Mechanical Characterisation of Interface for Steel/Polymer Composite Using Pull-out Test: Shear-Lag and Frictional Analysis

Fibre-matrix interface is known to have contribution to the mechanical performance of fibre-reinforced composite by its potential for load transfer between the fibre and the matrix. Such load transfer is of great importance in dentistry when a post is used for fixing a ceramic crown on the tooth. In this study, a pull-out test was carried out to analyse the interfacial properties of a steel fibre embedded in a polyester and epoxy matrices. It was found that the fibre-matrix interface is debonded on the whole embedded length when the fibre stress reached the debonding stress. Then, the fibre stress fell down to the initial extraction stress required to pulling out the debonded fibre from the matrix. Both debonding stress and initial extraction stress initiated a linear increase with the implantation length after the debonding stress reached horizontal asymptotes. To analyse the fibre-matrix load transfer before debonding, an analytical shear-lag model was adopted to in this test conditions. Fitting the experimental results with the analytical model provided the interfacial shear strength. By considering the Coulomb friction at the fibre-matrix interface during the fibre extraction process, an analytical model which considers Poisson＇s effects on both fibre and matrix, was developed. In this model, knowledge of the initial extraction stress of the fibre provides the residual normal stress at the fibre-matrix interface.

RC框架梁端负弯矩纵筋部分置于梁侧楼板对性能的影响及构造问题分析

为适应建筑多功能、大跨度、重荷载、高抗震的发展要求,框架梁端部负弯矩纵筋配筋率通常较高,节点区钢筋过于密集,混凝土施工质量不易保证,对结构综合性能有不利影响。先对梁端负弯矩纵筋部分设置于梁侧楼板内(简称APNRFS)的布筋方式进行阐述,然后基于试验结果分析探讨了该配筋方式对结构性能带来的变化及相关构造问题。研究表明:梁端采用APNRFS布筋方式一般不会降低框架梁的承载力;梁端的弯曲变形能力和结构抗震性能有一定提高;移至板内的梁负筋布置宽度宜小于有效翼缘宽度范围;移至板内的梁端负筋宜同时兼作楼板负筋;横向分布筋参与受力,设计中应适当增配。

偏载作用下薄壁箱梁空间整体效应的综合分析

为了研究斜腹板箱梁在竖向偏心荷载作用下的受力性能,在合理构造各翘曲位移函数的基础上,用能量变分法建立全面反映竖向弯曲变形以及剪力滞、约束扭转、畸变等翘曲变形的控制微分方程,通过对既有文献中的模型梁进行计算分析,明确剪力滞、约束扭转及畸变翘曲应力在竖向弯曲应力中的占比情况,并揭示各翘曲广义内力的分布规律。结果表明:按文章解析法求得的模型梁应力理论值与实测值吻合良好,从而验证文章方法的合理性;在偏载作用下箱梁的约束扭转微分方程与畸变微分方程是相互耦联的,这在已有文献中往往被忽略;在剪力滞、约束扭转及畸变翘曲应力中,畸变翘曲应力占据主导地位,剪力滞和约束扭转翘曲应力相对较小,但仍不可忽略,在控制截面上因各种翘曲变形引起的应力放大系数达到1.362;偏心集中荷载引起的各翘曲广义内力均具有快速衰减的分布规律,剪力滞和约束扭转广义内力分布范围很小,而畸变广义内力分布范围广阔。建议在桥梁设计规范相关条文及实际箱梁桥设计中,对畸变效应给予充分重视。

