CFRP加固损伤钢筋混凝土梁抗冲击性能试验研究

对采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固的不同损伤程度的钢筋混凝土梁进行落锤冲击试验,以冲击高度、加固层数为试验参数分析CFRP加固损伤试件的裂缝发展、破坏形态及抗冲击性能,并研究试件在冲击荷载下的动力性能。结果表明:试件损伤程度越高,其斜向裂缝发展越密集,试件的破坏程度越严重;落锤冲击高度越高,裂缝发展越趋近于跨中局部化;当采用多层CFRP布加固损伤试件时,试件在落锤冲击作用下保持较好的完整性,仅外部混凝土粉碎掉落;随着CFRP布粘贴层数的增加,试件整体产生弯剪破坏,损伤试件加固修复后的抗冲击能力及刚度相较于完好试件得到显著提升,提升幅度为70%~72%,但增加CFRP布粘贴层数对试件的加固修复效果提升作用有限,且加固效果与抗冲击能力并非呈线性关系;基于有效应变计算的结果可知,采用CFRP布加固修复不仅仅具有加固补强的作用,同时能够在一定的程度上改善试件的整体抗冲击性能。

多尺度钢纤维混杂增强水泥基材料抗冲击性能及阻裂能力

为更好地研究钢纤维混杂方式对水泥基材料的增强作用,本研究使用长度分别为6 mm(S)、13 mm(M)和35 mm(H)的三种钢纤维,进行单掺、双掺、三掺制备钢纤维增强水泥基材料,采用圆柱体试件进行落锤冲击试验,从冲击次数及耗能、破坏形态、裂缝宽度发展等方面探究混杂方式对水泥基材料抗冲击性能及阻裂能力的影响。试验结果表明:钢纤维从单掺到三掺,材料抗冲击性能逐渐增强。钢纤维单掺对水泥基材料强度及抗冲击性能提升效果依次为:M>H>S;双掺组合方式从优到劣为:M+H>S+M>S+H,当1.5%(体积分数,下同)M与0.5%H混掺时材料的增强、增韧效果最佳,28 d抗折强度为22.6 MPa,较单掺M和H分别提高了3.2%和31.4%,抗压强度为154.8 MPa,较单掺M和H分别提高了40.1%和65.5%,初裂与破坏冲击耗能比单掺M和H分别提高了23.5%、425%和36.7%、300%;三掺最优掺量为0.5%S、0.5%M和1%H,初裂和破坏冲击耗能比最优双掺M1.5H0.5组分别提高了33.3%、1.9%。双参数的Weibull分布可以合理地描述钢纤维混杂增强水泥基材料的初裂冲击次数(N1)和破坏冲击次数(N2)。S抑制微裂缝的产生与扩张,M和H阻止宏观裂缝在不同受荷阶段的发展,在不同结构层次、不同受荷阶段发挥逐级阻裂作用。

UHPC抗冲击性能的试验研究

抗冲击性能是混凝土结构重要技术特征。针对超高性能混凝土(UHPC)抗冲击性能,采用不同掺量的钢纤维和橡胶颗粒,试验研究了钢纤维和橡胶掺量对UHPC的工作性能、强度和抗冲击性能的影响,并对钢纤维和橡胶颗粒掺量对UHPC的影响机理进行了分析。试验研究结果表明:随着钢纤维掺量的增加,UHPC的坍落度和扩展度均不断降低,含气量增大,强度和抗冲击性能明显增大,钢纤维可有效提高UHPC的抗冲击性能,掺量宜控制在3%之内;随着橡胶颗粒掺量的增加,UHPC的抗压强度不断降低,但坍落度、扩展度、抗折强度及抗冲击性能呈现先增大后降低趋势,掺入适量的橡胶颗粒可有效提高UHPC的抗折强度和抗冲击性能,掺量宜控制在10%之内。通过采用钢纤维和橡胶颗粒,可配制出抗冲击性能良好的UHPC。

两端简支GFRP管-钢骨混凝土构件抗侧向冲击性能有限元分析

目的 研究两端简支GFRP管-钢骨混凝土构件的抗侧向冲击性能,为该类构件的工程应用提供参考。方法 建立并验证侧向冲击荷载作用下两端简支GFRP管-钢骨混凝土构件有限元模型,分析了典型构件在侧向冲击荷载作用下的全过程、破坏形态、应力发展、相互作用力时程曲线和弯矩时程曲线等动态响应;研究了冲击能量、冲击冲量、钢材强度、GFRP管厚度以及截面含钢率对构件抗冲击性能的影响。结果 随着冲击能量及冲量的增大,冲击持时和构件弯曲变形增大;提高钢材强度、GFRP管厚度可以改善构件的抗冲击性能。结论 GFRP管对混凝土有较好的约束作用,构件在侧向冲击荷载作用下整体发生弯曲破坏,内部钢骨塑性变形发展充分,构件抗侧向冲击性能优越。

