局部锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

钢管混凝土(CFST)在服役环境中被腐蚀,导致其钢结构承载力降低,严重威胁到结构的服役性能和使用寿命。首先,采用机加工车铣方法制作模拟局部锈蚀的人工缺陷,然后以钢管外表面局部环向贯通锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、锈蚀外表面面积损失率(简称锈蚀面积损失率,下同)为试验参数,对45根局部锈蚀圆CFST短柱试件进行轴压承载力试验;其次,分析锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、面积损失率和壁厚损失率对锈蚀试件承载力、刚度和延性的影响,揭示锈蚀CFST试件破坏机理和承载力退化机制;最后,针对局部锈蚀圆CFST短柱构件轴压承载力提出一个简化实用计算公式。研究结果表明:各试件具有类似的破坏特征,主要呈明显的腰鼓状破坏,且发生在锈蚀区;随着锈蚀钢管体积损失率增大,锈蚀CFST柱的承载力、刚度和延性均出现不同程度的降低;在锈蚀钢管体积损失率和面积损失率相同的情况下,就局部锈蚀位置影响而言,中部影响最大;就锈蚀程度表征参数影响而言,锈蚀钢管体积损失率影响最大,面积损失率次之,壁厚损失率最小;本文提出的简化实用公式可为圆钢管混凝土构件全寿命设计提供参考依据。

自修复混凝土修复性能评估中的若干关键技术与方法研究综述

混凝土的自修复可有效抑制混凝土开裂并降低其开裂对材料力学和耐久性能的不利影响,从而提高混凝土结构的安全性和韧性、延长混凝土结构的使用寿命、降低混凝土结构的维护成本,是推动混凝土材料与结构可持续发展的一种极具前景的技术方法。然而,目前关于混凝土自修复性能评估过程中的裂缝制备和自修复环境选择、效果评价指标、修复机制表征方法等关键技术手段尚未形成统一认识与标准。基于此,本文分析了采用加载和非加载方式制备自修复混凝土裂缝的特点和自修复环境的选择原则,比较了基于裂缝特征、力学性能、耐久性能和微观结构的自修复效果评价方法,总结了自修复混凝土修复机理的研究方法,最后,提出了自修复混凝土研究中存在的问题和潜在的改进措施,并展望了自修复混凝土的发展趋势和应用前景。

土压平衡盾构施工引起地面变形研究的评述

[目的]土压平衡盾构施工过程中会不可避免地产生土体扰动,引起地层变形,进而对周围建筑环境产生不利影响,开展土压平衡盾构施工引起地层变形的研究具有重要意义。[方法]通过整合各类相关文献,以施工各环节的联系为中心进行研究。阐明了土压平衡盾构施工工作机理,从隧道几何因素、土层地质条件和盾构掘进参数三方面研究地面变形诱因。论述了土压平衡盾构施工引起地面变形的预测方法,并分析了各方法的适用性与优缺点。以变形诱因和变形预测为基础,列举了土压平衡盾构施工致地面变形的控制措施。指出了土压平衡盾构施工研究中存在的不足,并对土压平衡盾构施工未来发展方向进行了展望。[结果及结论]土压平衡盾构施工引起地面变形的诱因为隧道几何因素、土层地质条件和盾构掘进参数。土压平衡盾构施工引起地面变形的预测方法有经验公式法、理论解析法、有限单元与有限差分的数值模拟法,模型试验法、人工智能法。基于对地面变形的监测,不断调整施工中的盾构参数,是目前控制土压平衡盾构地面变形的有效方法。

基于响应曲面法的石膏基复合材料性能研究

基于Box-Behnken响应曲面法,以陶瓷粉掺量5%~15%、普通硅酸盐水泥掺量10%~20%、生石灰掺量5%~15%为考虑因素,通过Design-Expert 8.0.6软件设计三因素三水平试验,探究各因素对龄期为7,28 d石膏基复合胶凝材料抗压强度和软化系数的影响。通过二次回归拟合模型方差分析各因素对抗压强度和软化系数的显著性,确定各因素掺量影响程度大小和最优配合比。结果表明:陶瓷粉和水泥的掺量对7,28 d抗压强度影响具有极显著性,生石灰次之;陶瓷粉掺量对软化系数具有显著性,生石灰次之,水泥最次。最优配合比为:陶瓷粉掺量10.88%、水泥掺量15.51%、生石灰10.65%,通过试验验证预测误差不超过10%。研究成果为进一步优化石膏基复合胶凝材料的施工性、自保温性、耐久性提供了试验基础。

