂纹扩展;粘贴双层加固板时试件发生脱胶破坏,影响加固效果,故建议采用单层粘贴加固的方式;CFRP板的疲劳加固效果优于钢板,增加加固板的厚度可进一步提升加固效果,对含较大初始裂纹的受损钢板加固效果要明显优于含较小初始裂纹的;XFEM模拟裂纹扩展所得疲劳寿命与疲劳裂纹长度均与试验吻合。
为探究不同补强材料对含表面裂纹受弯钢板的疲劳加固性能,分别采用碳纤维增强复合材料(CFRP)板和钢板加固方案,对含表面裂纹的Q345钢板进行疲劳加载试验。分析了初始裂纹尺寸、加固板厚度及粘贴方式对钢板加固性能的影响,试验过程中采用超声波探伤仪对裂纹扩展的深度和长度进行了测试,最后采用扩展有限元法(XFEM)对钢板裂纹的扩展过程进行了模拟分析。结果表明:在含表面裂纹受弯钢板上粘贴CFRP板和钢板均能有效延长损伤钢板的疲劳寿命,抑制裂纹扩展;粘贴双层加固板时试件发生脱胶破坏,影响加固效果,故建议采用单层粘贴加固的方式;CFRP板的疲劳加固效果优于钢板,增加加固板的厚度可进一步提升加固效果,对含较大初始裂纹的受损钢板加固效果要明显优于含较小初始裂纹的;XFEM模拟裂纹扩展所得疲劳寿命与疲劳裂纹长度均与试验吻合。
2024, 54(6): 100-107.
doi: 10.3724/j.gyjzG23112405
摘要:
通过13根碳纤维增强复合材料(CFRP)网格增强玻璃纤维增强复材(GFRP)套筒加固箍筋锈蚀钢筋混凝土(RC)短柱轴压试验,研究了CFRP网格层数和箍筋锈蚀率对箍筋锈蚀钢筋混凝土短柱荷载-轴向位移曲线、极限承载力、破坏形态的影响规律。研究结果表明:加固柱破坏时整体表现为脆性破坏;GFRP套筒加固使箍筋锈蚀RC柱极限承载力最高提升59.4%,CFRP网格作为增强材料使加固柱极限承载力最大提升87%;CFRP网格层数相比箍筋锈蚀率对加固柱的荷载-轴向位移曲线产生的影响更大,且层数越多,曲线在弹塑性阶段的强化程度越明显;采用CFRP网格包裹的加固试件极限承载力随网格层数的增加而递增,极限承载力随箍筋锈蚀率的增大,增长幅度呈现下降趋势。研究结果可以为实际箍筋锈蚀桥墩加固提供试验依据。
通过13根碳纤维增强复合材料(CFRP)网格增强玻璃纤维增强复材(GFRP)套筒加固箍筋锈蚀钢筋混凝土(RC)短柱轴压试验,研究了CFRP网格层数和箍筋锈蚀率对箍筋锈蚀钢筋混凝土短柱荷载-轴向位移曲线、极限承载力、破坏形态的影响规律。研究结果表明:加固柱破坏时整体表现为脆性破坏;GFRP套筒加固使箍筋锈蚀RC柱极限承载力最高提升59.4%,CFRP网格作为增强材料使加固柱极限承载力最大提升87%;CFRP网格层数相比箍筋锈蚀率对加固柱的荷载-轴向位移曲线产生的影响更大,且层数越多,曲线在弹塑性阶段的强化程度越明显;采用CFRP网格包裹的加固试件极限承载力随网格层数的增加而递增,极限承载力随箍筋锈蚀率的增大,增长幅度呈现下降趋势。研究结果可以为实际箍筋锈蚀桥墩加固提供试验依据。
2024, 54(6): 108-117.