超宽组合梁剪力滞效应分析

超宽组合梁宽高比很大,在弯矩作用下超宽组合梁的力学特性与普通梁较为不同,目前相关技术规范尚缺乏关于超宽梁有效宽度的系统化公式。为了深入分析在弯矩作用下超宽组合梁剪力滞效应引起的正应力分布不均的特征,以深汕大桥为工程背景,利用ABAQUS有限元软件建立跨中15道中横梁梁段52.5m空间壳单元有限元简支梁体系模型和采用Midas civil建立空间杆系单元全桥模型,分析在自重、车道荷载、人群荷载和吊杆杆力作用下跨中截面顶、底板和1/4跨截面顶板的正应力和剪力滞系数的分布规律。分析结果表明,超宽组合梁在荷载作用下,结构受力存在明显的剪力滞效应,目前相关技术规范关于翼缘有效宽度计算公式的安全系数比实际高1.21~1.63倍。

基于剪滞理论的纤维应力分布分析

探讨拉压过程中纤维与基体之间的应力,利用弹性力学基本理论,根据Cox剪滞模型,推导轴向力和剪切力理论数学公式。在推导过程中,将径向力考虑在内,同时纤维与基体间的应力传递过程需要通过剪切应力来实现,最终求解轴向力,对轴向力和剪切力的分布作图并进行详细分析。最终发现径向力存在的情况下,最大剪应力有所降低,降低幅度达5.25%,最大轴向力有所提升,提升幅度达3.76%。同时,在拉伸过程中发现纤维两端出现了最大剪应力,而最大轴向力出现在纤维中心处。

剪力滞对CFRP板-钢梁加固界面应力的影响

为了分析工字钢梁弯曲变形产生的剪力滞效应对黏结层法向应力和切应力的影响,基于虚功原理的能量变分法建立考虑剪力滞的碳纤维增强复合材料(CFRP)加固梁黏结应力计算理论方程.通过与试验和有限元数值模拟结果的对比,验证了理论方程的正确性.开展不同弯矩作用下的工字型钢梁黏结层界面切应力和法向应力参数分析.结果表明,剪力滞引起的翼缘板纵向位移沿横向3次抛物线分布的假定是合理的.剪力滞效应对CFRP加固工字钢梁弯曲变形下的端部界面应力影响不可忽略,影响程度随着截面弯矩和翼缘板宽度的增加而增大.

铁路肋板式槽型连续梁剪力滞效用试验研究

铁路肋板式槽型连续梁是一种新结构,由腹板、肋板、底板和设置在支座处的横隔板组成。对沪通铁路黄封联络线(40+64+40)m肋板式槽型连续梁进行实桥静载试验研究,该试验是国内首次进行的大跨度槽型连续梁桥实桥试验。试验过程中分析了截面位置、肋板、支座等因素对槽型梁底板剪力滞效用的影响。试验结果表明:肋板式槽型梁在荷载作用下,截面底板存在较明显的剪力滞现象,不同截面位置剪力滞系数有差异;跨中无肋板截面在承受正弯矩作用时底板腹板位置呈现正剪力滞效用,在承受负弯矩作用时呈现负剪力滞效用;由于支座影响在承受负弯矩时底板腹板位置呈现正剪力滞效用,且剪力滞效用较其他截面明显;肋板会改变槽型梁截面正负剪力滞效用。

纤维复合材料剪滞理论的改进与参数分析

对于纤维复合材料,传统剪滞理论没有考虑基体轴向应变的影响,导致无法反映基体在应力传递中的作用。通过对剪滞理论的改进,解决了上述问题,推导了纤维轴向应力、纤维轴向变形、基体轴向应力、基体轴向变形、纤维/基体界面剪应力、纤维/基体相对滑移量的分布公式,分析了界面弹性模量对应力传递机制的影响,结果符合现有研究成果。经与有限元分析结果对比,验证了改进理论的合理性。

