竖向荷载作用下碳纤维增强复材-混凝土密拼双向叠合楼板传力机制分析

为解决装配式混凝土叠合板预制底板有外伸钢筋带来的制造、运输及施工复杂等问题,在普通密拼叠合板的研究基础上提出了板底拼缝粘贴碳纤维增强复材条带的密拼接缝方式。通过6块四边简支的矩形单缝密拼双向叠合楼板静载对比试验和有限元模拟分析,对叠合板拼缝处的传力机制进行了分析研究,结果表明:与普通密拼叠合板相比,在拼缝位置粘贴碳纤维复材可协助拼缝两侧混凝土有效传递应力。碳纤维增强复材-混凝土密拼叠合楼板拼缝处传力机制随荷载的增加而发生变化,持载初期主要通过碳纤维复材对拼缝两侧混凝土进行应力传递;随着荷载增加,叠合面的附加钢筋向两侧传荷的能力增强,但碳纤维复材仍承担主要拉应力;加载后期碳纤维复材发生剥离后,拼缝处附加钢筋和桁架钢筋、底部纵筋构成了新的空间传力体系。

考虑界面黏结滑移的玻璃纤维增强复材-混凝土组合梁力学性能数值分析

纤维增强复材(FRP)型材加混凝土翼板是目前研究较多的一种典型FRP组合梁/板结构,它既能发挥FRP优良的抗拉性能,又能弥补FRP型材因尺寸纤薄导致的构件刚度及抗剪性能不足。但目前数值分析中大多忽略了界面的黏结滑移及剥离,不能全面有效地分析组合梁的破坏机制及其力学性能。为此,针对一种玻璃纤维增强复材(GFRP)工字梁与混凝土板上翼缘组合梁,考虑胶结界面的黏结滑移及剥离,建立了界面双线性内聚力单元,分析组合梁加载过程中的界面力学行为以及组合梁的力学性能。与组合梁受弯性能试验结果的对比,验证了所建GFRP-混凝土组合梁有限元模型的合理性和有效性。数值分析结果显示:组合梁受力初始阶段,混凝土板上翼缘与GFRP型材在有效黏结下协同受力,随后混凝土受拉区产生微裂缝,界面黏结逐步损伤,结构的整体刚度降低,荷载逐渐主要由GFRP型材承担,结构的破坏模式及其承载性能受混凝土翼缘强度与胶层类型等影响。

组合粘贴纤维增强复材抗弯加固35 m T型梁破坏性试验研究

针对1座高速公路旧桥拆除的35 m预应力混凝土T型梁开展组合粘贴纤维增强复材(HBFRP)加固施工,并总结了施工过程中各项技术控制要点。基于加固后桥梁开展破坏性荷载试验,结果表明:荷载-位移曲线呈线性双折线变化,线性拟合得到跨中部位两阶段荷载-挠度关系;HB-FRP板参与全过程抗弯,未发生黏结滑移破坏。

大应变纤维增强复材约束冰短柱轴压力学性能试验研究

混凝土等传统建筑材料在寒冷地区的使用受到了很大限制,而冰是寒区一种可就地取材的建筑材料,但却存在强度低和延性差等缺点。为了解决上述问题,提出一种可用作寒区受压构件的新型大应变纤维增强复材(LRS-FRP)约束冰柱,它由外部的LRS-FRP管和内填的核心冰组成。通过对3个圆形纯冰短柱和6个圆形LRSFRP约束冰短柱的轴压试验研究,考察LRS-FRP层数对该新型组合短柱轴压力学性能的影响。试验结果表明:LRS-FRP约束冰短柱的轴压破坏模式为柱中附近LRS-FRP管环向拉断;LRS-FRP管的约束可大幅提升核心冰的轴压力学性能,组合柱的轴向荷载-应变曲线近似呈两阶段的双线性特征,且极限承载力和峰值轴向应变随LRSFRP层数的增加近似呈线性增长;LRS-FRP管的环向断裂应变受LRS-FRP层数的影响较小。

