钢筋混凝土结构移动式精准检测技术开发

无损检测技术是一种在不损害材料及结构服役性能的前提下,对其性质进行评估和测量的检测技术。然而,随着无损检测技术的发展和实践,结构内部的复杂损伤检测缺乏多层次精准性成为该领域的难点和核心问题。该文旨在结合国内外的研究成果,对无损检测技术的发展、分类和挑战进行梳理和分析,并在此基础上,介绍作者研究团队建立的一套由宏观到细观,再到内部的全面精准检测系统研究成果。针对表面宏观识别与细观定量识别,作者团队开发了表观病害视觉检测技术,包括构建的空间基准点自动追踪融合和亚像素级病害分割的全景图像快速拼接及表观病害厘米级定位方法,以及提出的全景图像中0.05 mm~0.2 mm多尺寸微细裂缝同步识别及真伪判别的人工智能算法。针对结构内部损伤识别,作者团队首创了智能变频敲击声波扫描及各类损伤精准识别新原理,发明建立了自适应激励分布移动敲击声波的损伤检测评估理论方法、声波及声纹图像特征人工智能算法及智能装备关键技术。经过实验验证,裂缝检测中宽度为0.05 mm时最大深度可达40 mm,剥离检测中最大深度可达400 mm,最小识别范围为50 mm。

BFRP网格对大体积混凝土早期温度裂缝控制研究

黄茅海跨海通道索塔在早期养护中表面开裂现象严重,索塔是一种典型的大体积混凝土,其早期出现的开裂现象大部分是由较高的温度应力导致的,即温度裂缝。因此,为了对早期温度裂缝进行控制,同时考虑到海洋环境的腐蚀情况,工程采用BFRP网格对索塔表面进行裂缝控制,控裂效果显著,开裂现象被有效缓解。BFRP网格虽然成功应用于大体积混凝土的温度裂缝控制,但是,目前BFRP网格控裂机理尚不清晰。基于此,采用ABAQUS有限元软件模拟BFRP网格对大体积混凝土中的温度裂缝控制过程,其中裂缝是通过扩展有限元(XFEM)实现。模拟结果表明:BFRP网格可以有效控制大体积混凝土温度裂缝面积、体积以及开裂单元数量。随着BFRP网格网孔的减小,温度裂缝面积、体积以及开裂单元数量进一步下降,网孔为5 cm的BFRP网格将裂缝控制为仅有1条。BFRP网格可以有效控制裂缝主要是由于BFRP网格是一种双向受力结构并且具有强节点,在与混凝土黏结之后,发挥了协调混凝土应力发展的作用,有效地均匀化混凝土的应力分布,进而均匀化裂缝发展,最终达到减少裂缝的效果。

海洋桥梁工程轻质、高强、耐久性结构材料现状及发展趋势研究

本文针对海洋环境下大跨桥梁突出的长期服役性能问题和轻量化需求,通过对轻质、高强、耐久的材料深入调研,总结了高性能钢、高性能混凝土及纤维增强复合材料的研究现状及发展趋势,介绍了上述材料在桥梁关键区域的针对性应用技术,并提出海洋桥梁工程轻质、高强、耐久材料发展的战略建议,以满足海洋桥梁工程高性能、长寿命、轻量化的需求,突破海洋环境下大跨桥梁的耐久和跨度瓶颈。

玄武岩纤维复合材料性能提升及其新型结构

纤维增强复合材料(FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳的优点,是结构加固增强的理想材料。其中,具有环境友好特性的玄武岩纤维复合材料(BFRP)有望推动工程结构的绿色可持续化发展,得到国家和地方政府的大力支持。为进一步提升BFRP增强工程结构的性能与寿命,还需从BFRP材料性能和结构增强形式等方面进行改善。该文阐述了BFRP高性能化技术,并从设计理念、关键技术和力学性能三个方面,对三种新型BFRP增强结构形式进行了综述,包括高耐久损伤可控BFRP筋/网格-钢筋混合配置混凝土结构、BFRP型材-混凝土组合结构以及BFRP拉索大跨结构,并对BFRP新建结构的发展提出了建议和展望。

可用于结构健康监测的BOTDR光纤变形检出特性试验研究

应用BOTDR检测技术对用于结构物健康监测的光纤变形检出特性进行了试验研究,包括光纤锥重拉伸试验和光纤压缩与拉张试验。通过试验,分析了光纤应变区长度对检测结果的影响,确定了光纤应变检测段长度的选择区间,验证了BOTDR检测光纤压应变和张应变的有效性。