铁路矮塔斜拉桥W形腹板箱梁力学性能分析

W形腹板箱梁具有典型桁式体系受力特征,更符合单索面斜拉桥的受力要求,目前已在公路桥中推广应用。为指导铁路桥相关设计,通过采用有限元软件建立计算模型,对某铁路矮塔斜拉桥W形腹板箱梁设计开展系统分析,研究不同设计参数对箱梁各板件内力的影响、荷载作用下箱梁截面横向受力性能、以及箱梁截面剪力滞效应。研究结果表明,同梁高、不同斜腹板倾角的铁路W形截面顶板、内腹板均受拉,底板与外腹板均受压;随着边斜腹板倾角减小和内腹板倾角增大,顶板、外腹板轴力变大,内腹板轴力减小,底板轴力则基本不变;根据计算分析得到不同位置处的W形截面在铁路荷载作用下,预应力筋合理的布置方式;剪力滞效应方面,荷载作用下,支点及拉索附近的剪力滞效应较为明显,剪力滞系数约为1.1。通过研究,对铁路荷载作用下该种新型截面形式有了系统全面的认识,合理选择截面参数的同时应考虑剪力滞效应以提高结构经济性。

温度作用下大跨度钢-混组合梁剪力滞效应研究

以新建包头至银川高铁中包头至惠农段BYZQ-7标磴口黄河特大桥为研究对象,考虑温度变化对钢-混组合梁的剪力滞影响,求解其温度应力,并建立温度剪力滞系数。通过温度传感器监测全天温度,运用现场实测方法,研究钢-混组合梁温度场分布规律,并计算分析温度作用下,钢-混组合梁的剪力滞效应时程曲线。结果表明,钢-混组合梁温度变化与环境空气温度升降过程一致,温度场分布不均。温度突变对钢-混组合梁的剪力滞系数影响显著,顶板与腹板交接处剪力滞系数峰值为底板与腹板交接处剪力滞系数峰值的163倍。

基于剪切变形规律的箱梁剪力滞效应研究

箱梁配筋后截面刚度的变化不仅对翼缘板纵向正应力产生影响,而且对翼缘板中的剪力流分布规律也产生影响。基于换算截面法,提出利用翼缘板剪切变形规律修正PC箱梁剪力滞翘曲位移函数。采用能量变分原理,引入修正系数对配筋后的箱梁悬臂板、底板的剪切转角最大差值进行修正,并将修正后的翘曲位移函数代入剪滞变分方程。为验证计算公式的正确性,将采用推导公式计算的翼缘板应力值与实体有限元计算值进行对比分析,结果表明计算结果与实体有限元结果误差基本在5%以内。本文得出了不同配筋率对剪力滞效应的影响,提供了一种计算PC箱梁不同翼缘板尺寸剪力滞翘曲位移函数的简便方法。

挑臂式钢箱梁剪力滞效应分析

针对宽幅钢箱梁桥梁数量日益增多而剪力滞效应突出的问题,以金海特大桥为工程背景,建立挑臂式钢箱梁中间节段实体分析模型,深入研究了宽幅箱梁的剪力滞效应。研究表明:斜拉索拉力均会显著增大钢箱梁顶板的剪力滞效应,但对底板剪力滞效应有所改善;在设计过程中应重点关注顶板内纵腹板处、跨中位置与重车作用位置以及底板钢箱位置与跨中位置的应力水平;恒载工况下,大挑臂钢箱梁顶板翼缘剪力滞系数趋近1,该截面形式设计合理。

采用A撑的超宽钢箱提篮拱桥整体顶推受力及安全性能研究

为研究超宽桥面拱桥顶推过程的受力性能及安全性能,以某主跨150 m的超宽钢箱提篮拱整体顶推为工程背景进行分析,采用梁格理论来建立大桥有限元模型,结合其实际顶推施工方案,研究最不利悬臂状态的横桥向剪力滞效应、A撑作用和吊杆预紧方案。结果表明:梁顶剪力滞效应显著,梁底应力与单梁结果接近,建议可简化梁格模型为双主梁模型,以提高计算效率;A撑可有效提高结构的刚度,但增加A撑数量,对结构刚度的贡献意义不大,建议A撑布置在最不利悬臂根部;吊杆预紧方案满足安全性能要求,但相比A撑方案,需额外进行一轮调索,影响施工进度,且吊杆预紧力分布不均匀,建议拱桥顶推过程优选A撑方案。

