采用局域共振超材料混凝土提升结构消波防护性能:综述和展望

超材料是一种通过设计获得的人造材料,具备自然材料所不具备的超常物理性能,这种特殊性能并非来自于材料组分,而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自电磁学领域,可表现出频率禁带(带隙),即在该频谱范围内,电磁波传输将被有效抑制。这种能对电磁波加以操控和处理的特性为解决各类工程问题提供了方便,激发了人们将其迁移至其他学科领域的热情。随后,声学超材料被提出,可对声波进行类似的操控,实现消声和隔音。与之相似,力学超材料也应运而生,可利用带隙特性对应力波进行处理,实现消波、滤波,提升结构的防护性能。超材料混凝土是力学超材料在土木工程领域的一项具体应用,其利用人工骨料的局域共振行为产生带隙,实现特定频率应力波的阻断。可见,超材料混凝土从波的操控角度实现了防护性能,与传统防护材料通过强度、韧性实现防护目的的本质不同,具有明显的创新性,开展相关研究对提升结构的防护性能具有重要意义。本文对超材料混凝土自提出至今的主要研究进行系统梳理,立足于工程应用视角,对超材料混凝土消波的实际验证、共振骨料带隙特征及设计准则、共振骨料空间分布及掺量效应、动荷载下的能量转移规律、共振骨料的改造五个方面进行综述,最后总结了当前研究的主要结论,并紧扣工程实际应用提出了对未来研究的展望。

新工科背景下土木工程专业研究生创新实践教学平台构建

从学科导向转向产业需求、从专业分割走向跨界融合,着力培养复合型工程人才是新工科建设的基本内涵。研究生实践教学作为培养工科专业创造型、创新型、创业型卓越工程人才的重要环节,需立足高校新工科建设背景,紧扣研究生教育的基本理论与基本规律,对创新实践教学模式进行探索和研究。针对当前高校实践教学的工程性、实践性、探究性、启发性等缺位问题,以新工科建设为核心导向,以重大疑难工程浸入式体验为牵引,突出学科交叉,可实现打造土木工程研究生创新实践教学平台。通过阐释创新实践教学的基本理念和讨论实践教学环节在土木工程专业研究生人才培养中的作用机制,明晰了建构创新实践教学平台的三大基本思想内核:突出创新,激发思维突跃;重大工程浸入式体验,培塑工程师素养;强调前沿交叉,培育科学家嗅觉。突出学生的中心主体地位,尊重学生的个人志趣与自我职业发展定位,开展多接口模块化实践教学,实现了四大重构:课程体系重构、教学内容重构、教学方法重构与评价体系重构。创新实践教学改革实施以来,前沿交叉研究顺利起步,人才培养质量明显提升,培养的毕业生深入各大军方工程研究单位一线,正迅速成长为牵头各项重大国防工程、履行重大作战工程保障任务的骨干型力量,有效助推了学院土木工程专业学科的转型升级,逐步形成工程教育新范式。

新工科背景下研究生课程体系的建构——以岩土工程专业为例

“新工科”的建设和发展对研究生培养提出了更高要求,研究生除掌握扎实的理论基础外,提升其科研创新能力与工程实践能力至关重要。陆军勤务学院在长期探索和近30年岩土工程专业研究生培养的基础上,以“先进教育理念”和“建构主义”为指导思想,探索构建了研究生课程体系“一体三维”的理论框架,基于该理论框架,对本专业研究生培养的课程体系、教学模式、实践平台、教材改革等方面进行了探索实践,介绍了取得的实践成效。

基于瞬时谱匹配的地震波选波方法及应用

地震波输入对结构非线性响应具有重要影响,选取合适的地震波输入计算是保证结构时程分析响应结果准确的首要条件。文章通过对比地震波瞬时谱的模型化方法,优化并提出可以考虑地震波时频特性的选波方法,并与《建筑抗震设计规范》方法进行对比分析。结果表明:匹配瞬时谱的选波方法可以有效地控制所选地震波的时、频域差异性,降低结构时程分析响应离散度,可为工程选波提供依据。