doi: 10.3724/j.gyjzG23022014
摘要:
碳纤维增强复合材料(CFRP)-混凝土界面力学性能是影响CFRP加固结构抗震性能的重要因素。建立了基于非线性软化力学行为可模拟CFRP加固结构黏结界面的双线性内聚力单元,考虑混凝土与钢筋的材料非线性,对CFRP加固混凝土复合受扭柱抗震性能进行了有限元分析。分析了CFRP及黏结界面的应力变化、界面破坏机制以及结构的承载力,与试验以及不考虑界面黏结滑移的有限元分析结果进行了比较,以验证方法的合理性,并改进了CFRP的布置方式。有限元分析结果表明:CFRP的拉应力、黏结界面应力与损伤变量等呈现截面中部、转角处大,CFRP交界处小的分布特点,剥离破坏随加载过程由应力大的CFRP边缘向中部扩展;有限元分析所得结构破坏过程与试验的基本一致,揭示了黏结界面退化对CFRP加固混凝土柱结构抗震性能的影响,所得各阶段最大荷载与试验结果的相对误差小于10%;不考虑黏结界面性能的退化与CFRP的剥离,则高估了强化阶段CFRP对承载力的贡献。黏结界面内聚力模型可为CFRP加固混凝土复合受扭柱抗震性能分析提供参考。
碳纤维增强复合材料(CFRP)-混凝土界面力学性能是影响CFRP加固结构抗震性能的重要因素。建立了基于非线性软化力学行为可模拟CFRP加固结构黏结界面的双线性内聚力单元,考虑混凝土与钢筋的材料非线性,对CFRP加固混凝土复合受扭柱抗震性能进行了有限元分析。分析了CFRP及黏结界面的应力变化、界面破坏机制以及结构的承载力,与试验以及不考虑界面黏结滑移的有限元分析结果进行了比较,以验证方法的合理性,并改进了CFRP的布置方式。有限元分析结果表明:CFRP的拉应力、黏结界面应力与损伤变量等呈现截面中部、转角处大,CFRP交界处小的分布特点,剥离破坏随加载过程由应力大的CFRP边缘向中部扩展;有限元分析所得结构破坏过程与试验的基本一致,揭示了黏结界面退化对CFRP加固混凝土柱结构抗震性能的影响,所得各阶段最大荷载与试验结果的相对误差小于10%;不考虑黏结界面性能的退化与CFRP的剥离,则高估了强化阶段CFRP对承载力的贡献。黏结界面内聚力模型可为CFRP加固混凝土复合受扭柱抗震性能分析提供参考。
2024, 54(6): 118-129.
doi: 10.3724/j.gyjzG23042605
摘要:
为探究碳纤维增强复合材料(CFRP)加固再生混凝土复合受扭柱的抗震性能,设计了2根CFRP加固再生混凝土柱试件和1根未采用CFRP加固的再生混凝土柱试件,并进行了复合受扭下的拟静力试验,分析了应变、裂缝发展规律及破坏形态。结果表明:2根CFRP加固试件发生扭型破坏,1根未加固试件发生弯扭型破坏;CFRP加固柱试件具有更好的抗震性能,峰值扭矩和延性系数分别提升了44.68%、71.41%,强度衰减、刚度退化、耗能及累积损伤等性能都得到明显提升;纵筋配筋率对试件的抗震性能影响不大,峰值扭矩提升了5.45%,刚度退化及累积损伤等性能得到改善。
为探究碳纤维增强复合材料(CFRP)加固再生混凝土复合受扭柱的抗震性能,设计了2根CFRP加固再生混凝土柱试件和1根未采用CFRP加固的再生混凝土柱试件,并进行了复合受扭下的拟静力试验,分析了应变、裂缝发展规律及破坏形态。结果表明:2根CFRP加固试件发生扭型破坏,1根未加固试件发生弯扭型破坏;CFRP加固柱试件具有更好的抗震性能,峰值扭矩和延性系数分别提升了44.68%、71.41%,强度衰减、刚度退化、耗能及累积损伤等性能都得到明显提升;纵筋配筋率对试件的抗震性能影响不大,峰值扭矩提升了5.45%,刚度退化及累积损伤等性能得到改善。
2024, 54(6): 130-140.