EPS混凝土的早龄期抗冲击性能

对早龄期(12 h、24 h、36 h)的EPS混凝土进行了动态力学试验,从动态抗压强度、峰值应变、极限应变和能耗密度等方面分析了冲击速度(4.5~6.5 m/s)和龄期(12 h、24 h、36 h)对EPS混凝土抗冲击性能的影响,并与28 d龄期时EPS混凝土的性能进行了对比。结果表明:EPS混凝土的动态抗压强度、峰值应变、极限应变和能耗密度均具有冲击速度强化效应。随着龄期的增大,EPS混凝土的动态力学性能指标及其对冲击速度的敏感性不断增大。28 d龄期时,EPS混凝土的动态抗压强度、峰值应变、极限应变和能耗密度最大,其对冲击速度的敏感性最强。EPS混凝土早龄期具有良好的变形和吸能特性。36 h龄期时,EPS混凝土的峰值应变、极限应变和能耗密度分别可达到28 d龄期时的66%~82%、91%~93%和72%~78%。

玄武岩纤维增强磷酸镁水泥冲击性能研究

磷酸镁水泥(MPC)以其优异的耐腐蚀性、耐热性和可塑性在建筑行业得到了广泛应用。为了研究掺入玄武岩纤维(BF)对磷酸镁水泥(MPC)抗冲击性能的改善效果。采用落锤冲击试验装置对BF-MPC进行抗冲击试验;分析了不同长度与掺量的玄武岩纤维对MPC抗冲击性能的影响;采用Weibull数理统计模型对冲击试验结果进行拟合和失效概率的预测。玄武岩纤维的掺入可以明显提高MPC的抗冲击次数;其中体积掺量为1.5%,长度为6 mm的玄武岩纤维对MPC的抗冲击性能的提高幅度最大,初裂次数及终裂次数均为不掺加纤维的3倍以上。BF-MPC的冲击次数很好地服从两参数Weibull分布。BF的掺入可以明显改善MPC的抗冲击性能。

建筑装饰用PC-xPMMA聚酯材料光泽度和冲击性能分析

聚碳酸酯(PC)具备优异的综合性能,被广泛应用于建筑装饰制造领域。通过在PC中添加聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)方法来制备得到PC-xPMMA聚酯材料性能,通过实验测试研究PMMA添加量对聚碳酸酯材料光泽度和冲击性能影响。研究结果表明:当材料中的PMMA含量上升后,合金L值发生了先降低后上升之后又减小的情况,当PMMA的加入量达到40份以上时,PMMA易着色性占据主导地位。当PMMA添加量升高后,材料冲击强度发生了先升高后下降的情况,在PMMA的加入40份时取得最大值42.6 kJ/m^(2)。该研究有助于提高建筑装饰材料的高分子特性,为后续的化工精炼奠定一定的理论基础。

UHPC梁抗冲击性能影响因素有限元分析

为研究配箍率、纵筋率、UHPC强度对UHPC梁抗冲击性能的影响,采用LS-DYNA软件,建立落锤冲击下的UHPC梁有限元模型,进行数值计算,分析对比其破坏形态、位移时程。结果表明UHPC中的钢纤维提高了梁的抗剪能力,导致配箍率对UHPC梁的冲击响应影响较小;当纵筋率小于1.0%时,破坏形态为少筋破坏,随着纵筋率增大,梁抗冲击能力增强,破坏形态转变为适筋破坏,跨中最大位移减少,但影响程度随着纵筋率增加而逐渐减少;UHPC抗压强度不同,梁的破坏模式有差异,当强度从100MPa增加到140MPa时,梁体破坏形态从落锤两侧出现斜向损伤转变为跨中受拉损伤。对于UHPC梁抗冲击设计,可减少箍筋的配置,而提高纵筋率或UHPC强度。

喷涂聚脲弹性体及复合结构抗爆抗冲击性能研究进展

防护结构的抗爆抗冲击性能是生命安全的重要保障,材料和结构是提高防护性能的2种主要途径。喷涂聚脲弹性体凭借良好的力学性能和耗能特性被广泛运用于抗爆抗冲击防护领域。从喷涂聚脲弹性体的抗冲击性能出发,介绍了不同试验方法下喷涂聚脲弹性体优异的爆炸冲击防护性能,分析喷涂聚脲弹性体在不同应变率和环境下良好的适应性,发现涂层厚度和涂层构造会对材料抗冲击性能产生影响;从材料微观层面以及阻抗失配的角度综述了喷涂聚脲弹性体的抗冲击机理,最后阐述了抗冲击复合结构的耗能机理以及优化方法,指出了喷涂聚脲弹性体以及复合结构尚存在的部分问题以及发展方向。

