CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱试验研究

通过对10根CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱和用于对比的5根圆钢管混凝土轴压短柱承载力的试验研究,初步探讨CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱的受力性能以及CFRP对圆钢管混凝土轴压短柱承载力的提高效果。分析了钢管约束指标和CFRP筒约束指标等对CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱承载力的影响。研究结果表明:在本次试验的参数范围内,外包CFRP可以有效提高圆钢管混凝土轴压短柱的承载力;CFRP对圆钢管混凝土轴压短柱承载力的提高率近似随着CFRP筒约束指标的增加而线性增加;在其它条件相同的情况下,钢管约束指标越大,承载力提高率越小;承载力提高率随着约束指标比的增加而增加;如果粘结良好,在破坏前,CFRP筒和钢管可以保持协同工作。

CFRP-钢管砼轴压短柱受力性能分析

以试验为基础,对CFRP-钢管混凝土轴压短柱的受力性能进行了分析。首先按不同阶段分析了该类构件的作用机理,然后给出了混凝土、钢管以及CFRP筒的应力途径。以此为依据,确定了该类构件典型的应力-应变曲线,并将其划分为若干阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化段以及下降段;与钢管混凝土轴压短柱的应力-应变曲线相比,CFRP钢管混凝土轴压短柱的应力-应变曲线的最大特点是在达到极限承载力之后,都要经历一个下降段。探讨了该类构件承载力的简化计算方法,并建议采用极限平衡法求解。

圆CFRP-钢管约束混凝土轴压力作用下的本构关系

目的进行圆CFRP-钢管混凝土轴压短柱的受力全过程分析以及圆CFRP-钢管混凝土构件的承载力简化计算,研究圆CFRP-钢复合管约束混凝土在轴压力作用下的本构关系.方法以试验研究为依据,对已有的圆钢管约束混凝土在轴压力作用下的本构关系进行修正,给出回归表达式以及简化式.结果得到了圆CFRP-钢复合管约束混凝土在轴压力作用下的本构关系表达式以及简化式.结论圆CFRP-钢复合管约束混凝土在轴压力作用下的本构关系可以划分为三阶段:弹性阶段,弹塑性阶段和下降段.

圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构的研究

总结了国内外关于圆截面钢管混凝土结构和FRP筒内填钢筋混凝土结构的研究与应用现状,指出了两种结构体系的若干不足,在此基础上,提出了CFRP-钢复合管混凝土结构的研究设想;分析了CFRP-钢复合管混凝土结构实际应用的可行性,探讨了CFRP-钢复合管混凝土结构的一些关键技术问题及解决措施;最后,指出了CFRP-钢复合管混凝土结构的应用前景.

圆截面CFRP-钢管砼轴压短柱静力性能研究

目的了解圆截面CFRP-钢管混凝土轴压短柱在不同阶段各个组成部分的作用机理和静力性能,以及该类构件承载力简化计算方法.方法以试验为基础,对该类构件开展理论研究.结果给出了混凝土、钢管以及CFRP筒的应力途径;确定了该类构件典型的应力-应变曲线,并将其划分为若干阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化段以及下降段.结论CFRP-钢管混凝土轴压短柱的应力-应变曲线与钢管混凝土轴压短柱的应力-应变曲线相比的最大特点是在试件达到极限承载力之后,都要经历一个下降段,建议采用极限平衡法求解圆截面CFRP-钢管混凝土轴压短柱的承载力.

CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的轴压力学性能

对8根碳纤维增强复合材料(CFRP)-圆/方钢复合管约束型钢高强混凝土(C-C/STCSRC)短柱和4根CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土(C-CTSRC)短柱进行了轴压试验,分析了CFRP约束效应系数、钢管截面形式以及钢管受力性能对CFRP-圆/方钢复合管约束型钢高强混凝土(C-C/STCSRC)轴压短柱力学性能的影响。结果表明:CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土(C-CTCSRC)轴压短柱的极限承载力提高率随着约束效应系数的增加呈指数形式增长;在柱核心混凝土截面面积相同时,CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土(C-CTCSRC)轴压短柱的极限承载力比CFRP-方钢复合管约束型钢高强混凝土(C-STCSRC)轴压短柱的极限承载力高50%以上;在弹性工作阶段,CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土(C-CTSRC)柱的弹性模量高于CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土(C-CTCSRC)柱的弹性模量;CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土(C-CTCSRC)柱的极限承载力高于CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土柱的极限承载力;CFRP与钢管黏结良好时,CFRP与钢管能够协同工作。