doi: 10.3724/j.gyjzG23092008
摘要:
通过对14个基于碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固混凝土短圆柱的轴压性能试验,得到各试件的极限承载力和破坏形态,给出了各试件平均压应力-混凝土应变曲线、平均压应力-碳纤维编织网应变曲线及各试件极限承载力柱状图,分析了加固层水泥基复合材料中聚丙烯纤维含量、碳纤维编织网包裹层数及网格大小等参数对试件轴压性能及破坏机理的影响。试验结果表明:采用碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固混凝土短圆柱可明显提高其极限承载力;试件主要破坏形态为纵向压劈破坏,脆性破坏特征明显;在小掺量情况下,加固层中聚丙烯纤维含量(质量比为0.05%,0.15%,0.25%)的改变对试件承载力的影响不明显;在一定范围内试件承载力随碳纤维编织网包裹层数的增加而提高;相比于边长为2 cm的方网格碳纤维编织网,边长为1 cm的方网格碳纤维编织网对试件承载力的提高效果更好。在引入4个合理的基本假定和2个强度模型的基础上,提出碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固混凝土短圆柱的轴压承载力计算方法。采用该计算方法及相关文献的计算方法得到的理论计算值与试验结果进行比较,表明:采用所建议计算方法得到的理论计算值与试验结果吻合较好,且理论计算值均小于试验值,说明该计算方法具有一定安全储备。
通过对14个基于碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固混凝土短圆柱的轴压性能试验,得到各试件的极限承载力和破坏形态,给出了各试件平均压应力-混凝土应变曲线、平均压应力-碳纤维编织网应变曲线及各试件极限承载力柱状图,分析了加固层水泥基复合材料中聚丙烯纤维含量、碳纤维编织网包裹层数及网格大小等参数对试件轴压性能及破坏机理的影响。试验结果表明:采用碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固混凝土短圆柱可明显提高其极限承载力;试件主要破坏形态为纵向压劈破坏,脆性破坏特征明显;在小掺量情况下,加固层中聚丙烯纤维含量(质量比为0.05%,0.15%,0.25%)的改变对试件承载力的影响不明显;在一定范围内试件承载力随碳纤维编织网包裹层数的增加而提高;相比于边长为2 cm的方网格碳纤维编织网,边长为1 cm的方网格碳纤维编织网对试件承载力的提高效果更好。在引入4个合理的基本假定和2个强度模型的基础上,提出碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固混凝土短圆柱的轴压承载力计算方法。采用该计算方法及相关文献的计算方法得到的理论计算值与试验结果进行比较,表明:采用所建议计算方法得到的理论计算值与试验结果吻合较好,且理论计算值均小于试验值,说明该计算方法具有一定安全储备。
2024, 54(6): 141-148.
doi: 10.3724/j.gyjzG24040701
摘要:
为研究碳纤维增强复合材料(CFRP)-方钢管混凝土柱的抗震性能,进行了3根CFRP-方钢管混凝土柱的低周往复荷载试验,以含钢率为变化参数阐述了其加载过程及破坏模式。应用ABAQUS有限元分析软件,在合理选用材料本构关系的基础上,建立数值分析模型,并通过与试验结果进行对比,验证了所建模型及其建模方法的准确性。通过建立大量精细化的数值模型,考虑了不同钢材屈服强度、混凝土抗压强度、含钢率、长细比以及是否内置CFRP型材等参数,研究其对组合柱荷载-位移滞回曲线、荷载-位移骨架曲线、刚度、承载力等性能指标的影响规律。结果表明:新型组合柱的滞回曲线比较饱满,没有出现明显的捏缩现象,表现出良好的抗震性能;与普通方钢管混凝土柱相比,新型组合柱具有较好的延性、承载能力和耗能能力;混凝土抗压强度的改变对组合柱的极限承载力影响较小,其极限承载力会随着钢材屈服强度与含钢率的增大而显著提高,方钢管壁厚每增加1 mm,其极限承载力依次提高14.3%、8.3%,其耗能值依次提高14.3%、10.7%;当长细比由32.33增长至50.81时,其极限承载力与耗能值分别降低了41.2%、60.8%,因此建议应合理控制长细比的取值。