钢筋混凝土的负泊松比设计与抗高速冲击性能

为增强钢筋混凝土的抗高速冲击性能,对钢筋混凝土的内部骨架进行负泊松比设计,得到两种内凹角数量不同的六肋及星型钢筋混凝土。利用霍普金森压杆试验对不同类型的钢筋混凝土进行抗高速冲击性能测试,并结合数字散斑相关方法对其场变化及微观泊松比进行分析,得到内凹角数量对钢筋混凝土破坏形态、承载力及耗能能力的影响规律和机理。结果表明:六肋和星型钢筋混凝土在抗高速冲击作用下出现了负泊松比,分别为-0.50和-1.00;从应变场来看,六肋和星型钢筋混凝土的最大应变均出现在内凹角附近,且以内凹角为中心向四周逐渐减小;随着钢筋结构内凹角数量的增加,钢筋混凝土的变形能力和能量耗散能力显著增强。单位体积内六肋和星型钢筋混凝土的耗能分别为1.76×10^(5)和1.86×10^(5) J/m^(3),是方形钢筋混凝土的1.17倍和1.23倍,表明负泊松比钢筋混凝土的耗能能力随钢筋内凹角数量的增多而增强。

单向载荷下建筑用方钢管柱螺栓连接节点的抗冲击性能

用高强螺栓与Q345B钢制备方钢管柱螺栓连接节点试件,分别施加80、120、160 kN的预紧力,制成3种不同预紧力的连接节点试件。通过落锤冲击试验对试件施加单向载荷,并进行承载力与耗能测试,分析单向载荷下方钢管柱螺栓连接节点的抗冲击性能。结果表明:当单向载荷冲击速度较大时,试件的冲击力、位移均增大;其中,施加160 kN预紧力的试件的冲击力与位移始终较低,且冲击持续时间较短,具有良好的抗冲击效果;当试件经单向载荷冲击后,3组试件的极限承载力均有所降低,但施加160 kN预紧力的试件的承载力与耗能较高。因此得出,施加160 kN预紧力的方钢管柱螺栓连接节点抗冲击性能最优,更适用于高层建筑钢结构。

氧气/燃料比对超音速火焰喷涂WC-Ni涂层抗冲击性能的影响

目的研究超音速火焰喷涂工艺参数对WC-12Ni硬质合金涂层抗冲击性能的影响。方法依据氧气/燃料比(λO/F)调节工艺参数,以λO/F=1.1为基准点,分别固定氧气流量811 L/min、降低煤油流量,或者固定煤油流量22.7 L/h、增大氧气流量,均使λO/F增至1.2和1.3,制备了5组涂层,分析涂层组织及力学性质的变化规律,研究柱-面接触大载荷冲击下的涂层抗冲击行为。结果λO/F对涂层组织及力学性质的影响并非已报道的单调变化规律。固定氧气流量、降低煤油流量使λO/F由1.1增至1.3时,涂层孔隙率由0.91%增至1.24%,硬度和弹性模量分别由10.1、344.0 GPa降至8.6、313.9 GPa;冲击坑体积由2.1×10^(-3)增至3.3×10^(-3)mm^(3),且损伤微观特征由WC颗粒剥落向涂层开裂发展。当固定煤油流量、增加氧气流量使λO/F由1.1增至1.3时,孔隙率降至0.85%,硬度和弹性模量分别增至10.8、382.5 GPa,冲击坑体积增至2.6×10^(-3)mm^(3),直到λO/F=1.3时涂层表面开始出现裂纹。结合涂层硬度和弹性模量分析结果可知,在H3/E2≤8.4 MPa时,涂层发生开裂损伤,裂纹长度随着H3/E2的增加而减小。在H3/E2>8.4 MPa时,涂层损伤以WC颗粒剥落为主,且随着H3/E2的增加而减轻。高H3/E2可提高涂层的抗冲击性能,当H3/E2由6.4 MPa增至8.7 MPa时,坑体积和WC剥落程度分别降低了36%、35%。结论超音速火焰喷涂WC-Ni涂层的H3/E2定量表征了其抵抗塑性变形和开裂的能力,决定了涂层的抗冲击性能。

