氯盐干湿循环作用下表面开槽CFRP-混凝土界面抗剪性能试验

为探究氯盐干湿循环作用下表面开槽CFRP-混凝土界面抗剪性能,开展干湿循环(0 d、60 d和120 d)不同沟槽形状(矩形、正梯形和倒梯形)的单搭接拉伸剪切试验,研究失效模式和断裂能的变化及影响最大剪应力的因素,结合试验结果推导了考虑干湿循环的界面黏结滑移本构方程,并通过数值模拟验证其有效性。结果表明:随干湿循环进行,表面开槽法失效模式由CFRP断裂破坏转变为剥离破坏;120 d界面断裂能下降量较未开槽法减少60.04%~69.42%;正梯形组120 d最大剪应力相比其他表面开槽形状提升7.18%~9.48%。表面开槽法在氯盐干湿循环作用下具有较好的抗剪性能,建立的界面本构劣化方程适用于氯盐干湿循环作用下表面开槽CFRP-混凝土界面黏结性能的分析和模拟。

联肢弯剪型钢板剪力墙抗震性能试验研究

联肢钢板剪力墙结构是将2片钢板剪力墙通过钢连梁连接形成的抗侧力结构。通过对1榀1/3缩尺的4层联肢弯剪型钢板剪力墙试件进行低周往复加载试验,从滞回曲线、骨架曲线、延性、承载力及刚度退化、耗能能力等方面研究了该结构体系的抗震性能,并且对试件的屈服顺序和变形模式进行了分析。结果表明:联肢钢板剪力墙试件的延性系数达到5.03,承载力退化系数均大于0.96,承载力和刚度退化稳定,等效黏滞阻尼系数达到0.25以上,表明联肢弯剪型钢板剪力墙具有优越的抗震性能。加载过程中,连梁先于墙板发生屈服,墙板先屈曲后屈服,此后柱脚和横梁相继屈服。连梁的引入改变了结构的屈服机制,提高了整体的延性和耗能能力,能够组成多道抗震防线,且试件整体最终也体现出合理的破坏机制。整体侧移曲线呈弯剪变形模式。该试验研究更加贴合实际工程中联肢钢板剪力墙结构的应用情况,为联肢钢板剪力墙结构的进一步研究和应用提供了试验基础。

悬挂结构模拟振动台试验研究

为研究设置黏滞阻尼器的悬挂结构在地震作用下的抗震性能,对采用刚性连接杆连接和采用黏滞阻尼器连接的悬挂结构进行了1/20比例缩尺模型振动台试验,主要研究了模型结构的动力特性、阻尼比、结构响应及其减振效果。研究结果表明:与普通悬挂模型结构相比,悬挂减振模型结构自振频率有所降低,结构的阻尼比得到提高,特别是第一阶频率和对应阻尼比;悬挂减振模型结构的主体结构顶部和第五层悬挂楼层的加速度峰值响应均小于普通悬挂模型结构,其中悬挂楼层的加速度峰值响应最佳减振幅度可达94.34%。悬挂减振结构主体结构顶部位移峰值响应较普通悬挂结构有明显地降低,且不同的地震波输入有着不同的减振效果,其中Taft波的减振效果最好,El Centro波次之,最后是人工波;主体结构与悬挂楼面的最大相对位移却大于普通悬挂结构,说明主次结构之间的连接越强,其相对位移就越小。同时也说明悬挂减振结构正是利用悬挂楼层的摆动和黏滞阻尼器来耗散能量,从而有着较好的耗能减振效果。