基础变形诱发无砟轨道-桥梁系统关键构件变形累积与刚度突变的轨面解析表征

为探究高速铁路基础变形诱发无砟轨道-桥梁系统关键构件变形累积与刚度突变的轨面解析表征模式,针对高速铁路桥上双块式、单元板式、纵连板式无砟轨道结构特点,基于Castigliano第二定理和线性叠加原理,分别推导考虑关键构件刚度突变、限位构件参与度影响的三种无砟轨道结构轨面变形与基础变形间解析表征模型,通过试验、仿真和实测结果对其进行验证,并基于该模型分析桥梁变形、关键构件刚度突变及限位构件参与度等对无砟轨道-桥梁系统层间变形传递与联结接触的影响规律。研究表明:提出的模型与试验结果、仿真结果、轨检车实测数据吻合良好,验证该模型的正确性;三种无砟轨道在自重下均随桥梁发生“跟随性”变形,单元板对桥梁变形适应能力较强,纵连板抵御桥梁变形能力较强,但易形成大范围板底脱空,给行车带来安全隐患;桥墩沉降下,关键构件刚度突变只对突变区域内轨面变形有影响,扣件断条致纵连板轨面变形最大,单元板次之,双块式最小,砂浆离缝致纵连板在“下陷”区域轨面变形比单元板平缓,砂浆脱空致单元板“下陷”幅度小于纵连板;侧向挡块和剪切钢筋的参与对轨面变形贡献较小,而剪力齿槽的参与对轨面变形影响较大。

混凝土徐变的Gamma模型参数估计研究

针对长期荷载作用下的混凝土结构,将混凝土徐变量作为表征混凝土结构服役性能的退化指标,采用Gamma随机过程模拟混凝土徐变发展过程的不确定性。当参数c和尺度参数β为随机变量且其先验分布已知时,可利用Bayesian定理,得到c和β的后验分布和估计。作为特例,给出c为定值、β先验分布服从Gamma分布的后验分布和β后验估计值的解析表达式。最后在给定参数b和c的情况下,使用经典矩估计、极大似然估计与Bayesian估计、后验矩估计、后验极大似然估计等5种算法,融合2组混凝土徐变试验数据,对Gamma过程参数进行估计,实现混凝土徐变过程模拟,并以误差平方和最小为准则,将徐变模拟结果进行比较,结果发现Bayesian估计和后验估计法优于经典估计法,尤以Bayesian估计法为最佳。

模拟酸雨腐蚀下方钢管混凝土抗震性能研究

为研究酸雨锈蚀对方钢管混凝土柱抗震性能的影响,设计并制作12根方钢管混凝土试件,按照试验方案将9根试件放入模拟酸雨溶液中浸泡,同时通电加速腐蚀,对全部试件进行低周往复荷载试验。观察试件的最终破坏形态,讨论腐蚀水平及轴压比对试件抗震性能的影响,并与相关规范计算出的低周往复荷载下试件压弯承载力对比。结果表明:试件均在焊缝开裂后迅速破坏;随着锈蚀率升高,滞回曲线由饱满变为梭形,试件的轴向承载力下降,骨架曲线有明显的降低趋势,延性系数下降,耗能能力降低;试件的耗能能力与轴向承载力均随着轴压比的增加而减小;本文试验结果与《钢管混凝土结构技术规范》和江西省规范预测结果均吻合良好,《钢管混凝土结构技术规范》偏于保守。