钢板结合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应分析

为研究钢板结合梁斜拉桥混凝土桥面板的剪力滞效应,以泸州河东长江大桥为背景,采用MIDAS Civil软件建立主桥空间有限元模型,计算各阶段钢板结合梁混凝土桥面板剪力滞系数,与规范计算结果进行对比,并分析桥面横坡对桥面板剪力滞系数的影响。结果表明:桥塔根部截面施工阶段、通车阶段和运营阶段桥面板剪力滞系数分别约为1.4、1.203和1.46,剪力滞效应明显大于其余截面。现行《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01—2015)和《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)对桥塔根部截面剪力滞系数计算偏安全,对跨中截面,前者计算结果与实际受力不符,后者通车阶段、徐变后期及运营阶段的计算结果与有限元计算结果较接近,但施工阶段最大悬臂状态计算结果偏小。桥面横坡每增加1%,桥面板剪力滞系数约增大5%,工程设计中应根据实际建桥条件选择合理的桥面横坡。

斜拉桥悬臂施工阶段PK钢箱叠合梁剪力滞效应分析

为研究斜拉桥悬臂施工状态下PK钢箱叠合梁引起的纵桥向正应力沿横向截面分布不均匀的特性,依托银洲湖特大斜拉桥工程实例,利用ANSYS软件建立PK钢箱叠合梁跨中梁段空间有限元模型,考虑了长悬臂状态下不同悬臂施工长度以及最大悬臂和合拢阶段的典型荷载工况,采用有限元法研究PK钢箱叠合梁斜拉索锚固截面和斜拉索中间截面的剪力滞效应。通过与实测值的比较验证了有限元模型的准确性,并计算分析得出在不同荷载工况下PK钢箱叠合梁混凝土顶板与钢箱梁底板的纵向正应力分布变化规律及剪力滞系数。研究结果表明:在悬臂施工阶段不同悬臂长度下,PK钢箱叠合梁混凝土顶板和钢箱底板的轴向正应力和剪力滞系数沿横向分布规律存在差异,截面会同时出现正、负剪力滞效应;混凝土顶板和钢箱底板在外腹板处的负剪力滞效应较为明显;斜拉索锚固截面的剪力滞效应比斜拉索中间截面的更为突出,PK钢箱叠合梁锚固截面的应力分布更应引起重视。

长期效应下不同边界钢-混凝土组合梁挠度分析

为了研究长期荷载效应对钢-混凝土组合梁挠度的影响,本文对不同边界钢-混凝土组合梁进行分析。考虑组合梁的剪切变形、层间滑移及剪力滞效应,引入长期荷载下的混凝土收缩徐变作用,运用能量法和变分原理推导出均布荷载作用下不同边界条件的组合梁长期挠度解析解,并通过有限元和试验结果验证了解析解的正确性。通过简支组合梁、固结组合梁和连续组合梁3个算例的挠度分析结果表明:长期荷载作用对组合梁总挠度影响较大,对两跨连续梁尤其显著;除长期荷载影响外,简支组合梁挠度主要受层间滑移作用的影响,两端固结梁挠度主要受剪切变形和层间滑移作用的影响,两跨连续组合梁挠度主要受层间滑移作用的影响;3种不同边界条件的钢-混凝土组合梁挠度受剪力滞效应的影响最小。

考虑扭转与畸变耦联影响的薄壁箱梁翘曲效应分析

为了分析薄壁箱梁在竖向偏载作用下的整体受力性能,考察剪力滞、约束扭转及畸变翘曲应力相对于竖向弯曲应力的放大系数,在充分考虑扭转与畸变耦联影响的基础上,用能量变分法建立了综合反映竖向弯曲变形以及剪力滞、约束扭转、畸变等翘曲变形的控制微分方程.对既有文献中的模型梁及某预应力混凝土简支箱梁在跨中偏载作用下的应力状态进行理论分析.结果表明,按该控制微分方程求得的模型梁应力理论值与实测值吻合良好.跨中截面加载腹板与底板交点处的正应力放大系数达到约1.63,在水平形心轴处腹板的剪应力放大系数达到约2.55.在剪力滞、约束扭转及畸变翘曲应力中,畸变和约束扭转翘曲应力占主导地位,剪力滞翘曲应力占次要地位,但仍不可忽略.