火灾下活性粉末混凝土梁斜截面承载性能研究

为探明火灾下活性粉末混凝土(Receative power concrete,RPC)梁斜截面承载性能退化规律,设计制作了六根RPC简支梁试件,开展了恒载下ISO834标准火灾试验,获得了时间-位移曲线、荷载-位移曲线、内部温度变化、裂缝开展、破坏形态、高温爆裂等数据,分析了剪跨比、荷载水平、配箍率、纵筋配筋率对火灾下RPC梁斜截面承载性能的影响规律。结果表明:剪跨比、荷载水平是影响RPC梁斜截面耐火极限的关键因素,剪跨比由2.5增至3.5,荷载水平由0.25增至0.45,RPC梁耐火极限可降低30 min以上;配箍率对RPC梁的斜截面承载力和耐火极限影响显著;纵筋配筋率对RPC梁耐火极限影响甚微。火灾高温、爆裂削弱了RPC梁的斜截面承载性能,爆裂导致内部材料直接受火,加速其力学性能劣化,使梁斜截面承载力降低33.5%以上。该研究可为火灾下RPC梁斜截面承载安全及火灾后加固修复提供参考。

钢-混凝土组合梁螺栓连接件受剪性能试验研究

传统螺栓连接件的直径小于钢梁预留孔的孔径,导致螺栓与孔壁存在间隙,容易引发钢梁与上部混凝土板间发生相对滑移使组合梁挠度增大。为尽量减小或消除上述间隙,本文引入铰制孔螺栓和螺纹孔螺栓作为组合结构的剪力连接件,并提出锥套自锁螺栓连接件。设计并开展了8个螺栓连接件推出试验,基于各试件的荷载-滑移曲线,研究了3种螺栓连接件与传统螺栓连接件间的抗剪承载力、滑移能力及抗剪刚度等受剪力学性能的具体差异。研究结果表明:3种螺栓连接件的破坏形态与传统螺栓连接件表现一致,均为螺栓杆剪断,混凝土无压溃现象;3种螺栓连接件的抗剪承载力均接近于传统螺栓连接件的抗剪承载力;基于试件的荷载-滑移曲线,3种螺栓连接件均可分为弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段;3种螺栓连接件的延性系数和抗剪刚度均明显优于传统螺栓。综合考虑力学性能、施工性能和经济性,本文建议选用铰制孔螺栓用于组合结构的剪力连接件。

装配式槽钢组合梁中开孔钢板连接件力学性能

为研究新型装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中开孔钢板剪力连接件(PSP剪力连接件)的力学性能,设计7组标准试件并开展推出试验,对比分析不同参数PSP剪力连接件的受剪承载力和破坏模式。利用ABAQUS非线性有限元模型对PSP剪力连接件的破坏模式和受力机制进行数值模拟,并与试验结果对比验证计算结果的可靠性。在此基础上,进一步分析开孔钢板厚度、开孔直径、混凝土强度、穿孔钢筋及连接件间距对PSP剪力连接件力学性能的影响。结果表明:除10 mm厚度的PSP剪力连接件外,所有4 mm与6 mm厚度的PSP剪力连接件均发生明显弯曲变形,试件破坏时连接件周围混凝土均出现斜向裂缝;开孔直径和穿孔钢筋对受剪承载力和抗剪刚度影响较小,而增加开孔钢板厚度、混凝土强度能提高剪力连接件受剪承载力和抗剪刚度;对于双排PSP剪力连接件,增大连接件间距能够显著提高单排PSP剪力连接件平均承载力,当间距为250 mm时,单排平均承载力达到单个PSP剪力连接件的91.2%。根据试验及有限元荷载滑移曲线提出装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中单个PSP连接件荷载滑移曲线计算公式,为装配式双拼槽钢混组合梁的设计提供参考。

双面叠合装配式管廊侧墙面外抗震性能试验

为研究采用螺旋箍筋套筒底节点连接的预制双面叠合式管廊侧墙在面外荷载作用下的受力变形性能,对2个采用该节点连接的足尺侧墙试件进行了不同轴压比下低周往复加载试验,并与对应2个现浇试件作对比,初步揭示了螺旋箍筋套筒底节点和竖向轴压比对管廊侧墙面外抗震受力变形性能的影响。试验结果表明:两种试件滞回曲线均较为饱满,具有良好的抗震耗能能力,满足装配式结构抗震变形设计要求;叠合装配试件上部区域剪切变形均高于现浇试件,且裂缝遍布整个墙体高度范围,具有良好的面外变形能力。