玻璃纤维增强复材管约束纤维增强自密实活性粉末混凝土长柱轴压性能试验研究

提出了一种流动性能大于255 mm的钢纤维自密实活性粉末混凝土,以钢纤维掺量、GFRP管缠绕角度和长细比为设计参数,设计了7根玻璃纤维增强复材(GFRP)管约束纤维增强自密实活性粉末(RPC)长柱,并对其轴向受力性能进行试验研究。试验结果表明:虽然钢纤维改善了混凝土材料的抗压和抗剪切性能,但其对组合柱的破坏特性影响较小;与±45°GFRP缠绕管相比,±80°GFRP缠绕管对组合长柱的极限承载力和变形性能提升显著;长细比与试件极限承载力呈负相关,长细比越大,曲线的初始刚度及峰值荷载越小。在GFRP约束自密实RPC短柱计算模型的基础上,基于长细比关系的折减系数,提出GFRP约束自密实RPC长柱的极限承载力计算式,计算结果与试验结果均吻合较好,与过往的试验研究误差较小。

碳纤维增强复材补强含中心裂纹及缺陷孔钢板的疲劳性能研究

碳纤维增强复材(CFRP)加固是改善含裂纹钢结构疲劳性能的重要手段。基于试验和有限元分析方法,研究了CFRP加固含多缺陷孔钢板的裂纹扩展情况及疲劳寿命。疲劳试验结果表明:缺陷孔会降低钢板的疲劳寿命,但经CFRP加固后,疲劳寿命可接近于不含缺陷孔的加固试件。缺陷孔对裂纹的扩展路径及疲劳寿命均有影响,具体影响方式与程度取决于缺陷孔数量及分布方式。有限元分析表明:缺陷孔对裂纹扩展的影响主要在于改变应力强度因子幅值ΔKI和ΔKII的相对大小。

新型纤维增强复材-金属组合空间桁架结构及弯曲性能研究

纤维增强复材(FRP)拉挤型材具有轻质高强、单向受力性能好等优点,将其用于具有较高承载效率的空间桁架结构,能够进一步降低结构质量、提高结构跨度。基于前期研究成果,提出一种新型FRP-金属组合空间桁架结构,采用了新型结构形式、高性能复合材料及高承载连接技术。基于该新型结构体系,设计和制备了一座跨度为24 m、承载达150 k N的轻量化、模块化应急桥,并进行了结构弯曲性能试验,最后将试验结果与有限元计算结果进行了比较。结果表明:该新型结构具有承载高、质量轻、拼装架设方便等优点,且在用材、尺寸与构型等方面设计灵活;在设计荷载下结构表现出良好的静载弯曲性能;桁架杆件能够充分发挥FRP拉挤圆管的单向力学优势,杆件承载效率高;实测值与有限元计算结果吻合较好,所建立的有限元模型可用于该空间结构的线弹性力学性能预测和设计计算。

海水海砂混凝土内玄武岩纤维增强复材筋性能退化研究

采用纤维增强复合材料(FRP)替代钢筋应用于海水海砂混凝土结构是解决钢筋锈蚀问题的有效途径之一。针对FRP材料的耐久性问题,已有的研究集中于将FRP直接浸泡于强碱性环境下模拟混凝土内的孔隙水环境,而海水海砂混凝土在Cl-及SO42-的作用下,内部的碱环境处在动态变化中,有必要研究FRP在真实碱环境下的长期性能。因此,本研究测试了实验室加速环境下(室温、40℃以及60℃水溶液及模拟海水溶液),不同海水海砂混凝土砂浆包裹厚度(0,10,20 mm) BFRP(Basalt-FRP)筋的耐久性,测试了不同浸泡时间后BFRP筋的拉伸强度,用扫描电子显微镜(SEM)对拉伸断面进行了观察。研究发现,同一包裹厚度BFRP筋随浸泡温度的升高,拉伸强度退化越显著;在同一浸泡环境下,混凝土包裹层厚度越大,BFRP筋的拉伸强度退化越明显;影响BFRP筋拉伸强度退化的主要因素是混凝土内部碱度。