稀土对23CrNiMoA钢显微组织和冲击性能的影响

采用金相显微镜、冲击试验机、扫描电镜和能谱仪等设备,研究稀土对23CrNiMoA钢的组织和冲击性能的影响。结果表明,在23CrNiMoA中添加质量分数为0.018%的镧铈金属后,钢材金相组织并无明显变化;在室温(20℃)试验钢纵向和横向冲击吸收能量分别由86.0 J和70.3 J提升至93.7 J和85.7 J,等向性提高了11%,冲击性能得到显著提升。此外,通过观察试验钢的冲击断口形貌可以看出,添加稀土后钢中断口处韧窝数量增多,且分布均匀,同时这些大而深的韧窝底部存在1μm左右的球状稀土夹杂物,这使得冲击断裂时裂纹扩展所需的吸收能量大大提高,对23CrNiMoA钢冲击性能起到良好的改善作用。

剪切增稠液胶囊增强硅橡胶复合材料抗冲击性能的数值模拟研究

冲击会对实战条件下武器的安全性和可靠性带来影响,因此必须使用抗冲击材料来提高武器系统的安全性。随着武器装备的高速发展,传统的聚合物抗冲击材料已逐渐不能满足要求,因此需要开发兼顾高效、轻质、智能、多次防护、多功能的抗冲击防护材料。将剪切增稠液(STF)胶囊分散在硅橡胶中制备了新型抗冲击复合材料,应用LS-DYNA程序ALE算法对落锤冲击STF/硅橡胶复合材料的过程进行了动力学建模,通过数值模拟研究了复合材料的抗冲击性能,并讨论了冲击速度、STF液滴分布结构以及吸能液体对复合材料抗冲击性能的影响。

高性能纤维叠层的抗破片冲击性能研究

为了获得高性能纤维叠层防护材料的抗破片冲击性能,设计并开展了弹道冲击试验,对芳纶Ⅲ纤维无纬布和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维无纬布在不同叠层方式下的复合材料靶片进行研究。结果发现:芳纶Ⅲ纤维无纬布在破片冲击过程中表现出较好的抗剪切性能,UHMWPE纤维无纬布则在破片冲击过程中表现出较好的抗拉伸性能;2种无纬布2:2层数交替叠层方式的复合材料靶片抗破片冲击性能优于3∶3、1∶1、4∶4层数交替叠层方式;芳纶Ⅲ纤维无纬布和UHMWPE纤维无纬布的质量比为1∶2时,其复合材料靶片抗破片冲击性能最佳;迎弹面为芳纶Ⅲ纤维无纬布的靶片比迎弹面为UHMWPE纤维无纬布的靶片具有更好的抗破片冲击性能。研究结果可为个人防弹、防爆等防护装备的结构设计提供实验和理论依据。

增幅冲击下钢筋混凝土板的抗冲击性能

钢筋混凝土板在服役期间可能承受落物多角度连续撞击等多次冲击荷载作用,钢筋混凝土板抵抗多次冲击的能力、多次冲击作用下钢筋混凝土板的性能演化和剩余性能评估等问题至关重要,其中,多次冲击的加载制度是研究钢筋混凝土板抗冲击性能的重点。为研究多次冲击下钢筋混凝土板的抗冲击性能,利用落锤和摆锤试验研究钢筋混凝土板在增幅冲击下的抗冲击性能,获得钢筋混凝土板在历次冲击过程中的冲击力时程曲线以及历次冲击后的整体变形和凹陷变形特征,分析钢筋混凝土板的吸能特性和累计损伤演化规律,研究钢筋混凝土板受冲击后的残余性能。结果表明:冲击角度对钢筋混凝土板的变形有显著影响,斜向冲击对钢筋混凝土板安全性能的影响更大;增幅冲击降低钢筋混凝土板的吸能能力,提高其破坏率,钢筋混凝土板的冲击响应相对于恒重重复冲击更加稳定。