高韧性水泥基复合材料强度尺寸效应试验研究与正交分析

尺寸效应是水泥基材料的固有特性,它与材料的配合比、强度以及结构组成等因素有关。高韧性水泥基复合材料是一种新型复合材料,具有优异的韧性,但同时其结构组成与普通混凝土相比也具有较大差异。然而,目前针对尺寸效应的研究大多限于普通混凝土和高强混凝土,并且尚无相关标准对高韧性水泥基复合材料尺寸效应的处理作出规范。为了探究该种复合材料的抗压强度尺寸效应,本文采用两种不同尺寸的立方体试件,对16组不同配合比的高韧性水泥基复合材料进行了单轴抗压试验和正交分析,研究了纤维掺量、水胶比、粉煤灰掺量和砂胶比这4个因素对材料强度尺寸效应的影响情况。试验结果表明:与普通混凝土相比,高韧性水泥基复合材料的脆性特征明显减小;诸因素对尺寸效应影响的主次顺序为水胶比>纤维掺量>粉煤灰掺量>砂胶比,其中水胶比和纤维掺量的影响均非常显著,而砂胶比对尺寸效应影响甚微。

高韧性纤维混凝土单轴受压性能及尺寸效应

高韧性纤维混凝土(ECC)具有优异的韧性、卓越的耗散能力及裂缝无害化分布的特点,能够明显改善结构的抗震性能与耐久性。通过对三种不同高厚比的立方体与棱柱体共60个试件进行单轴受压试验,探究高韧性纤维混凝土的受压性能、变形机制及尺寸效应对试件力学性能的影响,测得了不同高厚比试件受压的应力-应变全曲线。结果表明:高韧性纤维混凝土在裂缝发展及破坏模式上与普通混凝土存在明显的区别,由于纤维的桥接作用,在加载过程中材料表现出较强的压缩韧性,试件破坏以后仍保持相对完整,极限压应变约为普通混凝土的10倍;当高厚比大于1时,材料抗压强度对尺寸的敏感性降低;峰值应变与抗压韧性系数随着高厚比的增加逐步减少。结合电镜扫描结果,对高韧性纤维混凝土中纤维的分布、桥接情况及纤维增韧增强机制进行了分析与讨论。

高韧性水泥基复合材料拉伸试验与正交分析

利用正交试验设计原理,对9组不同配合比的高韧性水泥基复合材料进行了直接拉伸试验,研究了粉煤灰掺量、水胶比、砂胶比和减水剂掺量这4种因素对高韧性水泥基复合材料极限拉应变的影响。试验结果表明:高韧性水泥基复合材料的极限拉应变远大于普通混凝土,具有优异的韧性;各因素对材料极限拉应变影响的主次顺序为水胶比>粉煤灰掺量>减水剂掺量>砂胶比,其中水胶比的影响远大于其他因素;材料的极限拉应变随着水胶比或粉煤灰掺量的提高而增大,但砂胶比和减水剂掺量的影响规律不明显。

全CFRP筋混凝土柱低周反复荷载试验研究

对6根不同轴压比及剪跨比的CFRP筋混凝土柱进行了低周反复荷载试验,记录了试验现象,分析了试件的滞回曲线、骨架曲线、耗能性能和刚度退化。研究结果表明,CFRP筋混凝土柱的承载能力较强,轴压比和剪跨比对试件抗震性能的影响与钢筋混凝土柱类似,均为影响其抗震性能的重要因素。运用传统延性指标计算了试件的延性系数,分析发现,传统延性系数均不能全面描述试件的延性规律,引入改进综合性能指标,其能较好地反映不同轴压比和剪跨比对CFRP筋混凝土柱抗震性能的影响。

粘贴加固混凝土氯离子扩散的理论模型和数值模拟

基于物质非稳态扩散理论,采用现有研究对Fick第二定律的修正方法,并将粘贴加固考虑为对氯离子扩散方程边界条件的调整,提出可用于粘贴加固混凝土的氯离子扩散理论模型。利用ABAQUS、MATLAB PDE tool、MATLAB自编程3种方法均可对粘贴加固混凝土梁的氯离子扩散过程进行数值模拟。对比未加固与加固构件的氯离子扩散规律,发现粘贴加固可降低钢筋表面的氯离子浓度值,延缓氯离子浓度到达临界锈蚀浓度的时间,增加材料使用寿命,并且加固时间越早,增加寿命越长。