纤维增强复材混合芯层夹芯板受弯性能试验研究

纤维增强复材(FRP)夹芯体系具有质量轻、强度高、使用寿命长的优点,可使用混合芯层体系来制造性能更优的夹芯复合材料。采用真空辅助成型工艺,制备了腹板-酚醛泡沫混合芯层的纤维增强复材夹芯板玻璃纤维(GFRP)。对3种不同芯层配置的试件开展四点弯曲试验,研究纤维增强复材夹芯板的弯曲性能和破坏模式。试验结果表明:试件的破坏模式可分为腹板与面层剥离破坏和腹板屈曲破坏;增加中部纵向腹板能提高板件的抗弯承载力;增加横向腹板能降低板件的损坏程度。采用铁木辛柯梁理论,考虑弯曲和剪切变形的共同影响,分析了板的跨中挠度;考虑混合芯层中组成成分对剪切性能的贡献,预测了板件的极限承载力,两者的理论计算值与实测值均吻合较好。

配置碳纤维增强复材网格筋的混凝土板抗冲切性能研究

混凝土板在集中荷载作用下容易发生冲切破坏,实际工程中已有板柱节点冲切破坏导致结构连续倒塌的案例。通过在混凝土板中配置碳纤维增强复材(CFRP)网格筋以提高混凝土板的抗冲切性能,开展了6个试件的抗冲切力学性能试验,得到了配置CFRP网格筋混凝土板的抗冲切承载力、CFRP网格筋应变、冲切范围内板的位移和板的破坏形态。试验结果表明,在混凝土板中配置CFRP网格筋可以提高混凝土板的抗冲切承载能力和抵抗变形能力,并且在出现冲切破坏后仍具有一定的承载能力。采用CFRP网格筋提高混凝土板抗冲切性能具有工程应用价值。

纤维增强复材筋活性粉末混凝土单向板受弯性能试验研究

为研究纤维增强复材(FRP)配筋活性粉末混凝土(RPC)单向板的受弯性能,以配筋类型、配筋率以及受压区约束网格类型为试验参数对5个试件进行了3点受弯试验。结果表明:平截面假定仍然适用;由于普通钢筋具有屈服点和更高的弹性模量,普通钢筋板比FRP配筋板具有更高的延性指标和开裂荷载;由于配筋率提升有利于发挥RPC的受压塑性,当碳纤维增强复材(CFRP)配筋板的配筋率从1. 27%提升到1. 78%,其极限承载力和延性指标分别提高了18. 5%和22. 0%;由于受压区配置约束能提高RPC的峰值压应变和极限压应变,与不配置受压区约束的试件相比,配置BFRP栅格约束的试件的承载能力以及延性指标分别提高17. 9%和33. 9%。

碳纤维增强复材加固钢筋混凝土轴压圆柱可靠度评估与规范评价

以碳纤维增强复材(CFRP)包裹钢筋混凝土圆柱为研究对象,利用设计点(JC)法对GB 50608—2010《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》中轴压构件的设计方法进行可靠度评估,并进行了主要参数对可靠度指标的影响分析。研究结果发现:圆柱直径和混凝土强度对平均可靠度指标几乎没有影响;钢筋强度、钢筋配筋率和FRP强度对平均可靠度指标的影响较小,而FRP用量的影响则相对较为明显,且呈现出随着FRP用量增大而增大的变化趋势;平均可靠度指标随着荷载效应比的增大先逐渐增大,而当荷载效应比大于2.0后则变得平缓;对于住宅和办公楼活荷载,CFRP加固钢筋混凝土圆柱的平均可靠度指标分别为4.40和4.53,均比现行的GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中普通钢筋混凝土轴压构件的可靠度指标大约低0.8。为能够获得与GB 50010—2010中轴压构件同等的可靠度水平,对原有的承载力计算式提出了修正建议。