UHPC框架结构的抗车辆冲击性能研究

随着我国交通系统的发展及汽车车速的日益提升,坐落于道路两旁的框架建筑承受的车辆碰撞风险也与日俱增.超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)由于其超高的材料断裂能以及抗拉能力逐渐被应用于框架结构中以提高其使用性能.UHPC框架结构同样承受较高的车辆撞击风险.本文建立了三维动力非线性的车辆-UHPC三层框架结构碰撞模型并采用Ansys/LS-DYNA进行求解.采用已发表的落锤撞击普通混凝土(Normal Concrete, NC)与超高性能混凝土(UHPC)梁试验对材料参数与接触算法的正确性进行了验证.基于三维动力非线性碰撞模型,从结构损伤、碰撞力特性及结构耗能机理三方面对NC及UHPC框架结构进行了全面对比.主要结论如下:(1) UHPC框架结构的抗车辆冲击性能远高于NC框架结构.UHPC框架结构的损伤仅存在于被撞柱,其他部位混凝土的使用性能几乎不受影响.(2)高车速条件下(80~120 km/h),NC柱的损伤分布为剧烈的冲切损伤并伴有明显的塑性变形,框架节点出现明显的受拉及受剪损伤;UHPC柱的背面始终不出现受拉区域,最终发展成贯通框架柱截面的冲剪破坏.(3) NC柱的混凝土内能均比UHPC柱的混凝土内能高,导致NC柱的损伤程度比UHPC柱严重.(4)当车辆保险杠撞击框架柱时,碰撞力产生第一个峰值;当车辆引擎与框架柱撞击时,碰撞力产生第二个峰值.引擎撞击产生的碰撞力峰值均远高于保险杠撞击.UHPC柱的碰撞力峰值平均比NC柱高22.6%,二者碰撞力峰值最大差异可达32.1%.本文研究结果有助于促进UHPC框架结构的抗冲击合理化设计,并保障其安全健康运营.

梯度灌封电路板结构的抗低速冲击性能

灌封防护可以增强电子设备的完整性,提高对外部冲击和振动的抵抗力,在汽车、船舶和兵器等领域得到了广泛应用。但传统的均质树脂灌封材料存在韧性不足、抗冲击能力较差的问题。针对这一问题,设计了碳纳米管(Carbon nanotubes,CNT)增强树脂基梯度灌封材料,并开展梯度灌封电路板结构的抗冲击性能研究。基于准静态拉伸试验和动态落锤冲击试验分析了不同CNT含量对树脂基体的增强效果以及不同梯度类型灌封结构的抗冲击性能,并通过有限元仿真得到了灌封层及内部电路板的能量吸收和损伤失效情况。研究结果表明:添加0.7 wt%CNT的灌封材料具有较高的拉伸强度,比纯环氧树脂提高了16%;V型梯度灌封板的冲击强度和临界破坏能量高于其他梯度类型,且比均质板提高了40%和15.8%;灌封材料的缓冲吸能对内部电子元件具有良好的防护作用,并且CNT含量较高的铺层吸能更高。提出的新型梯度灌封方式为冲击环境下的电子元件的防护设计提供了参考。

缝合增强PRSEUS构件低速冲击性能研究

PRSEUS结构作为针对翼身融合布局的典型结构单元,受载情况复杂。使用缝合技术将加筋结构与蒙皮一体化制备,提高了机身载荷传递能力,提高了PRSEUS结构整体一致性,能够充分发挥PRSEUS结构的承载效率。通过现有条件制备缝合PRSEUS构件,并开展低速冲击试验研究,发现缝合密度或是缝线细度的增加都可以提高试样的抗冲击性能,缝线细度增大带来的抗冲击性能提升相比缝合密度增大影响相对较小。PRSEUS结构的抗冲击性能对于缝合密度更加敏感。有限元分析结果表明,缝合试样的层间性能得到明显改善,损伤面积减小,证明缝合可以有效提高PRSEUS结构抗冲击性能。

轴承钢表面电弧离子镀氮化物涂层的抗冲击性能和耐磨性能

采用电弧离子镀工艺在GCr15轴承钢表面分别沉积了TiN和TiAlN 2种氮化物涂层,对比研究了涂层的微观结构、硬度、结合性能、抗冲击性能和耐磨性能。结果表明:制备的TiN涂层和TiAlN涂层表面平整,均以(200)晶面择优生长;TiN涂层和TiAlN涂层的硬度分别为2060.3,3390.8 HV,为基体(689.5 HV)的3.0倍和4.9倍。TiN和TiAlN涂层与轴承钢的结合性能良好,结合等级为HF1~HF2,40次冲击试验后TiN和TiAlN涂层表面均未发生剥落和开裂,抗冲击性能良好。TiN涂层和TiAlN涂层与轴承钢对磨时的平均摩擦因数分别为0.42,0.36,体积磨损量分别为1.26×10^(-3),0.54×10^(-3 )mm^(3),均低于基体,涂层表面均形成了较浅的犁沟,磨损机制为磨粒磨损,其中TiAlN涂层表面犁沟更浅,磨损程度更轻。TiAlN涂层的结合性能和抗冲击性能与TiN涂层相当,硬度和耐磨性能均高于TiN涂层,更适用于改善轴承钢的表面耐磨性能。