装配式双拼槽钢-混凝土开孔组合梁试验研究

装配式建筑行业渗透率不断提升,针对装配式工业化的需求,提出了一种新型装配式双拼槽钢-混凝土开孔组合梁(DCCP),由高强螺栓连接装配模块形成,实现完全干式连接,兼具节省钢材、便于敷设管道及增大建筑使用空间等优点.对具有腹板圆形开孔的DCCP和4根不同腹板圆角矩形开孔长度的DCCP进行了静力弯曲试验,探究了腹板开孔长度对组合梁受弯性能的影响,分析了试验梁的破坏模式,跨中挠度、应变、平面外位移、界面滑移随荷载变化规律,提出了DCCP极限承载力的理论计算模型.结果表明:腹板开孔长度对组合梁的力学性能有显著的影响,腹板开圆孔的组合梁表现为槽钢翼缘屈服失效,混凝土板在跨中压碎即弯曲破坏,而腹板开长圆角矩形孔的组合梁因腹板开孔处四角产生塑性铰和开孔处高弯矩端对应位置的混凝土板压溃而发生空腹破坏(Vierendeel mechanism failure);腹板开孔长度由150 mm增加到900 mm时,组合梁的承载力和延性分别降低了20%和23%;具有腹板开孔的DCCP平均延性系数值为8;高强螺栓约束下的装配模块间分离微乎其微,整体协同工作性能良好.钢梁与混凝土板间最大滑移为0.34 mm,新型组合梁采用的钢板连接件可有效传递钢梁和混凝土板间的纵向剪力,实现完全抗剪连接件.用本文理论模型计算的极限承载力与试验结果吻合良好,误差小于5%.

基于气弹模型风洞试验的高耸桅杆风振响应特性

为了探究高耸桅杆结构风振响应特性,采用刚性节段加连接棒法制作了356 m高桅杆的气弹模型,通过风洞试验研究了桅杆结构的位移响应高度分布特征和模态参与特性,并分析了风速和风向的影响.结果表明,桅杆结构的位移响应随高度呈非线性变化,其最大平均和脉动响应均出现在顶部2层纤绳锚固点间的中间部位.桅杆结构的横风向响应基本与顺风向相当.风向改变对平均位移有一定影响,对脉动无明显影响.结构顺、横风向风振响应中前三阶模态振动能量具有相近量级,且风速变化会对桅杆结构的模态频率产生一定影响.结构气动阻尼均为正值,且随风速增加而增大.桅杆结构的顺风向风振系数除底部外,其他高度均要显著低于规范值.风速和风向的改变对桅杆中、上部的风振系数影响较小,仅在底部影响较为明显.

采用T型钢连接的可拆换钢梁抗震性能试验与数值研究

提出了一种采用T型钢连接的可拆换钢梁,在地震作用下T型钢集中耗散地震能量,并在震后通过更换T型钢实现使用功能的恢复。通过合理设计T型钢连接、钢梁中间段和悬臂段的抗弯承载力关系,定义设计承载力削弱系数的取值范围,从而实现T型钢集中损伤耗能,钢梁中间段和悬臂段保持弹性的屈服机制。为了使T型钢连接件实现预期的损伤和最优的耗能效果,设计了4个腹板采用不同截面和材料的T型钢连接件,并对T型钢连接的可拆换钢梁试件进行了低周往复加载试验和有限元分析。结果表明:T型钢连接的可拆换钢梁可以实现预期的屈服机制,达到T型连接件集中耗能的目的;T型钢腹板的残余变形和螺栓应力可以满足拆换条件,拆换后结构功能不变,实现了较为理想的可更换机制。狗骨式腹板截面的T型钢连接件塑性变形更均匀,耗能区域更大,耗能效率提高约30%,拆换时间和残余变形与普通截面相差不大,建议腹板采用狗骨式截面;采用低屈服点钢材可以提高T型钢的耗能效率约40%,在设计承载力系数取值合理的情况下,T型钢腹板可以选择低屈服点钢材。最后,基于试验和有限元结果,考虑到T型钢连接件的可拆换性和钢梁材料利用率,建议设计承载力削弱系数取值为0.65~0.85。