L形加肋钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

为考察不同加肋形式对L形钢管混凝土轴压力学性能的影响,共设计8根钢管混凝土轴压短柱试件(2根无肋,6根加肋),进行加压试验,并对比所有试件受压后的截面破坏模态、屈曲形态和位置以及荷载-纵向应变关系曲线,通过ABAQUS有限元软件进行仿真建模,并结合有限元计算轴压全过程曲线、钢管与混凝土的相互作用力分布以及钢管截面上的应力云图纵向分布情况对不同加肋形式构件进行轴压工作机理分析。结果表明:钢管外壁鼓曲、焊缝开裂是8根L形钢管混凝土轴压试验构件在破坏时的普遍表现;布置纵向加劲肋能显著提高试件的极限承载力和延性;对于间断加肋试件,减小其肋间间距可显著提升试件的约束效果;设置在阴角处的加劲肋对提升试件受压性能的效果不明显;钢管对混凝土的约束在无肋试件中主要集中在角部,加肋试件的约束主要集中在肋与角部处;综合考虑焊缝数量、加劲肋面积以及加肋后效果,L-WR-5的加肋方式最优。

氯盐环境下钢筋混凝土梁的黏结试验研究

为分析腐蚀环境对钢筋混凝土构件黏结性能的影响,对6根无端部锚固的钢筋混凝土梁试件进行三分点加载黏结试验研究,其中1根为对比试件,其余5根均经过氯盐溶液浸泡腐蚀。分析试验结果发现:混凝土锈胀裂缝沿受拉钢筋布置位置分布,锈胀裂缝宽度随着钢筋锈蚀程度的增加而增大;加载过程中,随着荷载的增加,钢筋与混凝土产生相对滑移,二者不再满足变形协调;混凝土裂缝发展规律表现为由跨中向两端支座延伸,由混凝土梁底向顶部发展;随着荷载的继续增加,支座上方出现沿钢筋方向的黏结撕裂裂缝,最终发生黏结脆性破坏;试验梁极限承载能力随着锈蚀率的增加总体呈下降趋势,但在锈蚀率小于3%时,极限承载能力有微小提高。

酸雨腐蚀圆钢管再生混凝土柱偏压承载力计算

采用有限元建模方法对已有的酸雨腐蚀后圆钢管混凝土偏压柱的荷载变形全过程进行了模拟,并使用圆钢管混凝土偏心受压柱的承载力简化计算式对所有试件的承载力进行计算。考察了酸雨腐蚀对试件承载力的影响大小。在有限元建模及简化计算公式中,均从两方面来考虑酸雨环境对构件的影响:(1)通过折减钢管壁厚进行计算;(2)通过折减钢材材性的方法(弹性模量、屈服强度)计算。最后将有限元结果、计算式计算结果分别与试验结果比对分析。结果表明:有限元结果、计算式计算结果、试验结果三者吻合情况较好。但在工程实际中,通过壁厚折减方法来考虑酸雨腐蚀对圆钢管混凝土偏压构件承载力的影响,更具有适用性。

徐变作用下混凝土结构力学行为的ANSYS分析

针对混凝土结构徐变效应的问题,采用按龄期调整的等效模量方法结合ANSYS有限元商用软件包,将"单元生死"技术引入混凝土结构节段施工过程的徐变分析中,解决了节段施工过程之间数据传输问题,并基于ANSYS参数化设计语言APDL,编制了命令流,将徐变效应分析问题转化为伪弹性分析问题,计算简单。以经典三节段施工连续梁桥为例,采用现行规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的徐变系数计算公式,分析了节段连续梁桥徐变以及徐变对连续梁桥内力和变形的变化,并与现有计算结果进行了比较,证实了本文方法的可行性和有效性。

锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力研究

运用ABAQUS有限元软件建立了模拟酸雨溶液腐蚀后圆钢管混凝土轴压短柱有限元模型,为模拟钢管锈蚀损伤,在钢材和混凝土的本构关系模型中考虑了锈蚀对钢材的弹性模量和屈服强度的影响,有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。运用该有限元模型,通过典型算例对锈蚀圆钢管混凝土短柱进行了轴压全过程分析,比较了不同锈蚀率下圆钢管混凝土短柱荷载-轴向位移关系曲线、外钢管承担的荷载-轴向位移关系曲线、核心混凝土承担的荷载-轴向位移关系曲线以及外钢管与核心混凝土之间的相互作用力-位移关系曲线的变化规律。最后对锈蚀圆钢管混凝土轴压短柱进行了参数分析,讨论了含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度和锈蚀率等参数对圆钢管混凝土短柱极限承载力的影响,并由此导出了酸雨腐蚀后圆钢管混凝土短柱极限承载力简化计算公式。

