复合材料增强管线钢管补口固化应变研究

采用差示扫描量热仪(DSC)研究了单向纤维预浸带在不同升温速率、不同恒温温度下的固化行为。设计并制造了一个复合材料增强管线钢管(CRLP)补口试样,将4个光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器埋入相邻两层补口预浸带的层间,进而测试了加热固化对复合材料层轴向应变和环向应变的影响。测试结果表明:基于固化过程中复合材料层内部的应变变化,可以判断固化反应的进行程度。FBG可以准确测试复合材料层内部的残余应变。使用单向纤维预浸带对CRLP接头进行补口,最终形成的复合材料层中会形成残余收缩应变,环向残余应变约0.045%,轴向残余应变约0.35%。

复合材料增强管线钢管压力设计新方法

复合材料增强管线钢管(CRLP)是一种具有高承压能力的新型管道,其应用日趋广泛,但相应的管道压力设计方法尚不完善。对现有规范的分析表明,现有压力设计模式已不适合组合型管道。通过以CRLP平均环向应变作为设计的显式失效判据,并区别不同工况下的失效模式,确定相应的安全系数。基于组合薄壁圆筒模型,分别导出了是/否进行预应力处理的压力设计公式。压力设计公式考虑了CRLP几何尺寸、管线钢和复合材料力学性能对设计压力的影响。算例分析表明,对于未经过预应力处理而直接投用的CRLP,主要的失效模式是试压过程中产生过量残余变形;而对于进行过预应力处理的CRLP,主要失效模式转变为工作压力下的蠕变破坏。预应力处理可以一定程度上提高CRLP的设计压力,并有助于充分利用复合材料的承载能力。

复合材料增强管线钢管的预应力处理及水压试验

天然气需求量不断增加对长输管道的承压能力提出了更高的要求,而增加管道壁厚和提高钢级均有一定的局限性,因此开发了复合材料增强管线钢管,即通过在钢管外表面缠绕连续纤维复合材料的方法,提高管道的承压能力。以外径508 mm的管线钢管为基础,制成了复合材料增强管线钢管样管,使用预应力法处理管材,并对处理后的管材进行了水压爆破试验分析。结果表明:复合材料增强管线钢管的承压能力是钢层和复合材料层承载叠加的结果;预应力处理对结构层的应力分布进行了重新分配,提高了复合材料层的承载比例;当管道失效时,复合材料层首先被破坏。在试验结果的基础上,对目前使用的复合材料增强管线钢管设计压力计算方法进行了修正。

复合材料增强管线钢管结构设计

由于复合材料增强管线钢管的钢层和复合材料层的模量差异,钢层承担了大部分的载荷,复合材料的增强作用发挥不充分。为了保证管道完整性、重新分配结构层间载荷比例、提高复合材料利用率,通过对水压爆破试验测试结果与有限元模型进行分析,得出了复合材料增强管线钢管的失效压力及设计压力计算方法,并对预应力和结构层厚度的设计提出了要求:通过预应力处理复合材料增强管线钢管时,增强层的应力不能超过复合材料断裂强度的40%,钢层的应力应该小于钢材的最小拉伸强度;在设计压力下,复合材料层的厚度应该保证应力低于其断裂强度的30%,钢层的厚度应该保证应力低于钢材的屈服强度。研究结果为复合材料增强管线钢管的设计提供了参考依据。

纤维增强复合材料加固金属管线的应力分析

与传统的金属管线加固方法相比,缠绕FRP加固具有明显的优势。本文推导了承受内压的金属管线缠绕FRP加固后的环向应力计算公式,并与有限元计算结果进行了对比,二者符合较好。该计算公式对加固技术设计方法的建立具有较高的参考价值。