大应变纤维增强复材-混凝土-高强钢组合实心圆柱轴压试验研究

纤维增强复合材料(FRP)被越来越广泛应用于土木工程的新建结构中,FRP与传统建筑结构材料(混凝土或钢材等)组合形成的组合柱是最常见的形式之一。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET) FRP是一种基于回收旧塑料的环保型大应变FRP。通过试验研究了PETFRP-混凝土-高强钢组合实心圆柱在单调与往复轴压荷载作用下的力学性能,试验参数为PETFRP层数和加载方式。试验研究结果表明:PETFRP-混凝土-高强钢组合实心圆柱具有显著的承载力和变形能力,PETFRP管、混凝土与内钢管存在良好的相互作用,试件中内钢管的屈曲破坏被有效限制,使其屈服后强度被充分利用。单调轴压下组合柱荷载-应变曲线为具有单调上升趋势的双线性曲线,循环轴压下荷载应变曲线能够较好地与单调轴压下试件的包络线重合。指定卸载应变处多次循环加载时,塑性应变表现出累积效应,循环增加导致在指定卸载应变处恢复应力下降和极限轴向应变降低。

温升作用下碳纤维增强复材绞线型拉索抗冲击性能的试验研究

为研究温度作用对碳纤维增强复合材料(CFRP)绞线抗冲击性能的影响,对4组CFRP绞线试件在20,40,60,80℃温度下进行了横向落锤冲击试验。结果表明:随着温度的升高,CFRP绞线的纵向裂纹长度降低;当温度由20℃升高至80℃,由于树脂基体的软化,CFRP绞线在断裂时刻的侧向位移提高了22. 5%;由于温升作用降低了CFRP绞线内部的应力集中,促进了绞线内部应力的均匀分布,使得其最大纵向索力、最大冲击力和总吸收能量分别提高了4. 76%、19. 3%和43. 4%。

玄武岩纤维增强复材约束的玄武岩纤维混凝土的力学性能

纤维增强复材(FRP)约束混凝土可以极大地改善混凝土的力学性能,目前已获得了一定应用。然而,FRP约束混凝土容易出现脆性破坏,在一定程度上限制了其在一些领域的应用。基于此,提出以玄武岩纤维增强复材(BFRP)约束混凝土的同时在混凝土中加入短切玄武岩纤维(BF),以改善混凝土的力学性能。通过改变BFRP层数、BF掺量,研究BFRP约束玄武岩纤维混凝土力学性能的变化规律。结果表明:BFRP约束混凝土的抗压强度与最大弯曲抗力会随着BFRP层数增加而增加;掺加BF不仅可以提高混凝土的强度,还对混凝土起到增韧阻裂作用,使混凝土破坏形式由脆性破坏向塑性破坏转变;当纤维体积掺量为0.1%时,增韧阻裂和增强效果最好。因此,在BFRP约束混凝土中加入BF不仅可以改善其力学性能还可以改善其破坏形式。

钢筋-纤维增强复材筋梁式转换层结构低周反复荷载试验

为研究钢筋-纤维增强复材筋梁式转换层结构的抗震性能,进行了4榀双肢短肢剪力墙梁式转换层结构低周反复加载试验。对比分析了不同配筋形式梁式转换层结构在低周反复荷载作用下的破坏过程、滞回特性、骨架曲线及各构件加劲材料的应变分布规律,探讨了转换梁的刚度退化和延性性能。试验结果表明：1） 4个试件的屈服破坏机制均属于延性破坏; 2）钢筋-纤维增强复材筋梁式转换层结构的承载能力优于全钢筋试件; 3）钢筋-纤维增强复材筋转换梁结构延性系数均大于3,具有较好的抗震性能; 4）钢筋-纤维增强复材筋梁式转换层结构破坏模式和刚度退化趋势与全钢筋试件基本一致。

