高温后结构钢材单调拉伸和循环荷载试验研究

现有的火灾后钢材残余特性研究大多着眼于钢材在高热下或升温后的残余静力特性,而对过火后钢材在循环荷载作用下的滞回和抗震特性鲜有研究。对于建筑结构和桥梁中常用的Q235和Q355两种钢材,对其进行了500~1000℃的模拟火灾加热处理,并进行自然冷却或浸水冷却。对于冷却后的钢材试样进行了单向拉伸试验和2种不同荷载变化规律下的循环加载试验,得到了模拟温度和不同降温方式对于两种钢材滞回特征的影响规律。由试验结果可得,在受到的最高温度不高于600℃时,Q235和Q355钢材在自然冷却和浸水冷却后的单向拉伸和往复荷载工况下,其强度等级和弹塑性强度发展特征均与相应的未进行加热处理的钢材相似。当过火温度高于600℃时,自然冷却后Q235和Q355钢材的初始屈服强度会随过火极限温度的升高而逐渐下降。但在循环荷载影响下,钢材存在循环硬化效应,且该效应将随着过火极限温度的升高而逐渐显著。高温经历所导致的强度削弱会逐渐恢复。Q235和Q355钢材在循环荷载作用下的滞回刚度会逐渐下降,且极限温度和冷却方式会影响滞回刚度的下降幅度。高温过火且浸水冷却条件下,Q235和Q355钢材循环硬化效应显著,弹性域增长显著,循环荷载作用下塑性耗能能力下降明显。

PVDF膜材双轴全域拉伸非线性及力学参数研究

为了明确织物膜材从拉伸到破坏整个过程的双轴拉伸性能,以典型PVDF涂层聚酯织物为研究对象,通过七个应力比下的双轴单调拉伸试验,利用编写的MATLAB程序获得了涂层织物复杂的变形性能和精确的弹性参数,并对其变形和力学参数进行响应面分析,揭示了涂层织物在不同应力水平和应力比下弹性模量、泊松比和正交各向异性的演化规律。结果表明,全域应力范围内材料的弹性参数和正交各向异性特征随着应力比和应力水平的改变而显著变化。此外,基于单、双轴拉伸应力-应变的关系,引入了表示双轴单调拉伸试验中拉伸与收缩比例的刚度耦合系数,推导出了弹性模量公式,其计算值与试验值吻合较好。研究所得结论可为膜结构工程中织物膜材的拉伸力学性能以及膜面破坏分析提供有益参考。

陶瓷基复合材料拉伸力学性能试验方法研究

本文以2D SiC/SiC、2.5D C/SiC与SiC/SiC拉伸试样为研究对象,通过试验方法对比了数字图像相关(DIC)、引伸计、应变片三种应变测量方式的测量结果,得出更准确可靠的应变测量方法;通过对比单调拉伸与循环加-卸载两种载荷形式下的试验结果,结合声发射信号,分析了不同载荷形式对测试结果的影响;针对PIP制备工艺,研究了同一构型对C/SiC与SiC/SiC两种材料的适用性。

考虑温度和加载影响的离子型中间膜拉伸力学性能

为研究温度和加载影响的离子型中间膜的拉伸力学性能,在低应变率范围内对其进行了-40℃~80℃的单调拉伸试验以及室温下的循环加卸载拉伸试验。基于试验结果,确定了离子型中间膜的力学性能特征指标。结果表明,随着应变率的升高和温度的降低,其强度普遍提高,但极限应变有所降低;断后试件有约80%的不可恢复变形;循环加卸载拉伸曲线的包络线与其相同条件下的单调拉伸试验曲线基本一致,随卸载应变的升高,其加卸载耗能能力提高,而割线卸载模量先减小后增大。基于试验结果,给出了低应变率下的G’Sell本构关系。在此基础上,根据割线卸载模量的变化,提出了加卸载应力-应变的变模量模型,对比模型预测关系曲线与试验曲线,两者吻合较好。

预加循环荷载下混凝土轴拉应力-应变全曲线试验研究

混凝土结构在其使用年限中会受到循环荷载的作用,因此在评估结构及其组成材料的力学性能时,必须考虑初始循环荷载历史的影响。对混凝土进行了初始循环往复拉伸试验和单调拉伸试验研究。初始循环荷载水平分为4组,分别为0、40%、60%以及80%的极限破坏荷载。通过试验,探究了不同的初始循环荷载水平对混凝土的单轴拉伸性能的影响。试验结果表明,随着预加循环荷载水平的提高,混凝土的极限破坏强度基本保持不变,而弹性模量和破坏应变却呈降低趋势。混凝土试件断裂能量随着初始预加循环荷载水平的增高而降低。