PBO纤维片材预应力外粘结加固集成新技术

近年采用外部粘结纤维增强复合材料(FRP)来加固结构越来越受到许多研究开发机构和生产单位的重视。结合作者在FRP方面的研究成果和最新开发出的高强高性能的PBO纤维材料,系统地提出了一种更为有效的预应力外粘结加固方法;通过与玻璃纤维、炭素纤维和芳纶纤维等的比较,认清了新型PBO纤维材料的特性;根据既有的试验和研究成果提出了一套完整的预应力加固方法的流程,包括概念、原理和几种降低端部界面应力和新型锚固的措施;室内小型试验和室外大型试验的结果表明,PBO片材预应力技术能够提供令人满意的加固性能。

FRP粘贴结构加固中的几个关键问题和技术

重点介绍以作者为首的研究团队开展的关于利用FRP进行结构加固中的几个关键问题和技术,主要包括以下四个方面:1)FRP和混凝土界面复杂力学行为的研究及在此基础上针对FRP片材外粘贴加固技术中由于均布裂缝导致的FRP与混凝土界面剥离破坏预测计算模式。并且基于大量文献试验数据回归分析提出FRP增强受弯构件承载能力实用计算公式。2)FRP片材预应力外粘贴和FRP筋材嵌入式预应力集成加固技术,包括概念,原理,降低端部应力和新型锚固措施在内的一套完整的预应力加固方法流程。3)为解决单一类型纤维的结构增强效果不佳和由于应力集中导致过早剥离破坏等问题,提出多种纤维(高强,高弹模或高延性)混杂及其外贴增强方法。该法不仅可以有效的提高承载力,刚度及延性,同时还可以减缓甚至避免界面间的剥离破坏。4)充分利用FRP高强耐腐蚀特性,推广FRP在更多结构领域的应用,研究利用cFRP栅格及Dyneema纤维对水下结构(大坝,码头)的加固技术。最后提出纤维加固结构技术的发展方向:以结构性能设计为基础,实现结构损伤可控,可恢复为目标的FRP结构增强体系。

连续玄武岩纤维的标准化与高性能化发展

总结了连续玄武岩纤维产业的规模化、高性能化和标准化等方面的关键技术成果并分析了产业现存问题,阐述了连续玄武岩纤维产业的发展趋势。

碱性环境中BFRP筋耐腐蚀性能试验研究

针对玄武岩纤维增强树脂基复合筋材(BFRP筋)在碱性环境中的耐腐蚀性能和腐蚀机理进行了试验研究,试验变量包括树脂基体种类、碱性环境类别、腐蚀龄期等。碱性环境包括碱溶液浸泡和潮湿混凝土包裹两种,筋材分为环氧树脂基体复合筋(BE筋)和乙烯基酯树脂基体复合筋(BV筋),试验最长龄期为120d。为加速腐蚀效果,试验采用60℃的高温浸泡。并采用扫描电子显微镜(SEM)对腐蚀前后的筋材微观结构进行分析,对腐蚀机理进行了研究。试验结果表明:BE筋腐蚀前后强度均高于BV筋,BE筋的耐碱性能优于BV筋;SEM观察发现沿筋材径向,BE筋中出现明显的腐蚀层和未腐蚀层的分界,而BV筋中没有出现明显的纤维松散层,但是出现了大量的界面脱粘和微裂缝,分析认为强度退化主要是由纤维/树脂界面脱粘导致纤维不能协同受力引起;通过对BFRP筋在直接碱溶液浸泡和混凝土包裹环境下浸泡后的退化规律的比较分析得出,两种情况下的时间转换因子为2.67。

FRP筋混凝土梁的刚度试验研究和理论计算

该文进行了6根简支梁的单调加载试验,试验梁的增强筋分别为普通钢筋、GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)筋和BFRP(Basalt Fiber Reinforced Polymer)筋,每组2根梁。分析比较了FRP筋混凝土梁的抗弯刚度、裂缝分布形式等与普通钢筋梁的区别。对依据国内外规范给定的短期抗弯刚度计算公式计算得出的荷载-挠度曲线与试验曲线进行了比较。基于试验研究和机理分析,借助收集的国内外开展的31根FRP筋混凝土梁的试验数据,对现行GB 50608—2010中FRP筋混凝土梁的短期刚度计算公式Bs进行了修正,并对修正公式的适用性进行了校核。试验结果表明:在相近截面配筋率情况下,由于自身较低的弹性模量,FRP筋混凝土梁在开裂后的抗弯刚度要明显低于普通钢筋梁;FRP筋混凝土梁的裂缝间距要大于普通钢筋梁,裂缝显得疏而宽;现有规范大都高估了FPR筋梁的短期抗弯刚度;修正后的短期抗弯刚度计算公式具有很好的适用性,可作为后续规范修订的参考。