钢管-纤维增强水泥基复合材料混凝土叠合柱轴压性能

为了研究构造参数对钢管-超高延性纤维增强水泥基材料(engineered cementitious composites, ECC)混凝土叠合柱的轴压力学性能的影响规律,采用数值模拟方法对比分析了长细比、截面形式、钢管壁厚、纵筋直径以及配箍率对极限承载力、破坏模式和荷载-位移曲线的影响,研究不同参数的影响规律。研究结果表明:通常采用ECC混凝土替代外包普通混凝土能有效提高叠合柱的承载能力,同时能极大改善试件的延性;相同截面含钢率条件下,采用圆截面钢管的构件约束效应较好;钢管厚度与构件长细比是影响钢管-ECC混凝土叠合柱承载能力的重要参数;外包纵筋直径与箍筋间距变化对试件承载力具有提高作用;随着钢管厚度、纵筋直径的增加及构件长细比的减小,单轴荷载作用下叠合柱的承载力得到提高。

碳纤维增强复合材料约束钢管混凝土圆柱抗爆性能的数值模拟分析

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)约束钢管混凝土圆柱的抗爆性能,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对11根圆柱试件在爆炸荷载下的动力响应进行了数值模拟分析,主要考虑了CFRP粘贴层数、钢管壁厚、炸药量和长细比等影响因素。分析结果表明:与钢管混凝土圆柱相比,CFRP约束钢管混凝土圆柱的跨中最大位移明显减小,抗侧刚度和抗爆能力得到明显提高;在一定参数范围内,CFRP约束钢管混凝土圆柱试件的抗侧刚度和抗爆能力随着CFRP粘贴层数或钢管壁厚的增加而提高;炸药量或长细比越大,试件的跨中侧向位移越大,破坏越严重。

光固化高强玻璃纤维复合材料管道补强技术研究

为了有效控制管道施工质量,提高施工效率,针对国内复合材料修复普遍采用的湿缠绕法存在的现场质量管控困难、效率低、易受污染、环境影响大等缺点,开发了一种光固化高强纤维复合材料预浸料,并对该预浸料的拉伸强度、拉伸模量、吸水性、剥离强度、微观形貌以及修复能力进行了试验研究。研究结果表明,光固化高强纤维复合材料预浸料各项性能优异,明显高于湿缠绕法的同等试样水平;光固化高强纤维复合材料预浸料的显微结构更加紧凑,树脂对纤维的浸润效果更好。此外,修复结构的水压试验表明,该纤维复合材料的修复作用是通过缺陷塑性变形实现应力传递的,且纤维复合材料修复结构的变形由内到外逐渐减弱。

房屋建筑工程中钢管混凝土的施工技术研究

针对房屋建筑工程中钢管混凝土的施工技术,研究提出了一种利用碳纤维增强基复合材料包裹受损区域的修复技术,以此提高钢管混凝土柱的承载能力。研究结果表明,该方法显著提高了构件的承载能力,修复后的构件承载力较修复前提高了14.8%。该技术不仅有效增强了受损构件的承载力,还显著提升了其安全性和耐久性。该研究为房屋建筑工程中钢管混凝土柱的施工和修复提供了新的技术方向,具有一定的经济价值。

塑料/钢复合材料降低仪器面板重量

美国密执安州的魁拉特塑料复合材料公司为福特、沃尔沃、马自达等12种车型制造了塑料，钢复合材料仪器面板，仪器面板是用玻璃增强热塑性树脂基复合材料包覆钢管制成的。这种GMTE100F40型复合材料具有较高的强度，并可以满足减重2kg的目标要求。该材料还具有在模注成型期间树脂基体沿着钢梁包括接点完全流动的特性。该产品赢得2004年度美国塑料工程师协会创新奖。