钢筋套筒灌浆连接受拉性能数值模拟

套筒灌浆连接是装配式建筑竖向预制构件连接的主要形式。为深入研究钢筋套筒灌浆连接的受拉性能,通过ABAQUS建立了4组三维钢筋套筒有限元模型,并进行了单调拉伸试验模拟,模拟结果与实验结果基本吻合,验证了模型的可靠性。最后,基于有限元模型模拟研究了灌浆缺陷对钢筋套筒受拉性能的影响。研究结果表明:混凝土塑性损伤模型可以较好的模拟灌浆料的本构模型;钢筋套筒在单向拉伸试验模拟中荷载位移曲线呈现与钢筋单向拉伸相似的变化趋势;钢筋套筒使用HRB500钢筋的连接性能优于HRB400钢筋,可以承受更大的拉拔力;灌浆缺陷会降低钢筋套筒的受拉性能,当钢筋的锚固长度小于等于5 d后,在模拟过程中,钢筋和灌浆料之间产生明显的滑移现象,使得钢筋套筒发生钢筋拔出破坏。

循环稳态或单调态下薄片小试样应力-应变关系试验方法

针对金属薄片沙漏试样,基于能量密度等效,提出了薄片小试样的弹塑性位移-载荷关系理论方程和等效应力、等效应变理论方程,进而提出了金属薄片沙漏试样循环稳态或单调态下的等效应力-等效应变关系试验方法。本文针对40种本构关系有限元分析预设材料和6种几何尺寸的沙漏试样完成了有限元分析,针对5种合金材料和2种几何尺寸的沙漏试样进行了单调拉伸和变幅对称应变循环试验,以及标准圆棒试样拉伸和变幅对称应变循环试验。结果表明,采用本文试验方法预测的材料单轴应力-应变关系与预设本构关系密切吻合,稳态对称循环下应力-应变关系与标准圆棒试样单轴拉伸及单轴循环试验结果吻合良好。

不锈钢T形件螺栓连接承载性能试验研究

通过开展14组不锈钢T形件螺栓连接试件的单调拉伸试验,得到了各试件的极限承载力、破坏模式和撬力发展规律,分析翼缘厚度、翼缘材料、螺栓直径和螺栓预拉力等因素对不锈钢T形件承载性能的影响。结果表明:螺栓预拉力对试件的极限承载力没有明显影响,但会提高试件的初始刚度;T形件的破坏模式取决于翼缘和螺栓的相对关系,与螺栓预拉力无明显关系;撬力值随着翼缘厚度和螺栓直径的减小而增大,但极限承载力对应的撬力值与螺栓预拉力无关。将试验结果与现行欧洲、美国和中国规范的计算结果进行比较,表明现行国内外规范的相关计算公式均较保守,其中美国规范由于翼缘采用极限抗拉强度,计算结果与试验值最为接近。

钢筋套筒灌浆连接技术有限元分析

对于预制装配混凝土结构关键技术之一的钢筋套筒灌浆连接技术,已进行了不少试验研究,但试验不确定因素较多,离散性大.为研究这种连接在各种作用下的受力性能,拓展模型试验研究的成果,有必要建立可靠正确的有限元模型.本文在已有试验的基础上,采用ABAQUS软件,模拟钢筋套筒灌浆连接的受力性能.数值模拟结果与试验吻合良好,说明所建立的有限元模型正确,可以用于进一步参数分析和机理研究.

不同应力水平下SiCf/SiC复合材料的损伤行为和机制研究

为提高对SiCf/SiC复合材料在服役中失效机制的理解以及更合理地设计该类材料,通过声发射探测结合两种力学加载实验对该材料的损伤过程进行了评估与分析,并利用光学显微镜和扫描电子显微镜等手段对其损伤状态的演变进行了详细的表征和总结。实验结果表明,声发射技术可有效评估SiCf/SiC复合材料的损伤程度,并用以分析特定加载应力水平下的损伤发展。研究表明:裂纹在较低的加载应力下(<80 MPa)易在材料的原生缺陷附近或多种组分的边界处萌生,但对材料自身强度影响较小;较高的加载应力(≥100 MPa)则会使材料产生大尺度开裂,并与纤维发生相互作用进而降低材料的稳定性。SiCf/SiC复合材料在递增的加载应力下会产生5种开裂形式以及纤维的断裂拔出和界面的脱粘等损伤行为。