波形钢腹板PC曲线箱梁剪力滞效应影响参数研究

为研究波形钢腹板PC曲线箱梁的剪力滞效应,利用有限元分析软件ANSYS建立波形钢腹板PC曲线箱梁的有限元模型,分析跨中集中荷载和全桥均布荷载两种工况下典型截面的应力分布,得到截面的剪力滞系数。讨论8种几何参数对波形钢腹板PC曲线箱梁剪力滞系数的影响。研究结果表明:曲线箱梁的剪力滞效应大于直箱梁,平钢腹板引起的剪力滞效应胜于波形钢腹板;曲线箱梁内侧的剪力滞效应比外侧严重;悬臂长a、圆心角θ、曲率半径R、梁高H对波形钢腹板PC曲线箱梁剪力滞的影响是主要的,承托长b、翼缘板厚度t次之,横隔板数量n和波高h基本无影响。

波形钢腹板钢底板混凝土组合梁的挠度分析

研究目的:为精确分析波形钢腹板钢底板混凝土组合梁在长期荷载作用下的挠度变化,在纳入组合梁剪切变形效应、剪力滞效应及收缩徐变效应对挠度计算影响的基础上,采用能量变分法推导出波形钢腹板钢底板混凝土组合梁的控制微分方程与自然边界条件,得到波形钢腹板钢底板混凝土组合简支单箱双室箱梁分别在跨中集中荷载和满跨均布荷载作用下的挠度计算公式;利用所得公式计算荷载作用7 d、1000 d和3650 d时的挠度值,与ANSYS数值解以及不考虑收缩徐变效应的计算值进行对比,并通过了模型试验结果的验证。研究结论:(1)本文挠度计算值与ANSYS数值解及模型试验结果吻合良好;(2)波形钢腹板钢底板混凝土组合简支箱梁在跨中集中荷载和满跨均布荷载作用1000 d后,跨中挠度分别增大了9.12%和12.94%;(3)在3650 d后,跨中挠度分别增大了14.69%和18.32%,显然收缩徐变效应对组合箱梁挠度计算的影响不可忽略;(4)本文研究可为同类波形钢腹板钢底板混凝土组合梁的挠度计算提供参考。

梁端约束条件和梗腋对箱梁弯曲简谐振动的影响

为分析梁端约束条件和梗腋对箱梁弯曲谐响应的影响,以剪力滞效应引起的附加挠度为广义位移,并计入其对体系总动能的影响。运用Hamilton原理建立了考虑剪切剪力滞效应影响的箱梁弯曲简谐振动变分解析解,引入反映箱梁动力特性的截面应力及挠度放大系数,详细分析梁端约束条件和梗腋对箱梁弯曲谐响应的影响。算例分析表明:不同梁端约束条件和梗腋影响的箱梁谐响应解析解与有限元数值解吻合良好;梁端约束条件越强,附加挠度及翘曲正应力在初等梁计算结果中的占比越大,截面应力及挠度放大系数越小;剪切效应对谐响应的影响大于剪力滞效应,且其差值比随振动频率的增大而增大;梗腋对初等梁谐响应的削弱影响较大,而对剪切剪力滞效应引起的附加挠度、翘曲正应力及放大系数的影响较小,分析梗腋对箱梁弯曲谐响应影响时,可按初等梁振动理论进行计算。