不同腐蚀介质下钢绞线基本力学性能分析

制作了36根钢绞线试件,其中4根未腐蚀,其他32根分别置于酸雨、5%氯化钠、5%硝酸钠和5%硫酸钠的腐蚀溶液中,采用通电加速法使钢绞线加速腐蚀,并通过静力拉伸试验对钢绞线腐蚀后的力学性能进行测试,主要研究在不同腐蚀介质下钢绞线的破坏形态以及腐蚀率对钢绞线力学性能的影响。结果表明:未腐蚀钢绞线的截面断口形态呈杯锥式,腐蚀率为5%~10%时酸雨溶液、5%硫酸钠溶液和5%氯化钠溶液3种腐蚀介质下钢绞线的截面断口形态以杯锥式、铣刀式为主,而腐蚀介质为5%硝酸钠溶液时钢绞线的截面断口形态呈劈裂-铣刀式和劈裂式,其脆性比其他腐蚀介质下更为突出;随着腐蚀率的增加,钢绞线名义屈服强度、极限抗拉强度、极限伸长率等基本力学性能指标显著下降,在腐蚀介质为5%硝酸钠溶液时尤为突出。结合试验结果建立了腐蚀钢绞线双折线本构关系模型。

地铁工程钢筋混凝土梁疲劳损伤演化和寿命预测模型研究

针对地铁工程钢筋混凝土结构服役期间疲劳现象和腐蚀问题,以应力水平(0.6、0.7、0.8)、杂散电流强度(10、20、30、40 V)和氯离子浓度(2.5%、3.5%、5%、10%)为主要变化参数,使用荷载控制对预腐蚀开裂后钢筋混凝土梁进行了腐蚀-四点弯曲疲劳试验模拟,并获得了杂散电流、氯离子和疲劳荷载作用下试验梁跨中挠度变化规律。试验结果表明:各个试验梁的挠度发展过程大致相似,均大致呈现出三阶段的“S”形特征。基于试验梁跨中挠度演化规律,建立了杂散电流、氯离子和疲劳荷载共同作用下钢筋混凝土试验梁挠度演化半经验解析模型,模型参数与材料属性、腐蚀环境和荷载等试验条件有关,并由试验确定。在此基础上进一步提出了模拟地铁服役环境下钢筋混凝土梁疲劳寿命预测模型和损伤演化模型,从而可以避免进行大量的疲劳试验。借用该模型预测杂散电流、氯离子和疲劳荷载共同作用下试验梁的疲劳寿命,并与试验结果进行对比分析,发现预测值与试验结果吻合良好,进一步证实了方法的可行性和有效性。

往复荷载下钢筋增强ECC梁的抗剪性能研究

高延性水泥基复合材料(ECC)是一种具有假应变硬化特性和多裂缝开展机制的高性能纤维增强水泥基复合材料。将ECC替代混凝土用于建筑结构,能有效避免因混凝土脆性导致的开裂和耐久性问题。本文对3根不同配箍率的钢筋增强ECC短梁进行低周反复荷载试验。结果表明:钢筋增强ECC(R/ECC)短梁比钢筋混凝土(RC)短梁具有更高的承载力、耗能能力和损伤容限能力。承载力的差异与斜裂缝开展密切相关,ECC梁细密裂缝处纤维的桥连作用使ECC能够持续提供稳定的抗剪承载力。基于有限单元法对RC梁和R/ECC梁的抗剪性能进行数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好。基于有限元法分析了剪跨比、箍筋直径和箍筋间距等参数对R/ECC梁抗剪性能的影响。

陶瓷粉再生混凝土的抗碳化性能试验研究

试验以再生粗骨料代替天然粗骨料,以陶瓷粉代替水泥,制备陶瓷粉再生混凝土,并研究再生粗骨料取代率与陶瓷粉掺量对混凝土碳化作用下的相对动弹性模量、碳化深度及表观形貌的影响。研究结果表明:随着陶瓷粉掺量的增大,混凝土各碳化龄期的碳化深度也越大,而各碳化龄期动弹性模量则呈先上升后下降的趋势;再生粗骨料取代率越大,混凝土的碳化深度也越大,但混凝土动弹性模量随之下降。

