CFRP补强水工压力隧洞内压分载比例参数敏感性分析

采用CFRP加固水工压力隧洞时,CFRP除了要承担变化的外部水土荷载,还要承担部分内水压力。为了明确“CFRP-胶层-衬砌混凝土”复合结构的内压分载规律,建立了“实体-弹簧-实体”三维有限元模型,并结合模型试验的实测结果验证了有限元模型的有效性。基于该模型,分析了胶层的弹性模量(E_(a))、胶层的厚度(t_(a))、CFRP的弹性模量(E_(c))和CFRP的厚度(t_(c))等参数变化时,衬砌混凝土和CFRP之间承担内水压力比例的变化规律。计算分析结果表明:t_(c)和E_(c)是影响衬砌混凝土承担内水压力比例的主要因素。对于粘贴1~3层的计算工况,当t_(c)由0.1 mm逐渐增加到2 mm的过程中,衬砌混凝土承担内水压力的比例分别减小了34.25%、47.776%、53.931%;当E_(c)由100 GPa增加到600 GPa的过程中,衬砌混凝土的承载比例分别减小了6.482%、11.945%、16.509%。极差分析结果也表明,衬砌混凝土承担内水压力的比例对上述4个参数的敏感性由高到低依次为t_(c)>E_(c)>E_(a)>t_(a)。因此,若要降低衬砌混凝土承担内水压力的比例并提高CFRP材料的利用率,提高所选用的CFRP的厚度与弹性模量是关键。

构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响

为研究高轴压比下配筋率、配箍率和剪跨比对预应力碳纤维布加固钢筋混凝土方柱抗震性能的影响,设计并制作5根钢筋混凝土方柱(包括1根未加固柱和4根加固柱),对其进行低周往复荷载试验。分析在0.7轴压比下配箍率、配筋率和剪跨比对预应力CFRP加固钢筋混凝土方柱的破坏模式、滞回特征、骨架曲线、刚度退化、延性性能和耗能能力的影响,并利用ABAQUS软件建立有限元模型对试验进行模拟,在验证模型的准确性后,对本次试验进行了扩充参数分析。研究结果表明:高轴压比下,预应力CFRP布加固能有效提高柱的水平承载能力和变形能力,对提高柱的抗震性能有利;配箍率的变化对加固柱的初始刚度和水平承载力影响较小,但对其变形能力和耗能能力影响较大,增大配箍率有利于提高加固柱的变形能力和耗能能力;配筋率对加固柱的水平承载力和变形能力有一定的影响,且与加固柱柱底塑性铰长度正相关,加固设计时应注意CFRP布约束范围完全覆盖塑性铰区;剪跨比的增大对柱的变形能力有明显的提高,但对水平承载力和刚度有极为不利的影响,对于剪跨比较大的柱,CFRP布的利用率较低,加固效率不高。研究成果可为高轴压比下预应力碳纤维布加固桥墩设计和工程应用提供试验依据。

CFRP条带加固RC梁斜裂缝投影长度的计算方法

开展18根CFRP条带加固RC梁的抗剪试验,分析剪跨比、CFRP条带间距和预裂度等对加固RC梁斜裂缝投影长度的影响。试验研究表明:CFRP条带间距的减小将延缓斜裂缝的发展,增加斜裂缝数量;随着预裂度的增大,斜裂缝发展加快,斜裂缝数量及投影长度增大;剪跨比是影响斜裂缝发展和投影长度的主要因素,斜裂缝投影长度随着剪跨比的增大而增大。在试验研究基础上,综合考虑剪跨比、CFRP条带间距和预裂度等因素影响,提出CFRP加固混凝土梁斜裂缝水平投影长度的计算公式。

预应力CFRP布加固负载混凝土梁抗裂性能分析

为开展预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)布加固混凝土受弯构件时对正截面裂缝影响的研究,设计制作了配筋率不同的2组共计8根试验梁。在承受40%极限荷载的基础上利用预应力CFRP布对试验梁正截面进行加固,并完成其静载试验,获得混凝土受弯构件在前期加载和加固后的二次受力过程中弯曲段裂缝分布、裂缝宽度和高度的试验数据。在试验数据的基础上,通过理论分析,提出了与《混凝土结构设计规范》相协调的预应力CFRP布加固负载混凝土梁弯曲段裂缝平均间距和最大裂缝宽度的计算公式。研究结果表明:二次受力过程中,预应力CFRP布能有效抑制裂缝的开展,且随着预拉应力的增加,裂缝平均间距和裂缝宽度均减小。