高温后高强Q690钢材循环加载试验及本构模型研究

钢材经历火灾高温和冷却后其材料力学性能会发生不同程度退化,已有研究主要关注过火后钢材的残余静力性能。为研究经历火灾高温且不同方式冷却后高强钢的残余静力和滞回性能,对于历经500℃~1000℃高温后高强Q690在自然冷却和浸水冷却后的钢材进行了单调拉伸试验以及4种不同加载制度下的循环加载试验。结果表明,当过火极限温度不高于600℃时,在自然冷却和浸水冷却模式下,高温后Q690钢材单调拉伸和循环荷载下强度发展基本与常温未处理钢材类似。未过火高强Q690钢在循环荷载下表现出应变强化和循环软化效应。过火温度高于600℃且自然冷却下,过火后Q690钢随过火温度提高,其初始屈服强度下降。在浸水冷却下,过火冷却后高强钢初始屈服强度提升。且在循环荷载作用下,高温过火后Q690钢均表现出更为显著的应变强化效应,以及在等应变幅循环下均由未过火状态时的循环软化逐步转化为高温过火后的循环硬化效应。根据试验结果拟合了过火后Q690钢的Chaboche循环本构模型参数,可用于火灾后Q690钢结构的残余抗震性能评估。

灌浆不足对钢筋套筒连接力学性能影响试验

基于已有钢筋套筒灌浆连接的研究成果,通过人为控制灌浆料含量,模拟实际工程中灌浆不足的缺陷,进行套筒连接的静力下单向拉伸试验,研究不同灌浆料含量对静力下钢筋套筒灌浆连接的力学性能、变形性能的影响;进行滞回受力下的高应力反复拉压试验和大变形反复拉压试验,研究不同灌浆料含量对钢筋套筒灌浆连接抗震性能的影响.试验考虑灌浆料含量为影响因素,以钢筋上表面灌浆料的覆没厚度为变量反映水平连接的灌浆料含量,以上侧钢筋在灌浆料中的锚固长度为变量反映竖向连接的灌浆料含量.试验结果表明,钢筋套筒灌浆连接的破坏模式包括钢筋拔出和钢筋拉断,主要取决于钢筋与灌浆料间黏结承载力与钢筋抗拉承载力的相对大小,黏结承载力主要受灌浆料含量的影响.

数值模拟分析灌浆缺陷对灌浆套筒连接力学性能的影响

针对实际工程中灌浆料未能填满套筒内腔从而影响钢筋套筒灌浆连接这一现象,通过数值模拟和已知试验对比,采用有限元软件ABAQUS中的内聚力单元模拟钢筋与灌浆料间的粘结滑移,对连接的单调拉伸试验进行了数值模拟计算,模拟结果与现有试验数据比较吻合。同时给出了以钢筋拉断破坏为前提,灌浆料含量最小为优化目标,承载力达到最大的最少灌浆料含量,即竖向连接中上侧钢筋锚固长度取5.5d;横向连接中钢筋上表面覆盖厚度至少为7mm。

钢筋上焊接锚固板半灌浆套筒力学性能有限元分析

为了减小装配式结构连接用半灌浆套筒破坏时的变形,提出了一种改进的半灌浆套筒,即在钢筋上焊接锚固板,以增加灌浆料与钢筋的机械咬合力。基于已有的半灌浆套筒单调拉伸试验,利用Midas FEA NX有限元软件进行模拟。结果表明:采用混凝土本构模型可以很好地模拟灌浆料的本构模型;半灌浆套筒的破坏状态、模拟结果与试验结果基本吻合,说明所建立的有限元模型是可行的;锚固板的使用不能提高套筒的抗拉强度,但可以大幅提高套筒的整体刚度,提高幅度为8%~10%。

复合界面层对SiC_(f)/SiC复合材料力学损伤行为的影响

SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料在航空航天领域具有广阔的应用前景,其界面层设计是研究重点。研究表明,复合界面层可以有效提升陶瓷基复合材料的抗氧化性能,但其对材料力学性能及损伤机制的影响尚不明确。本研究利用化学气相渗透法(CVI)制备得到具有BN及(BN/SiC)_(3)复合界面层的小复合材料,探究了复合界面层对SiC_(f)/SiC复合材料失效机制的影响。基于两种力学加载实验结合声发射探测分析了两种界面层小复合材料的损伤过程。实验结果表明,利用CVI制备的小复合材料界面结构清晰,基体致密。两类小复合材料均具有SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料的典型力–位移曲线,不同界面层小复合材料损伤过程具有不同的力声特征。通过两类力学加载试验的声发射特征能够有效分析小复合材料各阶段损伤发展情况。本实验中BN及(BN/SiC)_(3)复合界面层SiC_(f)/SiC小复合材料最大承受载荷分别为139和160 N,复合界面层小复合材料中的多层界面具有更强的偏转裂纹能力,降低裂纹延伸至纤维的速度,进而提高材料的力学性能。