复合筋增强ECC混凝土组合柱抗震性能研究

ECC是一种具有假应变硬化特性和多裂缝开展机制的高性能纤维增强水泥基复合材料,将ECC替代混凝土用于建筑结构能有效避免因混凝土脆性导致的开裂和耐久性问题。提出了新型FRP筋-钢筋复合增强ECC-混凝土组合柱构件,将FRP筋配制在柱构件边角处,而ECC仅用于柱构件薄弱的柱底。为进一步研究ECC与混凝土对柱构件抗震性能的影响,通过对比5根柱构件的滞回曲线、骨架曲线进行分析。结果表明,将ECC替代混凝土用于FRP筋-钢筋复合增强柱构件能够避免因混凝土脆性性质导致的诸多缺陷,有效的给FRP筋提供一个有效的保护,构件的延性和变形能力得到提高。在0.1~0.42轴压比情况下,随着轴压比的增大,承载力增大,而变形能力变差。

钢结构中疲劳裂纹增长概率模型和Bayesian动态预测

疲劳裂纹在桥梁结构中非常普遍,其增长过程是一个随机过程;另外,疲劳裂纹增长会引起桥梁结构性能退化。对桥梁结构性能退化的预测应基于桥梁的现状,结合具体构件的实际监测数据进行更新。首先依据线弹性断裂力学(LEFM)理论和Paris半经验疲劳裂纹扩展速率公式,建立钢结构的疲劳裂纹增长概率模型;然后利用Bayesian更新理论和马尔卡夫链蒙特卡罗模拟,结合试验数据,构建疲劳裂纹增长概率模型随机参数的更新方法,进而实时预测钢构件性能退化轨迹和寿命评估。使用提出的方法结合已有的试验数据进行了模拟仿真试验,结果表明,方法可以实现疲劳裂纹增长模型中随机参数的更新,有效地预测钢结构性能退化轨迹和时变可靠性的变化规律。

腐蚀钢绞线与混凝土间的黏结性能

为了研究腐蚀环境对钢绞线与混凝土间黏结性能的影响,将钢绞线与混凝土黏结试样分别置于4种不同腐蚀环境中进行电化学加速腐蚀,得到腐蚀后试样的黏结应力-滑移曲线,并与未腐蚀试样进行了对比分析。结果表明:相同腐蚀时间下,各腐蚀环境对黏结性能影响从大到小依次为氯化钠溶液、模拟酸雨、硫酸钠溶液、硝酸钠溶液;随腐蚀时间的延长,试样的腐蚀程度加剧,黏结强度及黏结刚度不断减小,但都比未腐蚀试样的大。轻微腐蚀时,腐蚀产物对极限黏结强度有提高作用,且在硝酸钠和硫酸钠溶液中腐蚀后试样的极限黏结强度分别为未腐蚀试样的2.56倍和2.35倍,明显高于在模拟酸雨和氯化钠溶液中腐蚀后试样的,但黏结性能总体变化不大。

既有结构时变可靠度预测模型及计算方法研究

在复杂环境与荷载作用下,桥梁的抗力会随着时间的推移而退化,可靠性降低,导致桥梁提前破坏,这关系到桥梁耐久性、适用性和安全性问题。准确评估桥梁的安全状况,为桥梁管养部门在维护、维修和修复等方面及时提出合理建议措施,意义重大。文章首先建立了Gamma随机过程抗力退化模型与泊松(Poisson)随机过程荷载模型。在此基础上,基于抗力和荷载效应相互独立的基本假定,使用条件概率公式,严格得到了结构失效概率计算表达式,并提出了一种改进的时变可靠度Monte Carlo计算方法,最后用Matlab语言编制了相应计算程序。作为一个应用算例,利用文章所建立的双随机过程模型和可靠度计算方法,分析了某现钢筋混凝土T型梁桥服役20 a的抗力可靠度衰减规律。与传统的时变可靠度计算方法相比,本文方法不但可行、有效,而且效率高。另外,以腐蚀机制下的桥梁抗力退化模型为例,预测得到桥梁在后30 a时的失效概率以及可靠指标。