基于分布式光纤应变传感技术的盾构隧道横截面收敛变形监测方法

横截面收敛变形是评估盾构隧道运营期间结构稳定性和安全性的重要指标,但现有的监测手段仅能满足对有限个等间距预设断面收敛变形的监测需求,对长达几公里以上的隧道任意断面进行全面的收敛变形监测还存在技术和经济上的困难而无法实现。采用分布式光纤应变传感器覆盖隧道全线各断面,并提出一种通过测量内壁环向应变分布监测隧道任意横截面收敛变形的方法。该方法得到的收敛变形与应变分布呈显式线性关系,变形监测精度主要由传感器应变测量精度决定。其次,通过有限元算例的计算结果证明了所提方法的正确性。最后,通过横向盾构隧道缩尺模型试验测试了所提方法对收敛变形的实测精度。试验结果表明,该方法对监测收敛变形的最大误差仅为15%。

数字图像相关法测量FRP片材与混凝土界面的黏结滑移关系

采用数字图像相关(DIC)法测量FRP-混凝土双剪试件的全场位移,通过平滑与拟合两种方法获得界面的黏结滑移关系。共测试了6个试件,变化参数为FRP片材的种类(玄武岩纤维和碳纤维)。数字图像相关法的使用可以为界面剪应力的计算提供足够多的数据点,并可直接得到FRP片材与混凝土界面的滑移。试验结果表明:与传统测试手段相比,数字图像相关法能够记录界面剥离过程更全面的信息;对位移数据采用平滑及拟合可以避免测试误差的扩大化,得到反映整个界面规律的黏结滑移关系;经过与传统手段直接测得的数据对比,验证了该测试方法和数据处理方法的可靠性。数字图像相关法的合理使用为类似搭接接头黏结性能的测试和分析提供了新的途径。

混杂FRP-混凝土T形组合梁受弯性能试验研究

设计并研究了一种耐久性较好的混杂纤维-混凝土(HFRP-RC)组合梁.通过12根四点受弯T形梁的试验研究,分析了湿黏结等界面方式的可靠性以及HFRP-RC组合梁的性能.试验结果表明,HFRP-RC组合梁在钢筋屈服后具有明显的二次刚度,有较高的极限承载力和较好的位移延性.试验中所有使用C50混凝土组合梁的破坏模式均为梁底部纤维拉断,表明外贴FRP界面(干黏结)、直接在FRP模壳上刷胶然后浇筑混凝土界面(湿黏结)以及在FRP模壳上预黏石子形成的界面都获得了较好的黏结性能.将碳纤维(CFRP)与玄武岩纤维(BFRP)进行混杂,可以提高CFRP的极限应变值,且BFRP比例越高,提高越明显,因此计算临界混杂比和HFRP-RC组合梁极限承载力时,应考虑CFRP极限应变提高系数.

基于分布式光纤应变传感技术的改进共轭梁法监测结构变形分布研究

工程结构的变形分布是识别结构损伤累积的一个重要手段和指标,但通过现有各种"点式"传感技术还难以全面准确监测结构变形分布。本文基于PPP-BOTDA分布式应变测量技术,提出一种适用于监测简支结构和多跨连续结构变形分布的改进共轭梁法。首先针对传统共轭梁法无法监测由支座沉降产生结构变形的缺点进行改进,使之适用于荷载与支座沉降同时作用的情况。根据本文方法得到的结构变形分布与应变分布呈显式线性关系,与荷载及截面刚度条件无关。理论分析与试验结果均表明,由本文方法得到的某跨结构变形监测精度仅由该跨应变测量误差控制,与其它跨应变测量误差无关,这就限制了应变测量误差的影响范围并保证结构变形的准确监测。

FRP约束混凝土矩形柱有软化段时的应力-应变关系研究

随着侧向FRP约束条件的变化,FRP约束矩形混凝土可区分为强、弱约束两种状态,表现为应力-应变关系曲线是否有软化段。本文在国内外大量试验数据分析的基础上,给出了判断FRP强、弱约束矩形混凝土柱的界限值;随后,针对FRP弱约束矩形混凝土柱应力-应变关系进行了系统研究,认为在不同FRP约束条件下,软化段直线终点可近似认为均位于通过原点的同一条虚直线上,建议了峰值应力、应变及软化段直线刚度的计算方法,其应力-应变关系模型可采用二次抛物线加直线表达,所建议公式及模型预测结果与相关文献试验数据符合很好;最后,对FRP弱约束矩形截面混凝土柱的应力-应变关系进行了参数分析。

