超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁受弯性能研究

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)由于较高的强度和耐久性可作为理想的加固材料。首先基于已有试验结果,研究了可合理考虑加固层和混凝土梁接触面间黏聚力接触的UHPC加固钢筋混凝土梁精细有限元模型建模方法。在此基础上,建立了162个加固梁的有限元模型进行了数值模拟分析,研究了不同加固筋截面积、加固层厚度以及加固层有无拼缝等关键参数对构件破坏模式和承载力的影响规律。研究结果表明:考虑黏聚力接触的数值模型可以较好地模拟UHPC加固钢筋混凝土梁的受弯性能;加固层厚度与加固筋截面积均会影响试件破坏模式与承载力提升幅度,但对于含拼缝试件,加固层厚度对上述性能影响较小。

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。

超高性能海水海砂混凝土单轴受压应力-应变关系

为研究超高性能海水海砂混凝土(Ultra-High Performance Seawater Sea-sand Concrete,UHPSSC)轴压应力-应变关系,探究钢纤维体积掺量对UHPSSC轴压力学性能和轴压应力-应变全曲线的影响,使用Instron 1346万能材料试验机测得UHPSSC应力-应变全曲线,借助Pycharm曲线拟合程序与已有混凝土应力-应变全曲线模型进行拟合与修正.结果表明:钢纤维掺量越高,轴压作用下UHPSSC的破坏程度越小,抗压强度和峰值应变也随之增加;已有模型拟合的UHPSSC应力-应变全曲线上升段与试验曲线比较相近,下降段后期差距较大;通过修正下降段形状参数,得到了更适用于描述UHPSSC应力-应变全曲线的修正模型,并验证该修正模型的适用范围.

三维石墨烯-碳纳米管对超高性能混凝土机敏性能的影响

本工作探索了掺加三维石墨烯-碳纳米管(Graphene-CNT,GC)的超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete, UHPC)复合材料的机敏性能,基于四电极法分析了不同GC掺量、加载幅度、加载速度、温度和含水率对UHPC的电阻率变化规律的影响。研究结果表明:GC掺量对UHPC的28 d抗压强度影响不大;UHPC电阻率随着GC掺量的增加逐步降低,含有2.0%(质量分数,下同)GC的UHPC电阻率较R组下降了55.1%;UHPC试件电阻率随内部相对含水率的增加而降低,且二者存在线性关系;UHPC的电阻率随温度的升高而降低,电阻率的自然对数与绝对温度的倒数呈线性关系;UHPC电阻率变化率幅值随着加载幅度增大而增加,表现出良好的压敏特性,1.2%GC掺量下UHPC试件的压缩应力和应变灵敏系数分别达到0.2%/MPa和85.2。

拼接成型UHPC免拆模板钢筋混凝土柱的抗震性能

为研究超高性能混凝土(UHPC)免拆模板钢筋混凝土(URC)柱的抗震性能,选取UHPC免拆模板拼接方式和表面处理方式为试验设计参数,制作并完成了9个URC柱和1个钢筋混凝土(RC)柱的拟静力加载试验。模板拼接方式为螺栓加角钢连接、螺栓连接和环氧树脂砂浆连接;表面处理方式为光面处理、气泡膜印花处理和设肋处理,通过拟静力试验研究了模板拼接方式及表面处理方式对该类柱抗震性能的影响。此外,基于平截面假定,提出了URC柱的正截面偏压承载力计算式。结果表明:峰值荷载前,UHPC模板与核心混凝土黏结面无明显破坏,URC柱表现出良好的整体性,尤其是采用螺栓加角钢连接的URC柱,即使加载至极限位移时,也没有发生界面黏结失效破坏;与普通RC柱相比,URC柱的承载力提高了6.4%~43.3%,延性提高了11.4%~48.7%,耗能能力提高了27.7%~85.3%;三种连接方式中,采用螺栓加角钢连接的URC柱承载力最高,连接最可靠。最后,基于平截面假定提出的公式计算值与试验值吻合较好,可为工程应用提供参考。

含粗骨料超高性能混凝土的单轴受拉力学性能

考虑粗骨料掺量、钢纤维掺量及长径比等因素,研究了含粗骨料超高性能混凝土(UHPC-CA)的单轴受拉力学性能,揭示了纤维增强的机理和粗骨料的作用机制.结果表明:随着粗骨料掺量的增加,UHPC-CA的单轴抗拉强度与变形性能均下降;钢纤维掺量增加、长径比增大对UHPC-CA的受拉力学性能有较大的提升作用;钢纤维与基体间具有良好的握裹力,在基体内出现裂缝后,主要依靠握裹作用承受拉应力;粗骨料的掺入削弱了钢纤维空间分布的均匀性,同时引入了薄弱的粗骨料-基体界面过渡区,对UHPC-CA的受拉性能产生了不利的影响.