为研究碳纤维增强复合材料(CFRP)-方钢管混凝土柱的抗震性能,进行了3根CFRP-方钢管混凝土柱的低周往复荷载试验,以含钢率为变化参数阐述了其加载过程及破坏模式。应用ABAQUS有限元分析软件,在合理选用材料本构关系的基础上,建立数值分析模型,并通过与试验结果进行对比,验证了所建模型及其建模方法的准确性。通过建立大量精细化的数值模型,考虑了不同钢材屈服强度、混凝土抗压强度、含钢率、长细比以及是否内置CFRP型材等参数,研究其对组合柱荷载-位移滞回曲线、荷载-位移骨架曲线、刚度、承载力等性能指标的影响规律。结果表明:新型组合柱的滞回曲线比较饱满,没有出现明显的捏缩现象,表现出良好的抗震性能;与普通方钢管混凝土柱相比,新型组合柱具有较好的延性、承载能力和耗能能力;混凝土抗压强度的改变对组合柱的极限承载力影响较小,其极限承载力会随着钢材屈服强度与含钢率的增大而显著提高,方钢管壁厚每增加1 mm,其极限承载力依次提高14.3%、8.3%,其耗能值依次提高14.3%、10.7%;当长细比由32.33增长至50.81时,其极限承载力与耗能值分别降低了41.2%、60.8%,因此建议应合理控制长细比的取值。
2024, 54(6): 149-159.
doi: 10.3724/j.gyjzG24032002
摘要:
生物炭可作为一种轻骨料,部分掺入混凝土中可有效提供内固化及填充效应,成为一种潜在的碳捕捉和封存技术,但由于生物炭高孔隙率的微观结构,导致生物炭混凝土存在强度低、耐腐蚀性差及稳定性差等问题。本研究提出采用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)管约束生物炭混凝土,开展GFRP管约束生物炭混凝土的轴压性能试验研究,设计参数主要包括:GFRP管的厚度(层数)、生物炭掺量及生物炭吸水率,着重分析各试件的轴向应力-应变曲线、环向应变－轴向应变曲线、屈服应力、极限应变及环向断裂应变等指标。研究结果表明:在相同生物炭掺量及吸水率的前提下,GFRP管约束生物炭混凝土试件的极限抗压强度相对于未约束试件可提升490.4%~563.3%,约束试件的极限应变也大幅提升,且约束试件屈服应力、应变远远大于未约束试件的屈服应力、应变,说明GFRP管的约束有效提高了生物炭混凝土的强度及变形能力;随着生物炭掺量的增加,约束试件的屈服应力降低,但轴向极限应变增大;而生物炭吸水率的增加则导致约束试件的屈服荷载提高,但极限应变减小;GFRP管的层数增加,使得GFRP管约束生物炭混凝土的二次刚度提升,其环向应变－轴向应变曲线弹性段和二次刚度段无明显过渡点,说明GFRP管与生物炭混凝土协同工作性能良好。
生物炭可作为一种轻骨料,部分掺入混凝土中可有效提供内固化及填充效应,成为一种潜在的碳捕捉和封存技术,但由于生物炭高孔隙率的微观结构,导致生物炭混凝土存在强度低、耐腐蚀性差及稳定性差等问题。本研究提出采用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)管约束生物炭混凝土,开展GFRP管约束生物炭混凝土的轴压性能试验研究,设计参数主要包括:GFRP管的厚度(层数)、生物炭掺量及生物炭吸水率,着重分析各试件的轴向应力-应变曲线、环向应变－轴向应变曲线、屈服应力、极限应变及环向断裂应变等指标。研究结果表明:在相同生物炭掺量及吸水率的前提下,GFRP管约束生物炭混凝土试件的极限抗压强度相对于未约束试件可提升490.4%~563.3%,约束试件的极限应变也大幅提升,且约束试件屈服应力、应变远远大于未约束试件的屈服应力、应变,说明GFRP管的约束有效提高了生物炭混凝土的强度及变形能力;随着生物炭掺量的增加,约束试件的屈服应力降低,但轴向极限应变增大;而生物炭吸水率的增加则导致约束试件的屈服荷载提高,但极限应变减小;GFRP管的层数增加,使得GFRP管约束生物炭混凝土的二次刚度提升,其环向应变－轴向应变曲线弹性段和二次刚度段无明显过渡点,说明GFRP管与生物炭混凝土协同工作性能良好。
2024, 54(6): 160-168.