碳纤维增强复合材料包裹强化形式对钢管横向冲击性能的影响

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)非全包裹可以在提高钢管性能的前提下实现进一步的轻量化,对CFRP强化钢管进行了横向冲击仿真研究,获得了CFRP包裹钢管的强化形式和尺寸对钢管横向冲击性能的影响规律。基于Hashin复合材料失效准则和Ductile金属失效准则,建立了CFRP全包裹钢管的落锤横向冲击仿真模型并验证模型的有效性。研究CFRP在钢管表面轴向粘贴、冲击侧环向粘贴和冲击侧背面环向粘贴时,CFRP粘贴尺寸与CFRP强化钢管抗冲击性能的关系。进行落锤横向冲击仿真,研究冲击作用下钢管损伤的分布规律,对比不同粘贴长度下强化钢管的最大位移和CFRP的吸能量。结果表明,增大CFRP轴向粘贴尺寸对钢管的强化作用更为明显;当环向全部粘贴、轴向粘贴长度为50%钢管跨距和轴向全部粘贴、环向粘贴长度为87.5%圆管外部周长时,CFRP强化钢管抗冲击性能与CFRP全包裹钢管基本一致。

纤维增强复合材料约束钢管混凝土轴心受压柱抗爆性能分析

为研究纤维增强复合材料(FRP)约束钢管混凝土轴心受压柱的抗爆性能,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对16根轴心受压柱试件在爆炸荷载作用下的动力响应进行数值模拟分析,并采用参数化分析的方法研究轴压比、长细比、FRP粘贴方式及FRP种类对试件抗爆性能的影响。结果表明:轴压比不超过0.5时,轴压力的存在能提高试件的抗爆性能,而轴压比超过0.5以后,轴压力的存在会极大地削弱试件的抗爆性能;长细比越大,试件的跨中位移越大,抗爆性能越差;粘贴FRP能提高试件的抗爆性能,且采取合理的局部粘贴方式可达到与全柱粘贴相接近的约束效果;在其他参数不变的情况下,粘贴碳纤维增强复材比粘贴玻璃纤维增强复材更能有效提高试件的抗爆性能。

玻璃纤维增强聚合物复合材料约束壁式钢管混凝土短柱轴压性能试验

为研究玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)约束壁式钢管混凝土矩形短柱的轴压力学性能,对1组无GFRP约束试件和2组GFRP约束试件进行静力轴压试验;根据试验结果提出壁式柱的强弱约束模型,并基于双剪统一强度理论建立GFRP约束壁式钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式;最后建立有限元模型,将计算结果与试验对比,并进行参数化分析,研究钢材屈服强度和混凝土强度对新型壁式钢管混凝土柱轴压性能的影响。结果表明:壁式钢管混凝土柱最终因柱中混凝土压碎、钢管屈曲、试件变形过大而失效;钢材在试件第二线性段起点处开始屈服,钢材强度得到充分发挥,GFRP能有效提高构件峰值承载力,但延性有所下降;理论公式计算结果与试验值吻合较好;混凝土强度及钢材屈服强度均能有效提高承载能力,且钢材屈服强度对承载力的影响明显大于混凝土强度的影响。

FRP约束钢管混凝土轴压构件力学性能研究

进行了9个钢管混凝土轴心受压构件的试验研究,对其中的6个构件包裹了纤维增强复合材料(FRP)。试验参数为钢管截面形状、截面尺寸和包裹FRP的层数。试验结果表明,FRP约束圆钢管混凝土可以较好地发挥FRP约束混凝土和钢管混凝土的双重优点,构件在具有较高承载力的同时还具有较好的延性。最后,提供了FRP约束圆钢管混凝土轴压构件承载力的简化计算公式。

倒角半径对矩形FRP-钢复合管混凝土轴压性能的影响规律

通过对10个不同倒角半径的矩形纤维增强复合材料(FRP)-钢复合管混凝土试件的轴压性能试验,研究截面倒角半径对其轴压性能的影响。试验结果表明:在FRP断裂之前,钢管的局部屈曲能够得到有效的抑制,FRP的横向约束能够改善矩形钢管混凝土的受力性能,延缓其屈曲过程,相对于钢管混凝土,FRP对其承载力有提高效果;归因于角部的局部应力集中现象,FRP断裂位置都发生在试件中部的倒角部位,改变角部的倒角半径能够改善角部的应力集中,削弱FRP在角部的受力,提高FRP的约束效果;随着矩形截面倒角半径的增大,钢管混凝土或FRP-钢复合管混凝土的受力性能越好。