养护制度对超高性能混凝土力学性能的影响

为探究高温蒸养对超高性能混凝土力学性能的影响,试验对比研究了高温蒸养与标准养护下UHPC的抗压、抗折、直拉强度,测试UHPC在受压、弯、拉下的应力-应变曲线,并对其进行SEM电镜扫描。结果表明:高温蒸养可以提高UHPC的早期强度,但其后期强度难以提高甚至出现倒缩;高温蒸养下UHPC的抗折、抗拉强度及延性会有所降低,电镜扫描发现高温蒸养下UHPC内部钢纤维与基体间产生了微小缝隙,导致其粘结程度有所降低。

超高性能混凝土中纤维的界面效应及其与水泥基材的匹配性研究

为了解决超高性能混凝土脆性大和易开裂的问题,增加其抗拉强度和韧性,研究建立了室内试验模型,通过单纤维拉拔试验研究不同纤维类型和纤维埋置深度对水泥基材界面的黏结性能影响。结果表明,在相同的水泥基材料条件下,不锈钢纤维的抗拔荷载最大,束状单丝聚丙烯纤维的抗拔荷载次之,短切丝碳纤维的抗拔荷载远小于不锈钢纤维和束状单丝聚丙烯纤维,纤维类型对界面黏结强度、抗拔荷载影响规律一致;随着纤维埋置深度的增加,不锈钢纤维的和束状单丝聚丙烯纤维的最大拔出荷载均不断增加,而界面黏结强度均不断减小,短切丝碳纤维的最大拔出荷载和界面黏结强度变化不明显。

基于软化拉-压杆模型的超高性能混凝土剪力墙抗剪承载力研究

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)是一种高韧性、高耐久性的超高强水泥基复合材料,在工程中具有良好的应用前景。利用软化拉-压杆模型理论计算UHPC剪力墙的受剪承载力,采用了一种简便计算UHPC材料的受压软化系数计算式,该方法避免了传统方法计算软化系数时所需的迭代计算,同时又能考虑钢纤维对软化系数的影响。通过与UHPC低矮剪力墙低周反复荷载下的受剪承载力试验结果对比,计算结果与试验结果吻合较好。结果表明软化拉-压杆模型方法能够较好的计算UHPC剪力墙的受剪承载力。

超高性能钢筋混凝土与普通钢筋混凝土柱结构抗爆性能的比较研究

运用显式有限元动力分析软件LS-DYNA,建立了典型钢筋混凝土柱的三维有限元模型。该模型采用了钢筋混凝土的分离式建模,不考虑两者之间的粘结滑移而考虑混凝土材料的应变率效应。在有限元模型的基础上,通过对比超高性能钢筋混凝土柱与普通钢筋混凝土柱结构在爆炸荷载作用下的动力响应,研究了超高性能混凝土柱结构的抗爆性能。研究结果表明,与普通钢筋混凝土柱结构相比较,超高性能钢筋混凝土柱结构的抗爆性能有十分显著的提高。

玻璃纤维增强复合材料筋与超高性能混凝土之间粘结-滑移本构模型

为研究玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋与超高性能混凝土(UHPC)之间的粘结性能,故基于相关文献中153个拉拔试验和42个梁式试验的数据,系统分析了FRP筋直径、相对粘结长度、相对保护层厚度、超高性能混凝土抗压强度、FRP筋表面形态和试验方法对玻璃纤维增强复合材料筋粘结强度的影响规律,通过回归分析和区间预测提出了超高性能混凝土中玻璃纤维增强复合材料筋与粘结强度和锚固长度的计算公式。对比分析了已有FRP筋与普通混凝土之间的粘结-滑移本构模型,基于CMR模型提出了绕肋玻璃纤维增强复合材料筋与超高性能混凝土之间粘结-滑移本构模型的计算公式。上述公式计算结果与试验结果均吻合良好,并可为工程设计及后续研究提供依据。