粘贴纤维增强复合材料加固混凝土梁的蠕变特性研究进展

自20世纪末起,外粘纤维增强复合材料(Fiber-reinforced polymers, FRP)加固混凝土技术由于施工方便、FRP性能优异等优势被逐步运用于结构改造、修复补强、抗震加固等实际工程中。FRP本身具有轻质、耐腐蚀、高强度等优点,又由于近年来成本的进一步降低,得到更广泛的应用,目前已基本取代钢材成为最主要的结构加固材料。建筑结构服役年限较长,结构在完成加固后仍将处于长期承受荷载的状态,然而,目前对加固结构在长期荷载下的行为研究不充分,实际加固设计时也未考虑结构的长期效应。鉴于目前粘贴FRP加固技术已广泛应用,大量已加固完成的结构在以上问题尚不十分清楚的情况下工作服役了相当长的时间,有必要对加固结构的长期受荷性能进行深入探讨,同时对该问题的研究、后续可能需要的补救措施的提出又具有迫切性。粘贴FRP加固混凝土结构在长期荷载作用下变形增大、结构内部出现复杂的应力重分布现象,本质上是由材料的蠕变行为引起。对混凝土的蠕变(徐变)特性研究起步较早,对混凝土的收缩、单轴受压徐变行为已有相对全面的认识,国际上有比较公认的理论模型。研究表明,用于粘贴FRP的环氧树脂(Epoxy resin)结构胶具有明显的蠕变特性,提高环境温度、湿度可增大环氧树脂胶的蠕变变形,甚至引起蠕变断裂。试验研究与数值模拟证实,环氧胶层的蠕变行为将导致粘贴界面的应力出现松弛现象。试验结果表明,用于结构加固的碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的抗蠕变能力较强,其蠕变变形可适当忽略。长期承受外荷载时,粘贴FRP加固混凝土梁的变形随时间的延长而增大,持荷前期增大速率较快,然后逐渐降低,后期基本不再变形,趋于稳定。该现象与混凝土、环氧树脂胶在相应应力水平下的蠕变规律相似。加固对梁瞬时变形的降低效果比较明显,但对长期附加变形的降低效应不明显,其主要原因是环氧树脂胶的剪切蠕变引起外部FRP应力松弛,导致产生附加变形。基于正截面受力分析,可对粘贴FRP加固梁的长期行为开展理论分析与计算,但对胶层的剪切蠕变特性缺乏有效考虑。对材料蠕变行为的充分认识是对结构蠕变行为进行合理分析的基础。本文首先从材料层次上综述各材料组分(混凝土、环氧树脂胶、FRP)蠕变特性的研究进展。实际工程中,结构长期承受的是正常使用荷载,在该荷载水平下,钢筋应力低于屈服强度,可视为线弹性材料,其蠕变行为可适当忽略,该观点在结构工程领域被广泛认同,因此,本文不再总结钢筋的蠕变行为研究。然后从结构层次上综述粘贴FRP加固混凝土梁的蠕变特性研究进展,分为试验研究、理论分析两方面。试验研究方面主要综述长期试验的开展方法和相关试验现象及结论,理论分析方面主要综述结构长期变形的计算方法。最后,本文总结目前研究存在的问题,为今后的进一步研究工作提供建议与参考。

CFRP筋高韧性水泥基复合材料柱抗震性能试验研究

为研究CFRP筋高韧性水泥基复合材料柱的抗震性能,设计制作了3根剪跨比为3的短柱和3根剪跨比为5的长柱,在3种轴压比下进行了低周反复荷载试验,研究了试件的破坏形态,并通过刚度退化、耗能性能以及综合性能指标等方面分析了其抗震性能。试验结果表明:试件在破坏过程中生成大量横向裂缝,没有出现高韧性水泥基复合材料崩裂和剥落的现象,与以往的普通钢筋混凝土柱相比,表现出更高的破坏容许度;对于剪跨比为3和5的CFRP筋高韧性水泥基复合材料柱,在试验轴压比为0.2～0.5的范围内,剪跨比越大或轴压比越大,其抗震性能越好。

长期海洋环境下混凝土的拉压关系现场试验研究

为研究经长期海洋环境劣化后混凝土的抗拉强度与抗压强度关系（以下简称拉压关系）,赴舟山市某废弃港口分别于4处受海洋环境长期侵蚀但程度不同的位置,现场钻芯、加工、遴选,共获取86个芯样。通过对芯样进行抗压试验与劈裂抗拉试验,发现混凝土经海洋环境长期侵蚀后,劈裂抗拉强度随抗压强度的增大而增大,且拉压关系相对稳定;长期处于海洋环境下的混凝土劈裂抗拉强度为（fcu,150/18＋0.5,fcu,150/18＋3）,该范围适用于抗压强度为10~50 MPa的混凝土,可为研究长期海洋环境下混凝土的力学性能提供参考依据。