碳纤维增强复材-混凝土密拼双向叠合楼板静载试验研究

为了解决装配式混凝土双向叠合板的预制底板需要预留外伸钢筋,现场设现浇带接缝方式施工效率低、成本高的问题,在普通密拼接缝的研究基础上提出了板底跨缝粘贴碳纤维增强复材条带的密拼接缝方式。通过6块四边简支的矩形单缝密拼双向叠合楼板静载对比试验,从受力特点和破坏形态、承载特性、变形能力三个方面研究了碳纤维增强复材-混凝土密拼双向叠合板的受弯性能。研究结果表明:四边简支的密拼混凝土叠合板均能实现双向传力,未出现拼缝处裂缝集中的现象;碳纤维增强复材有效参与截面受力,对提高构件的开裂荷载、使用状态试验荷载值贡献明显,能使叠合板抗弯刚度提高25%,对板底拼缝的约束作用非常明显;使用聚合物砂浆填充板缝可增强结构整体性,使叠合板抗弯刚度提高23%,减小板底拼缝宽度增加量。

反复荷载作用下纤维增强复材筋-钢筋混凝土剪力墙的抗震性能

剪力墙是高层和超高层建筑物的主要抗侧力构件,对建筑结构的抗震性能至关重要。采用ABAQUS有限元分析软件对7个轴压比分别为0.2、0.3和0.4的纤维增强复材(FRP)筋-钢筋混凝土剪力墙进行反复荷载作用下的拟静力分析,研究轴压比和FRP筋力学性能对剪力墙的滞回性能、骨架曲线、抗震性能和残余变形等的影响,对剪力墙的损伤分布特征进行了对比分析。结果表明:剪力墙边缘构件配置FRP纵筋能够有效控制混凝土剪力墙的残余变形,改善剪力墙的延性,促进筋材与混凝土的共同工作,采用的FRP筋强度和弹性模量越高,效果越明显,但墙体的耗能能力有所降低;随着轴压比的增加,配有FRP筋的剪力墙的极限承载力逐渐增大,极限承载力对应的位移减小,墙体延性降低,墙体残余变形逐渐增大,且当轴压比小于0.3时,轴压比对墙体残余变形的不利影响较小,轴压比大于0.3时,轴压比对墙体残余变形的不利影响急剧增加。

跨中顶撑预应力碳纤维增强复合材料板加固钢筋混凝土梁的试验研究

针对预应力碳纤维增强复材(CFRP)板加固钢筋混凝土梁开展了一系列试验研究,对比了现有的外贴预应力加固法和新型跨中顶撑张拉加固法对未损伤梁及损伤梁的加固效果。试验结果表明,新型跨中顶撑张拉加固法可有效提升被加固混凝土梁的开裂荷载和极限承载力,开裂荷载最大提升100%,承载力最大提高48%,均优于传统的外贴预应力加固法。同时,新型加固方法实现了较好的延性,使得用高强弹脆性材料加固的混凝土梁在受弯中产生了较长的屈服平台,为进一步研究高性能材料在结构中的应用提供了参考。

超高性能混凝土板加固足尺钢筋混凝土梁抗剪性能

为进一步研究超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)预制板加固钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁的抗剪性能,开展了3根足尺RC梁的试验研究,包含1根对比梁和2根UHPC预制板加固梁,关注UHPC板及其内嵌CFRP板条对RC梁抗剪性能的影响。试验结果表明:试验梁均发生受剪破坏,但加固梁的承载力、刚度和延性均明显提高,其中,因内嵌CFRP板条提高了UHPC板的抗裂性能,极限荷载及对应位移分别提高了30.8%和28.5%;螺杆力学锚固发挥了侧向约束作用和销栓作用,在一定程度上提高了UHPC板的贡献。同时,通过建立非线性有限元模型对试验梁进行了数值分析,模拟结果与试验结果吻合度高,表明模型所选的本构关系及相关参数合理,可用于预测UHPC板加固RC梁的全过程受力行为。