高效利用CFRP加固预裂混凝土梁

为了更有效应用碳纤维布进行结构加固,对6根不同配筋率的预裂钢筋混凝土梁进行CFRP加固加载试验,研究了在采用半包粘贴CFRP加固方式时,不同配筋率和不同碳纤维布层数对梁的极限承载力恢复程度、破坏形态和裂缝开展情况的影响.分析结果表明,碳纤维布在很大程度上提高了试验梁的整体刚度,改变了加固梁的破坏形态,采用半包式粘贴纤维布能较好地限制碳纤维布与混凝土之间的剥离,使之恢复到预裂时的极限承载力,满足正常使用要求.

CFRP约束轴压预压混凝土棱柱体的应力研究

通过CFRP约束预压混凝土棱柱体的轴压试验,研究了在不同预压力下的CFRP加固预压混凝土棱柱体试件与CFRP加固未预压混凝土棱柱体试件,测得CFRP加固后的极限应力值,并与混凝土棱柱体试件的应力值进行了对比分析,分析了CFRP加固混凝土棱柱体的破坏特征,为实际工程的加固提供了试验依据。

长径比对CFRP—钢管混凝土轴压柱承载力的影响

对16个圆CFRP(碳纤维增强塑料)钢管混凝土轴压柱和8个普通圆钢管混凝土轴压柱进行了极限承载力的试验研究。根据试验结果,分析了CFRP对钢管混凝土轴压柱的增强效果以及构件长径比对极限承载力的影响。应用计入CFRP影响的钢管混凝土柱压曲极限承载力的近似理论公式,计算出不同长径比的轴压构件的压曲破坏临界荷载,并分析了弹性失稳和塑性失稳的长径比界限值。通过将理论计算结果与试验数据比较,得出了近似公式的应用范围。研究表明,柱体的长径比对CFRP钢管混凝土结构的承载力影响显著;CFRP的存在对提高轴压极限承载力起到了重要作用,而对弹性与塑性失稳的界限长径比值无显著影响。

内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土长柱轴压性能试验

为了研究内置碳纤维复合材料(CFRP)圆管的方钢管高强混凝土长柱的力学性能,对4根内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土柱和4根方钢管高强混凝土柱进行了承载力对比试验研究,绘制了荷载-变形曲线,并对内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土轴压长柱的力学性能进行了全过程分析。结果表明:在含钢率相同的条件下,随着长宽比的增大,相同CFRP层数的方钢管高强混凝土柱承载力有所降低;随着CFRP层数的增加,在长宽比相同的情况下,方钢管高强混凝土柱承载力有显著提高;对核心混凝土的约束效应增加,延缓了构件的屈服时间;CFRP层数对试件的承载力影响更为显著。

CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能尺寸效应的细观分析

为研究CFRP加固钢筋混凝土方柱在地震作用下的破坏模式,该文考虑混凝土材料的非均质性、钢筋-混凝土间的粘结滑移作用,建立了CFRP加固钢筋混凝土方柱三维细观数值模型。在验证数值模型与试验结果吻合良好的基础上,扩展工况探讨了轴压比、CFRP体积配置率对CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能及名义抗剪强度尺寸效应的影响。结果表明:一定轴压比范围内柱的承载力随轴压比增大而提高,但其延性会降低;该文工况中,CFRP加固钢筋混凝土柱的名义抗剪强度随试件尺寸增大呈降低趋势,存在着明显尺寸效应行为;在经典材料层次尺寸效应律基础上,提出了CFRP加固混凝土方柱名义抗剪强度尺寸效应理论公式(适用范围轴压比小于0.4),模拟结果证实了公式的合理性。

内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土中长柱轴压性能试验

目的研究内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土的可行性和必要性,并指出内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土应用于建筑物的竖向承重构件中所具有的优越性.方法通过对7根内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土柱和5根方钢管高强混凝土柱承载力的对比试验,探讨了在相同宽度厚度比的情况下,3种CFRP层数和5种长细比对内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土柱承载力的影响.结果CFRP圆管对构件的承载力的有显著提高,内置一层CFRP管承载力增长5%左右,二层增加12%左右;随着长细比的增加,内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土构件承载力有减小的趋势.结论通过对应变曲线的分析得出宽厚比和CFRP参数的最优组合为2层.