新工科背景下岩土工程学科研究生培养科研支架式教学模式构建

在新工科学科交叉融合发展的大背景下,岩土工程卓越科技人才的培养对研究生教育提出了更高的创新型、科研型、学术型需求。与现有教学模式不同,文章提出的科研支架式教学模式首次在“能力域”下进行思考,面向能力素质而非知识内容进行教学设计。其提出研究生整体培养过程是能力体系的构建过程,即“科研能力支架”的建设过程。研究生培养方案前端的课程教学作为科研能力体系建设的起始部分和重要组成部分,被赋予了鲜明的科研属性。课程教学注重学科内容的跨界交叉,以专题形式展开,形成学一个专题即开展一项研究的教学新格局,将科研创新能力的训练提至培养起点,并贯通培养始终。文章讨论了该模式的理论基础,阐述了该模式的设计思想,研究了该模式的基本流程和能力架构,探索了该模式的实施方案,并取得了良好的实践成效,打开了“学”“研”并轨的教学新局面。

分级循环荷载下原状红黏土动力特性试验研究

为研究循环荷载下原状红黏土路基的动力特性,采用SDT-20型动三轴仪对原状红黏土进行了分级循环动三轴试验,研究了围压、频率及动应力幅值对原状红黏土的动应力、动弹性模量-动应变(E_(d)-ε_(d))和动剪切模量-动剪切应变(G_(d)-γ_(d))关系曲线的影响规律。结果表明:原状红黏土的动应力-动应变关系曲线发展规律可采用Kondner模型进行描述;动应力随动应变先急剧增大后趋于平稳,并给出了急剧增加时动应变的取值范围,即0%~0.05%;分析了不同围压、振动频率下红黏土的动弹性模量及动剪切模量的变化规律,当动应变小于临界值时,红黏土动弹性模量随动应变的增大而增大;当动应变大于临界值时,红黏土材料动弹性模量随动应变的增大而减小,动剪切模量具有相同变化规律;结合红黏土的动力特性变化规律,利用围压对动弹性模量进行折减,在Darendeli模型的基础上建立了红黏土路基动弹性模量、动剪切模量的分段预测模型,经拟合验证,本文分段模型的适用性较好,可预测分级循环荷载下红黏土的动弹性模量-动应变(E_(d)-ε_(d))和动剪切模量-动剪切应变(G_(d)-γ_(d))关系曲线发展趋势。

ECC材料力学性能与本构关系研究进展

混凝土在国内外应用广泛,但普通混凝土材料存在抗拉强度低、韧性差和脆性特征明显等缺点。自20世纪90年代采用性能驱动设计方法(PDDA)成功配制工程水泥基复合材料(ECC)后,仅在几年时间里,ECC材料受到了研究者的广泛关注。相比普通混凝土,采用PDDA得到的ECC的外掺纤维与基体界面有良好的粘结作用,这使得ECC材料具有应变硬化和多缝开展等重要特征。由于ECC优异的力学性能,使用其替代混凝土便成为解决混凝土脆性、裂缝开展等相关问题的一种有效的新途径。然而,ECC的制备极不容易,由于基体胶凝材料产地不同或者纤维种类不同,某一地区配制成功的配合比大多无法适用于其他地区。因此,根据当地情况进行ECC材料的配合比设计仍然是各国学者青睐的课题。一方面,欲使用ECC代替混凝土用于建筑结构等,就必定要深入研究ECC材料层面的基本力学性能。建立ECC的本构模型对ECC构件甚至结构层面的研究都十分重要,但相关研究较少。另一方面,由于ECC材料良好的裂缝控制能力,国内外学者也致力于使用ECC材料进行结构加固修复的研究。各国学者先后成功配制极限拉应变大于3%的ECC,这为进一步广泛开展ECC的研究和应用创造了很好的条件,用于配制ECC的纤维种类也更加丰富。在ECC拉伸、压缩、弯曲和剪切等大量的材料试验研究基础上,近几年,一些科研团队开始尝试用ECC部分甚至完全代替混凝土来浇筑梁、柱等构件,然后进行ECC构件层次的力学性能和耐久性等研究;另有部分研究人员也致力于建立ECC的本构模型,开展数值模拟分析。此外,由于ECC优异的力学性能,也有学者提出可以采用3D打印技术来建造无筋ECC建筑。本文从ECC材料层面的单轴单调拉压力学性能、单轴循环拉压滞回性能、多轴力学性能及破坏准则、ECC与普通钢筋和纤维增强塑料(FRP)筋两种筋材的粘结性能方面进行综述,相应介绍了几种本构模型并简要对其进行评价,以期为用ECC代替混凝土进行建筑结构设计、选取本构模型进行数值模拟分析、编制规范和技术规程等提供参考。最后,对今后进一步开展ECC力学性能研究、建立本构模型提出展望。