圆钢管超高性能混凝土短柱偏压力学性能研究

为研究钢管超高性能混凝土短柱的偏压性能,以荷载偏心率和钢管径厚比为变化参数,设计了12个圆钢管UHPC短柱试件并对其进行偏心受压加载试验,分析了该类构件的破坏模式、荷载-挠度曲线、钢管应变和变形系数等,考察了主要因素对短柱偏压性能的影响规律。结果表明:试件的破坏特征为钢管屈服和核心混凝土压坏;荷载-挠度曲线有较明显的峰值点,偏心率越大和径厚比越小,曲线的下降段越平缓;达到60%峰值荷载时,钢管开始产生明显的约束作用,达到90%峰值荷载时,截面变形不再符合平截面假定;偏心率增大使试件的承载力和刚度下降,而径厚比减小可降低这种不利影响。在试验基础上,结合数值模拟对短柱的N-M曲线进行分析,建立了临界偏心率和套箍系数的关系表达式,并基于此提出短柱偏压承载力实用计算方法,理论与试验结果吻合较好。

可恢复功能装配式高强再生混凝土剪力墙抗震性能试验研究

为推动高强再生混凝土构件应用于可恢复功能建筑结构,提出一种边缘构件配置弱粘结超高强纵筋的装配式高强再生混凝土剪力墙。对4个剪跨比为2.2的装配式高强再生混凝土剪力墙进行低周反复荷载试验,分析了边缘配置弱粘结超高强纵筋、墙体有无钢纤维的装配式高强再生混凝土剪力墙的损伤破坏形态、滞回性能、刚度退化、残余变形、裂缝宽度等抗震与可恢复性能指标。结果表明:在大变形条件下,边缘配置弱粘结超高强纵筋的装配式高强再生混凝土剪力墙水平承载力持续增大,混凝土损伤程度较轻,抗侧刚度退化缓慢,残余变形与裂缝宽度较小。基于试验结果,建议了可恢复功能装配式高强再生混凝土剪力墙在1%位移角下的抗震承载力计算方法,其计算结果与试验结果符合较好。

CFRP-PE-不锈钢筋混凝土短柱的设计方法研究

进行了17个CFRP-PE-不锈钢筋混凝土短柱和8个对比试件的轴压试验,探究不锈钢种类、箍筋间距、CFRP厚度、PE厚度对该类组合柱的破坏模态、荷载-应变曲线、极限应变、极限承载力、延性的影响规律.试验结果表明:在CFRP和混凝土间设置PE垫层能提高该类组合短柱的延性和变形能力,并降低其承载力;增大CFRP厚度可提高其承载力和极限应变,但试件表现出增大的脆性;减小箍筋间距或增大钢筋强度可显著提高其承载力、峰值应变和延性.建立了有限元模型,有限元分析表明:增大PE厚径比会显著提高该类组合短柱的变形能力和延性,并降低CFRP对其承载力的影响;增大配箍率、不锈钢强度、CFRP抗拉强度、CFRP厚度可提升该类组合短柱的极限应变与承载力;提高混凝土强度会提高该类组合短柱的峰值承载力,但降低其极限应变.最终建议了该类组合短柱的延性设计方法、承载力模型和极限应变模型.