钢-聚丙烯混杂纤维超高性能混凝土受压细观数值模拟

为深入研究钢-聚丙烯混杂纤维超高性能混凝土(hybrid fiber reinforced ultra-high performance concrete,HFR-UHPC)受压力学性能及纤维增强机理,本文利用ABAQUS软件建立了HFR-UHPC三维细观数值模型,对其轴心受压过程进行了数值模拟。通过对比轴心受压试验结果,验证了模型的合理性。在此基础上,拓展分析纤维掺量、长径比等参数对超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)受压特性的影响,进一步分析压力作用下纤维增强机理。结果表明:随着钢纤维体积掺量增加,超高性能混凝土损伤发展变缓,单轴受压峰值强度略有提高,峰后延性明显增加;钢纤维长径比对超高性能混凝土受压应力-应变曲线的影响较小,但是更长的纤维更好地发挥了阻裂作用;在超高性能混凝土单轴受压过程中,钢纤维在峰值点前主要发挥骨架作用,在峰值点后主要发挥阻裂作用。

超高性能混凝土拉压滞回本构模型

为合理进行超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)结构抗震非线性计算,提出了一种可模拟循环往复荷载作用下UHPC构件力学性能的拉压滞回本构模型。基于UHPC材料单调及重复轴压试验数据,在单调轴压本构模型的基础上,引入线性加卸载路径,建立了考虑钢纤维影响的UHPC重复受压本构模型。基于UHPC材料单调及重复轴拉试验数据,对应力软化型和应力硬化型的UHPC分别提出了双折线和三折线型的受拉应力-应变曲线,并建立了UHPC重复受拉本构模型。在重复受压和重复受拉本构模型的基础上,引入拉压传递机理,建立UHPC拉压滞回本构模型。基于OpenSees二次开发平台,采用文中所提拉压滞回本构模型对循环往复荷载下UHPC柱的力学性能进行计算,并与试验数据进行对比。结果表明:构建的UHPC拉压滞回本构模型可较好地模拟不同钢纤维掺量及不同轴压比下UHPC柱在循环往复荷载作用下的受力性能,可应用于UHPC结构抗震非线性分析。

超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁抗剪性能

为研究超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁的抗剪性能,采用不同厚度的超高性能混凝土对梁侧面进行加固,并对其进行单点静载试验。观察梁的破坏过程和破坏模式,并根据梁的荷载-应变曲线,分析超高性能混凝土加固层对钢筋混凝土梁承载力和刚度的影响;同时,采用数字图像相关法对试验梁的裂纹发展进行分析。结果表明:与未加固梁相比,加固梁的破坏形态由脆性剪切破坏转变为延性弯剪及弯曲破坏;随着加固层厚度的增加,加固梁开裂荷载、峰值荷载和变形能力明显提高;通过数字图像相关法,可以直接从试验梁表面获取变形和应变分布情况,并进一步预测试验梁表面裂缝位置及破坏形式。最后,建立了超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算公式,并与试验结果进行了对比,结果吻合较好。

高性能混凝土在钢桥面铺装中的应用研究进展

高性能混凝土因其优异的力学特性和耐久性能而具有广阔的应用前景,其中最受瞩目的是超高性能混凝土(UHPC)和应变硬化水泥基复合材料(ECC),将其与钢桥面板的组合是近年来桥梁工程中新材料应用的典型范例。通过对钢-高性能混凝土组合桥面板的静力抗弯性能、疲劳性能、界面抗剪性能和负弯矩区抗裂性能等方面的研究和相关设计规范进行了归纳总结,提出目前高性能混凝土在钢桥面铺装中应用亟待解决的系列问题,为相关领域的研究和工程应用提供参考。

焊钉布置对钢-超高性能混凝土组合桥面板收缩效应影响

为探究不同焊钉布置对钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板收缩效应的影响规律,进行了常温养护条件下焊钉间距分别为200 mm和300 mm的足尺节段组合桥面板收缩监测试验,并利用有限元分析软件对试验模型进行了收缩模拟,在此基础上开展了不同焊钉间距下组合桥面板收缩效应的参数化分析。试验监测结果表明:试验中UHPC初凝时间约为17 h。钢-UHPC组合桥面板边缘区域UHPC收缩量较中心区域更大,前72 h最大收缩量约为450×106;当焊钉间距从200 mm增加到300 mm后,UHPC受整体约束减弱,其中钢板约束作用下降,最大压应变减小约51.6%;钢筋约束作用增强,最大压应变值增加约42.9%。有限元分析表明:UHPC与钢板端部界面处应变差增加20.9%,滑移最大处焊钉剪应力增加64.7%。参数化分析可知:当焊钉间距从100mm增加至400 mm时,跨中UHPC拉应力减小3.7%;跨中钢板压应力减小17.8%,钢筋压应力增加86.3%。以上结果表明焊钉间距增加使钢与UHPC之间组合作用减弱的同时,引起了结构次内力的分布变化,UHPC与钢结构的次内力减小,钢筋承担的约束作用增强,压应力增大。适当地增加焊钉间距可以减小收缩引起UHPC拉应力和钢结构次内力,但需要注意组合作用减弱对力学性能的影响。