doi: 10.3724/j.gyjzG23011501
摘要:
为研究聚氯乙烯-碳纤维增强复合材料(PVC-CFRP)管混凝土柱-钢筋混凝土(RC)环梁T型节点的恢复力特性,完成了11根试件的低周反复荷载试验。试验结果表明:增大的环梁节点能有效实现PVC-CFRP管混凝土柱与RC梁的连接,试件显示出良好的抗震性能。在此基础上,优选材料本构关系,采用纤维模型法,编制非线性分析程序,开展节点拟静力试验数值模拟研究,模型预测结果与试验结果吻合较好。基于验证的数值模型,延拓分析环梁节点混凝土强度、环梁高度、梁纵筋配筋率、柱直径以及纵筋屈服强度等参数对其骨架曲线的影响规律,并提出合理设计建议。数值模拟结果表明:环梁节点核心区混凝土强度由20 MPa增至60 MPa,试件的峰值弯矩提高13.7%,极限位移降低8.0%;梁纵筋配筋率由2%增至5%,试件的峰值弯矩提高26.3%,极限位移降低19.9%;梁纵筋屈服强度由400 MPa增至600 MPa,试件的峰值弯矩提高56.3%,极限曲率降低17.9%;试件环梁高度由350 mm增至450 mm,试件的峰值弯矩影响不明显,而极限位移降低11.0%;柱直径由200 mm增至300 mm,试件的峰值荷载提高56.3%,极限位移增加28.5%。
为研究聚氯乙烯-碳纤维增强复合材料(PVC-CFRP)管混凝土柱-钢筋混凝土(RC)环梁T型节点的恢复力特性,完成了11根试件的低周反复荷载试验。试验结果表明:增大的环梁节点能有效实现PVC-CFRP管混凝土柱与RC梁的连接,试件显示出良好的抗震性能。在此基础上,优选材料本构关系,采用纤维模型法,编制非线性分析程序,开展节点拟静力试验数值模拟研究,模型预测结果与试验结果吻合较好。基于验证的数值模型,延拓分析环梁节点混凝土强度、环梁高度、梁纵筋配筋率、柱直径以及纵筋屈服强度等参数对其骨架曲线的影响规律,并提出合理设计建议。数值模拟结果表明:环梁节点核心区混凝土强度由20 MPa增至60 MPa,试件的峰值弯矩提高13.7%,极限位移降低8.0%;梁纵筋配筋率由2%增至5%,试件的峰值弯矩提高26.3%,极限位移降低19.9%;梁纵筋屈服强度由400 MPa增至600 MPa,试件的峰值弯矩提高56.3%,极限曲率降低17.9%;试件环梁高度由350 mm增至450 mm,试件的峰值弯矩影响不明显,而极限位移降低11.0%;柱直径由200 mm增至300 mm,试件的峰值荷载提高56.3%,极限位移增加28.5%。
2024, 54(6): 169-176.