BFRP/HFRP布-混凝土界面黏结性能试验研究

为了深入了解BFRP(玄武岩纤维增强复合材料)及HFRP(混杂FRP)布外贴加固混凝土结构的界面黏结性能,进行了单调荷载下BFRP/HFRP布-混凝土界面力学性能的试验研究.试验采用双面剪切试件的形式,利用数字图像相关(DIC)法测量FRP表面的应变分布.试验结果表明:与同层数CFRP试件相比,BFRP-混凝土界面剥离承载力较低,但剥离破坏过程具有延性特征;与碳纤维混杂后,HFRP-混凝土界面的承载力明显提高.基于该试验结果发现,最大界面断裂能、最大剪应力与FRP刚度存在着一定的相关性;经过与应变片数据比较,证实了DIC法用于FRP-混凝土界面试验应变测量的可靠性.

钢筋混凝土桥墩加固与修复技术研究

针对钢筋混凝土桥墩常规加固及抗震加固与修复,研究总结了几种国内外传统加固技术及最新加固技术,包括增大截面加固技术、嵌入加固技术、体外预应力加固技术、钢套管加固技术、FRP加固技术、绕丝加固技术及"狗骨式"筋修复纵筋技术等,对不同加固技术的方案原理、材料及适用范围进行了论述比较,不同的加固技术适用于桥墩承载力提高、抗震加固、震后修复等不同的加固需求。

FRP片材-混凝土界面应变率效应试验研究

对57个FRP片材-混凝土双面剪切试件进行快速加载试验,试验加载最大应变率为100,000με/sec。试验参数包括应变率、混凝土强度、黏结树脂性能和FRP种类。试验结果显示界面断裂能、FRP最大应变、峰值剪应力等参数随应变率呈对数线性增大的关系,表明FRP片材-混凝土界面性能具有明显的应变率效应。在本试验应变率范围内,较低强度混凝土试件的应变率效应更加显著,而黏结树脂性能和FRP种类对界面应变率效应的影响不明显。基于混凝土材料的应变率效应模型,采用试验数据回归其关键参数,得到快速荷载作用下FRP片材-混凝土界面的黏结滑移模型。运用该模型对FRP片材-混凝土界面性能进行进一步的参数分析,结果表明随着应变率的增大,界面极限总滑移量增加,而FRP有效黏结长度则减小。

不同纤维增强复合材料加固钢梁疲劳性能试验研究

对外贴高弹模碳纤维增强复合材料(高弹模CFRP)板、高强度CFRP板、钢丝-玄武岩纤维复合板(SBFCP)和焊接钢板等加固人工受损钢梁疲劳性能进行试验研究,分析不同材料加固对钢梁疲劳性能的影响,讨论钢梁疲劳加固效果的影响因素。试验结果表明:等拉伸刚度加固条件下,纤维增强复合材料加固钢梁的疲劳寿命总体上是未加固钢梁的3.33～5.26倍,而焊接钢板加固钢梁的疲劳寿命是未加固钢梁的1.74倍;与传统焊接钢板加固相比,纤维增强复合材料可以推迟钢梁裂纹的萌生,降低裂纹的扩展速率和钢梁的残余挠度,增加构件的疲劳寿命,改善构件的破坏模式,其中高弹模CFRP板加固效果最理想,而SBFCP加固性价比最高;加固材料和界面对疲劳性能有明显的影响。

钢-连续纤维复合筋(SFCB)力学性能试验研究与理论分析

本文对工业化制备的钢-连续纤维复合筋(SFCB)制品进行了单向拉伸和反复拉伸试验,观察其破坏过程和破坏特征,测定其初期刚度、二次刚度、屈服强度、极限强度、卸载刚度、残余变形。试验结果表明,SFCB的荷载-应变关系曲线在纤维断裂前呈现出明显的双折线,钢筋屈服后SFCB具有稳定的二次刚度、小的残余变形和良好的可恢复性能。根据材料的复合法则推导出了SFCB单调加载下应力-应变关系的理论计算模型,针对根据现有钢筋和纤维材料恢复力模型直接采用复合法则得到的SFCB反复拉伸的理论模型和试验结果误差较大的情况,基于SFCB反复拉伸的荷载-应变试验曲线特征,经过统计分析,构建了SFCB反复拉伸下应力-应变关系恢复力模型,该模型良好地揭示了SFCB在反复加载下其卸载模量随塑性发展而逐渐退化的规律,与试验数据进行比较,发现均吻合较好,证明了可以通过理论计算对SFCB的力学性能进行预测和设计。