免蒸养超高性能混凝土-既有混凝土界面粘结性能试验研究

免蒸养超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)在常温养护下具有超高强、超耐久等优异性能,其与普通混凝土(Normal concrete,NC)界面的粘结性能是保证免蒸养UHPC加固NC结构获得良好性能的重要因素。为研究免蒸养UHPC-NC界面粘结性能,设计直剪试验,分析免蒸养UHPC龄期、NC强度、NC表面处理方式和界面粘结剂对界面粘结性能的影响,提出了免蒸养UHPC-NC界面粘结-滑移本构模型,并给出相关刚度系数建议值。结果表明:免蒸养UHPC-NC试件界面破坏模式主要分为粘结界面破坏、粘结界面和NC破坏、NC破坏及NC和UHPC破坏;刻槽组较凿毛组试件具有明显的开裂阶段,表现出一定的延性且具有更高的粘结强度,最大提高量为183.7%;界面使用SiKa 32LP结构胶时,其粘结强度为4.91 MPa,是其他界面粘结剂试件粘结强度的两倍以上。因此,当采用免蒸养UHPC加固NC构件时建议NC表面刻槽和采用SiKa 32LP结构胶。

纤维网格复合超高性能混凝土加固RC梁抗剪性能试验研究

为研究纤维网格复合超高性能混凝土(UHPC)加固钢筋混凝土梁的抗剪性能,对2根UHPC加固梁、4根纤维网格复合UHPC加固梁及2根未加固梁进行静力试验,研究剪跨比、UHPC厚度和纤维网格层数对钢筋混凝土梁破坏形态、荷载-挠度曲线、受剪承载力以及延性的影响。结果表明:采用UHPC对钢筋混凝土梁进行抗剪加固,可以明显改善梁的破坏形态,提高梁的受剪承载力;采用UHPC对钢筋混凝土梁进行抗剪加固,可以显著提高梁的开裂荷载,提升幅度为150%~216%;采用纤维网格复合UHPC加固的梁,延性系数大幅增加。最后,利用桁架-拱模型,推导了纤维网格复合UHPC加固钢筋混凝土梁的受剪承载力计算公式,计算值与试验值吻合较好。

超高性能混凝土(UHPC)加固受损钢筋混凝土桥面的受弯性能及承载力预测

对在现场破损桥面进行加固的基础上,采用高温蒸汽和常温养护的方法,对钢筋超高性能混凝土(UHPC)层加固成鳞破损桥面进行了抗弯试验。研究了正弯矩和负弯矩作用下RC-UHPC复合材料的抗裂性能、极限承载力、变形特征和破坏模式,结果表明:在受拉面设置UHPC后,复合材料的抗裂性能和极限承载力分别提高了2.5倍和2倍左右;而受压面超高强混凝土板的抗裂性能没有变化,极限承载力比完整混凝土板高30%。同时,钢筋混凝土板中钢筋的刚度也随拉应力的增大而明显增大,加固后各板的刚度均减小;超高延性和超高强混凝土的应变硬化特性抑制延缓了混凝土板中裂纹的扩展。依试验结果和破坏模式,建立了UHPC-RC板的开裂和极限抗弯承载力的解析表达式,对方程的适用性进行了验证,在某斜拉桥主梁破损桥面加固设计中得到了有效的应用。

高性能钢筋混凝土板在变化温度场下的性能研究

高性能钢筋混凝土板在抵抗拉弯、压弯方面表现出明显的力学优势,一般被制作为楼板进行工程应用。当混凝土板内部有非稳定温度场存在时,特别是有外部温度场的传入,板的力学性能会有显著的变化,其中最主要的问题就是温度场的变化以及温度场在高性能混凝土板中的传递机制。本文研究高性能钢筋混凝土板温度场的解析解以及温度场的变化特点。