doi: 10.3724/j.gyjzG23061204
摘要:
设计并制作了6片采用地聚物混凝土和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)六角筒形拉结件的预制混凝土夹心墙板试件,对其进行了轴心受压试验,研究了拉结件间距、墙板高度和钢筋混凝土叶板厚度3个关键参数对墙板轴压下的破坏模式、承载力、变形等的影响。试验结果表明:试件均呈现因二阶效应产生的大偏心受压破坏,表现为一侧叶板混凝土压碎和另一侧叶板混凝土水平开裂;随着拉结件间距的增加,墙板的组合性能降低,破坏时混凝土压碎区域面积减小,侧向变形增大,试件承载力逐渐降低(当拉结件间距由300 mm增加至600、 900 mm以及不设置拉结件时,承载力分别下降了17.1%、42.0%、49.5%。);随着墙板高度的减小或混凝土叶板厚度的增加,构件的长细比和二阶效应逐渐减小,破坏时混凝土压碎区面积增大,平面外变形减小,试件的承载力增加(当叶板厚度由50 mm增至75 mm时或高度从2 100 mm降至1 500 mm时,试件承载力分别提高了34.3%、5.9%)。
设计并制作了6片采用地聚物混凝土和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)六角筒形拉结件的预制混凝土夹心墙板试件,对其进行了轴心受压试验,研究了拉结件间距、墙板高度和钢筋混凝土叶板厚度3个关键参数对墙板轴压下的破坏模式、承载力、变形等的影响。试验结果表明:试件均呈现因二阶效应产生的大偏心受压破坏,表现为一侧叶板混凝土压碎和另一侧叶板混凝土水平开裂;随着拉结件间距的增加,墙板的组合性能降低,破坏时混凝土压碎区域面积减小,侧向变形增大,试件承载力逐渐降低(当拉结件间距由300 mm增加至600、 900 mm以及不设置拉结件时,承载力分别下降了17.1%、42.0%、49.5%。);随着墙板高度的减小或混凝土叶板厚度的增加,构件的长细比和二阶效应逐渐减小,破坏时混凝土压碎区面积增大,平面外变形减小,试件的承载力增加(当叶板厚度由50 mm增至75 mm时或高度从2 100 mm降至1 500 mm时,试件承载力分别提高了34.3%、5.9%)。
2024, 54(6): 177-189.
doi: 10.3724/j.gyjzG24041713
摘要:
进行了9根钢管-纤维增强复合材料(FRP)管-混凝土组合柱、1根钢管混凝土柱以及9根FRP管约束混凝土柱对比试件的轴压试验。研究表明,组合柱的极限承载力均高于钢管混凝土柱,且随FRP内管径厚比d/t2减小或钢管与FRP内管直径比D/d减小,组合柱的极限承载力增大。随d/t2减小,组合柱FRP内管的环、纵向峰值应变增大。随D/d的增大,组合柱FRP内管环向峰值应变增大,而D/d对其纵向峰值应变影响不大。同时,组合柱FRP内管极限环向应变均低于相应的FRP管约束混凝土柱,其极限纵向应变均高于相应的FRP管约束混凝土柱。基于上述试验研究,首次指出现有的FRP约束混凝土的本构模型中的环向－纵向应变关系不适用于钢管-FRP管-混凝土组合柱,进而提出了适合该组合柱本构关系的全新模型。
进行了9根钢管-纤维增强复合材料(FRP)管-混凝土组合柱、1根钢管混凝土柱以及9根FRP管约束混凝土柱对比试件的轴压试验。研究表明,组合柱的极限承载力均高于钢管混凝土柱,且随FRP内管径厚比d/t2减小或钢管与FRP内管直径比D/d减小,组合柱的极限承载力增大。随d/t2减小,组合柱FRP内管的环、纵向峰值应变增大。随D/d的增大,组合柱FRP内管环向峰值应变增大,而D/d对其纵向峰值应变影响不大。同时,组合柱FRP内管极限环向应变均低于相应的FRP管约束混凝土柱,其极限纵向应变均高于相应的FRP管约束混凝土柱。基于上述试验研究,首次指出现有的FRP约束混凝土的本构模型中的环向－纵向应变关系不适用于钢管-FRP管-混凝土组合柱,进而提出了适合该组合柱本构关系的全新模型。
2024, 54(6): 190-196.