波形腹板部分包覆组合柱强轴抗震性能研究

提出一种新型的波形腹板PEC柱,设计2个波形腹板PEC柱拟静力试验并研究其抗震机理;运用ABAQUS软件,考虑轴压比、翼缘厚度、剪跨比、混凝土强度对强轴方向抗震性能的影响,对试验进行有限元模拟并开展参数扩展分析。研究结果表明:抗震性能模拟结果与试验结果吻合较好;轴压比是影响波形腹板PEC柱强轴抗震性能的关键因素,轴压比越大,试件的强轴承载能力越小,耗能能力越低;翼缘厚度越大,试件的初始刚度、承载能力越大,延性越好;提升混凝土强度至高强混凝土的强度之前,可以提高试件的承载能力、延性和初始刚度,而高强混凝土会降低试件延性;剪跨比增大、试件的峰值荷载越低,延性、耗能能力越好;基于国内外已有PEC柱的相关设计规范,额外考虑波形腹板的几何效应,提出了波形腹板PEC柱绕强轴加载时单向压弯承载力计算公式,单向压弯承载力理论值与试验值吻合度较高,验证了公式的合理性。

装配式槽钢-混凝土组合梁受弯性能研究

为研究采用螺栓连接的装配式槽钢-混凝土组合梁(PSCCB)的受弯性能,制作了7个不同宽跨比、梁高和剪切连接间距的PSCCB试件,对其进行四点弯曲测试。基于ABAQUS软件建立PSCCB有限元模型,通过试验结果验证模型的可靠性,并分析螺栓间距、螺栓预紧力、抗剪连接件间距、剪跨比、宽跨比、槽钢强度和混凝土强度对PSCCB受弯性能的影响。试验结果表明:高强度螺栓能确保PSCCB具有较高的整体性和良好的强度和延性;随着宽跨比增大,PSCCB抗弯承载力和延性分别提高8%~19%和11%~21%;穿孔钢板剪力连接件在槽钢和混凝土板之间提供高效的组合作用,部分抗剪连接与完全抗剪连接PSCCB的延性、强度、刚度差异少于10%;与梁高320 mm的PSCCB相比,梁高400 mm的PSCCB的抗弯承载力提高96%,但延性降低10%。分析结果说明:有限元分析结果与试验结果较吻合,所建立的模型能准确反映PSCCB的受弯性能;随着螺栓间距和预紧力的增大,PSCCB受弯承载力和初始刚度基本保持不变;适当增加抗剪连接程度和宽跨比能有效提升PSCCB的受弯承载力和初始刚度;增加槽钢强度能显著提高PSCCB的受弯承载力,而混凝土强度变化对其受弯承载力影响较小。根据试验和有限元参数分析,提出PSCCB受弯性能设计方法,受弯承载力和跨中挠度计算值与试验及有限元分析结果吻合良好,可为PSCCB的工程设计提供参考。

110 kV干式空心并联电抗器振动台试验与易损性研究

电抗器是变电站的重要设备之一,上部线圈由底部陶瓷绝缘子支撑,整体尺寸大、重心高。由于结构形式的特殊性,其在地震作用下的动力响应较为复杂。本文对110 kV干式空心并联电抗器进行了振动台试验研究,通过白噪声测定了电抗器的自振频率和阻尼比;在0.15g和0.5g人工地震动输入下,测量了电抗器关键部位的应变、加速度和位移响应,分析了电抗器在地震作用下的动力响应规律,探讨了电抗器的可能破坏模式,进一步计算了电抗器的地震易损性曲线。研究结果表明:电抗器的动力特性近似于单自由度体系,一阶自振频率为3.3 Hz,阻尼比为3.9%;电抗器在地震作用下的变形主要发生在绝缘子以及绝缘子-线圈连接部位,上部线圈可认为是刚体;与绝缘子相比,绝缘子-线圈连接部位的刚度较小,变形更集中,是电抗器的薄弱部位;0.15g人工地震动试验后,电抗器自振频率下降3.6%,0.5g人工地震动试验后,电抗器自振频率下降6.3%;根据绝缘子实测应变,考虑地震作用与其他荷载产生的总应力,电抗器的安全系数为2.14,仍然具有一定的安全储备;基于试验结果计算电抗器的地震易损性,抗震能力中值为0.965g,对数标准差为0.4。