基于SPOC的混合教学模式探索与实践——以钢结构课程为例

“教育信息化2.0”更加注重教育与信息技术的深度融合,强调创新教与学是提高人才培养质量的重要途径。立足“互联网+教育”新教育生态,阐述SPOC和混合教学的基本内涵、优势及特征,分析混合教学模式的基础理论依据,构建基于SPOC的混合教学模式,包括教学准备、教学过程设计、考核评价3个环节,并以钢结构课程为例开展教学实践探索与反思。结果表明,基于SPOC的混合教学模式强化学生学习的主体地位,一定程度上提高了学生的学习深度,实现了实践应用、分析决策和批判思维等培养目标,增加了学生学习的获得感。同时,基于SPOC的混合教学模式教学反思发现,对教学者的教学能力和学习能力提出了更高要求。高校、科研院所与师生的共同参与,可不断推进SPOC教学改革实践。

粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁的长期变形性能试验研究与数值模拟

为了研究实际工程中粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁的长期变形性能,从而为加固梁在长期使用过程中是否满足结构的正常使用极限状态提供判断依据,并解决长期试验操作难度大、时间跨度长的问题,进行了粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁的加固以及粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁在持续荷载作用下的长期变形试验,建立了用于计算粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁的长期变形的非线性有限元模型。数值计算结果与试验结果吻合较好。利用该模型对粘贴不同厚度CFRP板的加固梁的长期变形进行了数值计算,结果表明CFRP板对加固梁的长期变形的影响不明显,其总变形的减小主要来源于CFRP板对瞬时变形的约束。

一种粘贴FRP加固混凝土梁设计阶段的挠度验算方法

目前我国的加固规范对混凝土梁进行外贴FRP加固设计时采用的仍是基于承载能力极限状态的设计方法,在设计阶段只针对加固梁的承载能力进行设计,缺少对加固梁变形进行控制验算的过程,不能保证加固梁在长期使用过程中满足正常使用极限状态的要求。而现有的研究中用于计算加固梁长期挠度的方法大多需要复杂的编程和烦琐的迭代计算过程,并不适用于加固设计阶段采用。因此,仍然需要一个简单且较为准确和安全的解析法来计算加固梁的挠度,以此来满足大范围用于实际工程对结构加固设计的要求。进行了粘贴CFRP板加固混凝土梁(RC梁)在荷载持续作用下的徐变试验,推导了加固梁的短期刚度Bs及由混凝土徐变、收缩导致的挠度增大系数λ,由此提出了一种在设计阶段验算加固梁挠度的方法并与试验数据进行了对比验证。结果表明,提出的加固梁变形验算方法可用在加固设计过程中验算加固梁的变形,从而保证加固梁的安全使用。

纤维增强复合材料加固钢筋混凝土梁徐变的研究进展

随着纤维增强复合材料（FRP）对既有建筑物的加固与修复技术的运用越来越广泛,使得被加固或修复构件、结构的使用寿命得到延长,因此FRP与被加固构件一起必然要受到长期荷载的作用。收集了国内外已有的关于FRP加固钢筋混凝土梁（简称RC梁）徐变性能的研究文献,从FRP材料的蠕变研究现状以及FRP加固RC梁徐变性能的研究现状这两个方面进行总结,发现现有的关于FRP加固RC梁徐变性能的研究主要集中在FRP单一材料的蠕变性质,以及直结加固梁的徐变研究,对接近实际工况的加固前有损伤的梁的徐变性能研究较少。

开裂混凝土梁粘贴CFRP加固后长期挠度试验研究

为了研究实际工程中混凝土梁在加固前的裂缝对加固后梁长期挠度影响规律,从而为加固梁在长期使用过程中是否满足结构的正常使用极限状态提供判断依据,先对4根钢筋混凝土梁进行预处理使其具有不同程度的开裂以模拟实际工程中梁在加固前已经带有裂缝的工况,然后用CFRP板粘贴加固,并在同一外荷载水平下进行200d的长期持荷试验,定期对各梁的跨中挠度与裂缝开展情况进行测量与记录。试验结果表明,不论加固前梁是否开裂,对最终挠度影响程度最大的是加固前梁的初始挠度;加固前梁的开裂程度越大,加固后梁在长期荷载作用下的附加挠度越小。