三维编织SiC/SiC复合材料拉伸和弯曲损伤机制

为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制,开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前,利用CT扫描手段,明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明:原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中,随着拉伸载荷的增大,基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹,导致材料最终的脆性断裂失效;在三点弯载荷作用下,表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式,拉应力一侧首先发生失效,随后在中性面处发生剪切破坏,紧接着失效迅速向上下两侧扩展,直至截面在整个厚度方向发生失效;断口与纤维束的走向相关性很大,裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展,导致最终失效未发生在理论失效位置处。

钢筋套筒灌浆连接性能有限元分析

采用有限元软件ABAQUS对10个灌浆套筒连接件进行模拟,并与试验值进行对比,研究了其破坏过程、破坏形态、荷载-位移曲线、筒壁荷载-应变等。研究结果表明:灌浆套筒连接件破坏过程分为4个阶段:弹性、屈服、强化和颈缩;钢筋直径和强度对试件承载力都有显著影响。当试件破坏形态为钢筋被拉断时,钢筋偏位对试件承载力影响不显著。灌浆套筒拉伸试验中,套筒并未达到屈服,处于弹性阶段。套筒节点的试验模拟可为钢筋套筒灌浆连接优化设计提供参考。

模拟北方酸雨对Q235钢腐蚀力学行为的试验研究

为研究北方酸雨对钢管混凝土构件力学性能的影响规律,亟需研究钢管在酸雨腐蚀条件下不同腐蚀程度力学性能的变化规律。为此,参照大连市历年酸雨统计的化学成分,采用人工配制模拟酸雨溶液进行室内加速腐蚀的方法,对Q235钢进行单调拉伸试验。结果表明:酸雨腐蚀后钢材表面易形成腐蚀坑;低腐蚀率(β≤10%)拉伸件的断口主要为正断破坏;高腐蚀率(25%≥β≥15%)拉伸件的断口主要为斜断破坏;模拟酸雨腐蚀后钢材的屈服强度、弹性模量、极限强度和伸长率随着腐蚀率的增加而减少,而泊松比随着腐蚀率的增加而增加。基于试验数据,回归出模拟酸雨腐蚀条件下Q235钢力学性能指标的简化经验公式,结果可为酸雨区钢管混凝土组合结构的设计及结构安全评估提供理论基础和科学依据。

锈蚀钢结构连接节点抗震性能研究进展

基于材料与连接构件层面,总结了近年来国内外既有试验研究及理论分析成果,主要包括腐蚀后的标准试件的单调拉伸、滞回性能退化分析,以及梁柱节点、框架结构的抗震性能研究,并给出了相应的力学性能退化模型,通过进行总结及对比分析后,为复杂环境下工程钢结构给出研究方向,同时也对我国工程结构的设计方法提供理论指导和参考依据。

半灌浆套筒钢筋偏心连接受拉性能试验研究与数值模拟

为研究钢筋偏心缺陷对灌浆套筒钢筋连接受拉性能的影响,设计并制作了6组18个半灌浆套筒钢筋连接试件,考虑两种钢筋偏心类型,即钢筋垂直偏心和斜向偏心,分别用偏心率和偏心角表征其偏心程度。通过单向拉伸试验,研究钢筋偏心对套筒连接承载力、破坏形态、应变分布以及灌浆料损伤深度等受力性能的影响,并采用ABAQUS进行数值模拟和参数分析。研究结果表明:套筒表面纵向应变从出浆口两侧向灌浆口逐渐减小,出浆口位置为最薄弱位置,环向最大压应变位置受两种偏心影响显著;钢筋垂直偏心试件在钢筋贴近侧壁一侧的套筒表面纵向应变大于另一侧的纵向应变,斜向偏心试件套筒表面纵向应变随筒壁与钢筋距离的增大而减小;相同直径钢筋的套筒连接中,斜向偏心套筒连接的灌浆料损伤深度最大,垂直偏心的次之,垂直居中的最小;随着钢筋直径增大,灌浆料损伤深度及其占钢筋嵌入长度的百分比逐渐增大,最大约为钢筋嵌入长度的9.64%。数值模拟与试验结果吻合较好,模拟方法准确可行。