doi: 10.3724/j.gyjzG24040601
摘要:
随着材料科学和工业技术的进步,复合材料的发展十分迅速,在多个领域得到了较为广泛的应用。目前我国铁路发展态势迅猛,铁路里程逐年增长,铁路网也更加密集。在铁路工程施工中或投入使用后,会出现一些技术难题,复合材料的使用提供了新的解决思路和方法。通过对材料和结构的合理优化,复合材料已经解决了一些难题,逐渐在铁路基础设施中得到应用。但由于铁路基础设施的特殊要求,复合材料的应用仍受到一定制约,潜力没有完全得到发挥。为促进复合材料在铁路基础设施中应用的进一步发展,总结了复合材料在铁路基础设施中的研究和应用现状,分析了其发展前景及阻碍其发展的原因,最后提出了有待发展的方向。
随着材料科学和工业技术的进步,复合材料的发展十分迅速,在多个领域得到了较为广泛的应用。目前我国铁路发展态势迅猛,铁路里程逐年增长,铁路网也更加密集。在铁路工程施工中或投入使用后,会出现一些技术难题,复合材料的使用提供了新的解决思路和方法。通过对材料和结构的合理优化,复合材料已经解决了一些难题,逐渐在铁路基础设施中得到应用。但由于铁路基础设施的特殊要求,复合材料的应用仍受到一定制约,潜力没有完全得到发挥。为促进复合材料在铁路基础设施中应用的进一步发展,总结了复合材料在铁路基础设施中的研究和应用现状,分析了其发展前景及阻碍其发展的原因,最后提出了有待发展的方向。
2024, 54(6): 197-205.
doi: 10.3724/j.gyjzG24041501
摘要:
为研究短切玄武岩纤维增强水泥基复合材料的力学性能,设计并完成了84个抗压试件,72个抗折试件以及140个抗拉试件的基础性能试验,研究了水灰比、纤维掺量、纤维长度以及表面耐碱涂层处理对短切玄武岩纤维增强水泥基复合材料基础力学性能的影响。结果表明:短切玄武岩纤维掺入可以有效提升水泥基复合材料韧性,将抗折和抗拉下的脆性断裂破坏改善为延性裂纹扩展破坏。复合材料抗压强度随短切玄武岩纤维掺量增大和长度降低而降低,纤维长度12 mm且体积掺量2%的试验组28 d抗压强度下降了28.8%;此外短切玄武岩纤维掺入可以显著提升水泥基复合材料的抗折强度以及抗拉强度,纤维长度较小时低掺量对复合材料抗折强度和抗拉强度提升更显著,纤维长度较大时则高掺量更显著,掺入2%体积掺量的12 mm纤维和0.5%体积掺量的6 mm纤维的28 d复合材料抗折强度分别提升了97.6%和41.4%、抗拉强度分别提升了200.7%和230%。
为研究短切玄武岩纤维增强水泥基复合材料的力学性能,设计并完成了84个抗压试件,72个抗折试件以及140个抗拉试件的基础性能试验,研究了水灰比、纤维掺量、纤维长度以及表面耐碱涂层处理对短切玄武岩纤维增强水泥基复合材料基础力学性能的影响。结果表明:短切玄武岩纤维掺入可以有效提升水泥基复合材料韧性,将抗折和抗拉下的脆性断裂破坏改善为延性裂纹扩展破坏。复合材料抗压强度随短切玄武岩纤维掺量增大和长度降低而降低,纤维长度12 mm且体积掺量2%的试验组28 d抗压强度下降了28.8%;此外短切玄武岩纤维掺入可以显著提升水泥基复合材料的抗折强度以及抗拉强度,纤维长度较小时低掺量对复合材料抗折强度和抗拉强度提升更显著,纤维长度较大时则高掺量更显著,掺入2%体积掺量的12 mm纤维和0.5%体积掺量的6 mm纤维的28 d复合材料抗折强度分别提升了97.6%和41.4%、抗拉强度分别提升了200.7%和230%。