剪跨比对CFRP加固无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应的影响研究

剪跨比对FRP抗剪加固梁的裂缝开展和破坏模式有重要影响,但对FRP加固梁抗剪强度及尺寸效应的影响研究较少。采用三维细观数值模拟方法,考虑混凝土细观组成的非均质性及碳纤维布(CFRP)与混凝土之间的相互作用,建立了CFRP加固无腹筋钢筋混凝土梁剪切破坏力学分析模型。在验证细观模拟方法合理性的基础上,拓展模拟与分析了剪跨比对CFRP加固钢筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应的影响机制与规律。研究结果表明:剪跨比对CFRP抗剪加固梁剪切破坏模式影响较大,剪跨比越大,加固梁愈趋近于延性较好的斜拉破坏;剪跨比对CFRP加固梁抗剪承载力有较大影响,对抗剪强度尺寸效应影响较小;剪跨比对加固梁中的CFRP剪切贡献影响较大,剪跨比越大,CFRP对加固梁的抗剪效果越好,其中对中型剪跨比(λ=2.5)的梁加固效果最有效。

现役混凝土在CFRP约束下的轴压试验研究

地震等自然灾害可以直接破坏主体结构。主要构件的加固、修复成为令人关心的研究课题。研究了方柱在不同预压力下的混凝土应力-应变关系,测得了混凝土、CFRP约束混凝土和CFRP约束预压混凝土棱柱体在轴压作用下的应力、应变数值,进行了混凝土棱柱体在预压后用CFRP加固的再受荷强度影响分析,为实际工程的加固设计提供了试验依据。

CFRP筋粘结型锚具的疲劳损伤模型

通过两种碳纤维复合材料CFRP筋锚固系统在不同疲劳应力比加载条件下的恒幅疲劳试验,借助背面应变片技术,研究了不同疲劳应力比对CFRP筋粘结型锚具疲劳响应的影响;基于Goodman方程,建立了恒幅疲劳荷载下粘结型锚具的疲劳损伤预测模型;通过试验数据与数值模型相结合的分析手段,探究了疲劳应力比对粘结型锚固系统疲劳响应的影响.结果表明:该疲劳损伤模型预测的结果与试验观察数据吻合良好;粘结型锚固系统在疲劳过程中的背面应变变化状态能较好地反映锚固系统内部的疲劳损伤状况,证明背面应变片技术适用于该粘结型锚固系统,且采用基于背面应变的疲劳损伤模型能够很好地模拟应力比对粘结型锚具疲劳响应的影响.

经历不同温升作用后CFRP筋受力性能的试验研究

为研究经历不同温升作用后碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)筋材的静力性能,以筋材的处理温度为试验参数,完成9个试件的轴向拉伸试验;以筋材的处理温度和初张比为试验参数,完成15个试件的横向受力试验。结果表明:处理温度不超过100℃时,筋材的轴向拉伸、横向受力及与活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC)间黏结强度等性能的退化程度轻微。对于轴向拉伸试验,经历30℃和100℃温升作用的试件均发生筋材拉断破坏,处理温度100℃试件的抗拉强度、极限应变和弹性模量较30℃试件分别减小2.9%、1.0%和1.6%;经历200℃温升作用的轴向拉伸试件均发生滑移破坏,筋材与RPC界面间的平均黏结强度较常温条件下降低34.5%,弹性模量较30℃试件减小9.1%。对于横向受力试验,所有试件均发生折断破坏。初张比一定时,随着处理温度由30℃增至200℃,CFRP筋的极限索力、最大索力增量及横向破断力均逐渐降低,但横向极限位移变化较小;处理温度相同时,随着初张比由0增至0.34,CFRP筋的最大索力增量、横向破断力及横向极限位移均逐渐减小,但破坏时的极限索力则逐渐增大。提出经历不同温升作用后CFRP筋横向极限位移、极限索力及横向极限荷载的计算公式,并以试验结果验证其适用性。