内置型钢的圆形不锈钢管混凝土构件的抗弯性能

采用有限元模型研究内置型钢的圆形不锈钢管混凝土构件的纯弯力学性能,有限元计算结果与试验结果吻合良好。该类典型构件的抗弯承载力比不锈钢管混凝土对比构件的相应值高111.33%;混凝土承担的弯矩也比对比构件的相应值高23.31%,受压区混凝土的抗压承载力约提高了20%,原因是钢管和型钢翼缘对受压区混凝土形成了良好的约束作用。该类构件的抗弯刚度与抗弯承载力随着混凝土强度、不锈钢含钢率、型钢含钢率和回转半径比的增大而提高;其抗弯承载力随着不锈钢屈服强度或型钢屈服强度的增大而提高。最终给出了该类构件的抗弯刚度和抗弯承载力的简化计算方法。

槽型套管加强方钢管X形节点平面内受弯性能试验

槽型套管适用于在役钢管结构的节点局部加强,可有效提高节点承载力和刚度。为研究槽型套管对方钢管节点平面内受弯性能的加强效果,对5组支主管宽度比β为0.58、0.7和1.0的试件进行平面内受弯试验。试验表明槽型套管加强可以有效提升节点受弯性能,β=0.58和β=0.7时槽型套管加强节点的受弯承载力分别提高37%和163%;加强节点的刚度略低于等宽节点,但其延性更优;支主管宽度比和槽型套管厚度是影响加强节点平面内受弯性能的主要参数。槽型套管加强可有效保护节点主管,使试件失效模式由主管或焊缝破坏转移为支管破坏。进一步机理分析表明,加强套管可与主管管壁形成共同承载体,通过局部增厚作用提高节点承载力和刚度。据此对比分析了该类加强节点受弯承载力计算公式的适用性,可供设计参考。

基于形状描述符的滞回曲线相似性指标的形成

为了形成全面的相似度指标以评价滞回曲线的拟合程度,引入了已广泛用于图像特征提取的形状描述符,并提出了基于这些描述符形成计算数值模拟曲线相对于实验曲线的相似度指标的具体流程.根据该流程,形成了一个基于形状上下文的相似度指标.先计算两曲线滞回圈之间的相似度,再对这些相似度进行加权组合,形成整个滞回环的相似度.为了验证该指标,采用Bouc-Wen模型进行数值模拟研究.改变Bouc-Wen模型的5个参数,并形成51条数值模拟曲线,计算这些曲线相对于中值曲线的相似度与力峰值点、耗能、刚度误差.结果表明,相似度与误差之间的斯皮尔曼相关系数绝对值均大于0.78,有强烈的相关性,从而验证了该指标的可行性和指标形成流程的有效性.

基于PCA-EWM两级特征融合和NGO-GRU的梁桥损伤诊断

为了提高损伤识别中单一指标对损伤的灵敏度和抗噪能力,基于模态应变能理论,提出联合主成分分析(principal component analysis,PCA)和熵权融合(entropy weight method,EWM)的两级特征融合方法,并使用北方苍鹰优化算法(northern goshawk optimization,NGO)结合门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)进行桥梁损伤程度预测。首先,基于传统的模态应变能理论,构造出对角模态应变能比,由此衍生出对角模态应变能比变化率,对角模态应变能比耗散率,标准化对角模态应变能比差指标。其次,使用主成分分析实现指标内特征提取,熵权法融合指标间的特征,从而构造出加权决策指标(weighted decision index,WDI)。将单个模态应变能衍生指标输入到NGO-GRU混合神经网络中,损伤程度为输出,从而建立指标值与损伤程度之间的关系,进而实现损伤量化。通过三跨连续梁桥数值模型对所提出的方法进行验证,结果表明:加权决策指标具有良好的损伤定位能力和抗噪性,混合神经网络具有较高的损伤预测精度,预测准确率为91.14%。