CFRP-方钢管混凝土轴压短柱承载力分析

采用统一强度理论对CFRP-方钢管混凝土轴压短柱进行受力分析,并引入等效应力系数、混凝土强度折减系数和等效约束折减系数,将CFRP-方钢管混凝土转化为CFRP-圆钢管混凝土,进而建立了CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式。将所得理论公式的计算结果与文献资料数据进行对比,验证了该公式的正确性,并进行了影响因素分析。结果表明:随材料拉压比、统一强度理论参数和CFRP厚度的增加,CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力不断增大,但CFRP的约束效率却随其厚度的增加在减小;所得结论可为CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的设计、施工及推广提供一定的理论依据。

纤维增强聚合物复合材料-钢复合圆管约束混凝土轴压性能预测模型

纤维增强聚合物复合材料(FRP)-钢复合圆管约束混凝土由于具有很好的综合性能,近年来得到了广泛的研究,尚缺乏完整的应力-应变关系全曲线计算模型。本文在综合作者现有研究成果的基础上,广泛收集了96个FRP-钢复合圆管约束混凝土柱的轴心受压试验结果,系统分析了试件参数的影响规律,提出了FRP-钢复合圆管约束混凝土的应力-应变关系曲线的完整计算模型,包括峰值应力、峰值应变、极限应力和极限应变的计算方法,并建议了应力-应变关系全曲线预测模型,模型较好地预测了FRP-钢复合圆管约束混凝土的应力-应变关系曲线的特征,预测结果与试验结果吻合较好。建议模型具有较好的通用性和准确性。

CFRP-钢管混凝土桩基腐蚀特性试验研究

海洋湿热环境下高桩码头桩基的腐蚀破坏是影响结构安全的重要因素之一,是提升高桩码头使用寿命的瓶颈。基于室内海洋湿热环境模拟系统以及法拉第电磁感应定律,采用外接直流电源的方法进行人工加速腐蚀;运用半电池电势理论,依据腐蚀越严重、电势值越高的规律对CFRP-钢管混凝土桩基的腐蚀特性进行定量、定性研究。结果表明,桩基腐蚀越严重,电势值越高;粘贴两层CFRP比粘贴一层CFRP的防腐效果更优。

FRP约束矩形高强钢管混凝土长柱轴压性能有限元分析

以纤维增强复合材料(FRP)约束矩形高强钢管混凝土长柱的轴压试验为基础,利用有限元软件ABAQUS对FRP约束矩形高强钢管混凝土长柱进行了非线性有限元分析,有限元分析结果和试验荷载-位移曲线吻合较好,破坏模态一致,峰值荷载偏差平均值仅为0.5%,方差为0.080,验证了材料本构关系、单元类型、接触和边界条件等建模方法的可靠性,表明该有限元模型可以准确预测其轴压性能.基于试验和数值模拟分析了试件的受力机理:薄壁钢管在压应力较小时发生局部屈曲;混凝土在钢管鼓曲处发展了塑性应变和横向变形;由于倒角较小,FRP在角部存在应力集中现象,在鼓曲最严重处发生断裂.环向FRP约束延缓了钢管局部屈曲的萌生和发展,提高了核心混凝土的约束强度,对于内填普通强度(C40)混凝土的钢管混凝土柱,环向FRP在承载力上的提升作用较明显,方矩形截面试件的峰值承载力提高了6%~7%.对于内填高强度(C80)混凝土的钢管混凝土柱,方矩形截面试件的峰值承载力提高了4%~5%.最后利用该有限元模型探究了长细比参数对轴压性能的影响,结果表明:FRP对承载力的提升效果随着长细比的增大而降低,对倒角半径为20 mm的模型,当长细比达到31.3时,环向FRP仍能为柱提供有效约束,提升柱11%的峰值承载力.