长细比对CFRP约束钢管混凝土柱偏心受压力学性能的影响研究

为研究长细比对CFRP约束钢管混凝土柱受力性能的影响,应用ABAQUS建立四组、每组3个试件进行对比分析.组内试件的钢管约束效应系数εs、CFRP约束效应系数εc f、偏心率等影响因素相同,分析不同长细比对组合柱力学性能产生的影响.结果表明,长细比对CFRP最大应力影响不大.随着长细比的增加,钢管的最大等效应力值降低,钢管套箍作用减弱.不同钢管约束效应系数情况下,荷载-挠度曲线形式基本一致.试件刚度值随长细比增加逐渐降低,组合柱极限承载力下降,但降低幅度逐渐变缓.

预应力CFRP板加固钢板受拉疲劳性能试验研究

为较好地预测预应力碳纤维材料(CFRP)板加固钢结构的疲劳性能,采用考虑有效应力强度因子幅的Pairs公式,分析了粘贴预应力CFRP板加固钢板的疲劳裂纹扩展行为.通过粘贴CFRP板的含中心孔的预制裂纹钢板的疲劳试验,分析了应力比、CFRP板刚度、预应力及粘结胶性能等因素对疲劳裂纹扩展的影响.试验结果表明:加固后结构的疲劳寿命提高16倍以上,疲劳寿命的理论分析结果偏于保守;预应力是疲劳寿命的主要影响因素,而CFRP板和粘结胶性能的影响有限;应力比对疲劳寿命的影响很大,因此,对交通荷载的正确预估是加固能否取得成功的基础.

碳纤维复合材料粘贴加固混凝土力学性能及应用研究

为探究碳纤维复合材料(FRP)加固混凝土的各种力学性能,制备混凝土力学性能测试的试件,一种为圆柱体,作为抗压强度试件,另一种是棱柱体,作为抗弯强度与抗拉强度试件。试验中试件的抗压强度和抗弯强度参考测试普通水泥胶砂强度的方法来实施,试件抗拉强度采取直接拉伸法。结果表明,CFRP条带粘贴面积率为100%的试件1的峰值应变最大,达到0.398%;轴心抗压强度最大,达到126.5 MPa;单轴饱和抗压强度最大,达到105.3 MPa。碳纤维复合材料条带加固尺寸分别为100 mm×300 mm、100 mm×400 mm的试件D、E的抗弯强度最大。E的单轴抗拉强度最大,试件碳纤维复合材料加固混凝土加固效果卓越。

CFRP加固混凝土梁配布(筋)率优化与造价研究

本文以碳纤维增强聚合物/塑料(CFRP)加固混凝土矩形截面梁的单位长度最低造价为目标函数,基于考虑材料价格,按应变协调条件和加固混凝土梁正截面承载力的计算方法,由拉格朗日函数导出了配布(筋)率优化公式,并在该公式满足相应约束和配布(筋)率优化的条件下,给出了相应的钢筋与混凝土、CFRP与混凝土价格比值范围和CFRP、钢筋及混凝土之间的价格关系.最后,用算例的计算分析验证了本文所提公式的可行性.

CFRP约束预压混凝土棱柱的轴压试验研究

通过42个混凝土棱柱体的轴压试验,研究了混凝土、CFRP约束混凝土和CFRP约束预压混凝土3种情况的棱柱体试件在轴压力作用下的应力-应变关系,与此同时还得出了混凝土方柱在预压后用CFRP加固再受荷时,试件的峰值应力随预加轴压比的增加的变化规律,并给出了考虑预加轴压比影响的峰值应力的计算公式,为在役混凝土结构构件的加固设计提供试验依据。

偏心率对CFRP钢管约束混凝土柱力学性能的影响

为研究偏心率对碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)布加固钢管混凝土柱力学性能的影响规律,借助有限元软件ABAQUS对偏心率为0. 3%、0. 6%、0. 9%和1. 2%的构件分别进行数值模拟。结果表明:随着偏心率的增大,被动约束的紧箍力减小;偏心率对构件的荷载挠度曲线影响比较大,对于偏心率大的构件,其极限承载力较小;不同偏心率对于不同长细比的构件影响不同,长细比为28时,构件的承载力相应地整体降低。