圆CFRP-钢复合管内填砼构件的受弯性能研究

对16根圆CFRP-钢复合管内填砼受弯构件以及4根圆钢管砼受弯构件开展静力试验并分析实验结果。对于未包裹纵向 CFRP的试件,其荷载-跨中挠度曲线类似于对应的圆钢管砼构件的曲线;对于包裹纵向CFRP的构件,其荷载-跨中挠度曲线可以划分为以下几个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和下降段。圆CFRP-钢复合管内填砼受弯构件的延性要好于圆FRP筒内填混凝土受弯构件。对于具有相同钢管约束效应系数的试件,承载力提高率随着纵向CFRP层数的增大而增大。从加载之初直到最大承载力,钢管和CFRP筒在环向和纵向都可以协同工作。纵向受压最大点的环向拉应变最大,纵向受拉最大点的环向压应变最大, 纵向受拉最大点的钢管对核心砼没有套箍作用。从加载之初直到大约0．8倍的极限承载力,试件纵向应变沿截面高度的分布基本符合平截面假定。纵向CFRP可以显著提高试件的刚度。

CFRP-钢复合管约束UHPC轴压短柱试验研究

为研究纤维增强复合材料-钢管复合约束超高性能混凝土短柱的轴压承载力和变形性能,对9个纤维增强复合材料CFRP-钢复合管约束超高性能混凝土短柱、3个钢管约束超高性能混凝土短柱和2个芳纶布约束超高性能混凝土短柱进行了轴心受压试验。结果表明:碳纤维布-钢复合管约束超高性能混凝土短柱荷载-轴向变形曲线的形状与套箍系数有关,随着套箍系数增大,曲线形状依次呈现为抛物线形、双峰值形、多段线性形;峰值荷载时,当套箍系数ξ≤1.126,碳纤维布的断裂面积约为66.7%;当ξ>1.126,碳纤维布的断裂面积为34.8%;碳纤维布对于改善柱变形能力效果显著。最后根据试件实际约束强度,建立了碳纤维布-钢管复合管约束超高性能混凝土短柱的轴压承载力和峰值应变的计算公式,理论计算值与试验值吻合较好。

湿热对胶黏剂及CFRP-钢接头力学性能的影响

为探索湿热耦合作用对胶粘CFRP加固钢结构界面耐久性的影响,基于团队研制的纳米材料增韧环氧胶黏剂,对胶黏剂胶体及CFRP-钢双搭接接头在20、55、70℃水环境下进行了30、60 d的加速老化试验,测试胶黏剂胶体浸泡后的动态力学性能、拉伸性能和CFRP-钢双搭接试件浸泡后的力学性能,并与未浸泡试件的试验结果进行比较,分析湿热温度和浸泡时间对胶黏剂及CFRP-钢双搭接接头力学性能的影响规律。研究结果表明:20℃的水浴浸泡下,胶黏剂的拉伸强度与玻璃化转变温度随浸泡时间呈下降趋势,浸泡60 d的拉伸强度与玻璃转化温度分别下降16.3%、7.6℃;55、70℃水浴浸泡30 d,胶体拉伸强度变化较小,玻璃转化温度升高11.5℃;70℃水浴浸泡60 d,拉伸强度下降27.8%。经20、55、70℃水浴浸泡30 d后,CFRP-钢双搭接接头极限荷载较初始值分别下降了2.13%、8.13%、11.83%。接头强度的退化原因主要是湿热老化,其降低了CFRP板/胶层界面及钢/胶层界面的黏结强度。

低龄期下CFRP-钢界面黏结性能试验研究

对低龄期下CFRP-钢双剪试件进行了轴向拉伸试验,研究了不同养护时间下CFRP-钢黏结界面峰值滑移量、黏结刚度、有效传力长度及极限承载力的变化规律.试验结果表明：CFRP-钢界面峰值滑移量随养护时间的增加而减小;养护1 d时界面具有比较稳定的承载力和维持自身稳定的刚度;养护3 d内强度和刚度迅速增加,有效传力长度迅速减小,5-7 d内各参数趋于稳定,由此认为合理养护时间应不少于3 d.基于此,推算出CFRP-钢界面的养护时间建议值及不同低龄期下CFRP-钢黏结承载力计算公式,为CFRP在钢结构中的加固设计提供依据.

具有荷载作用历史的CFRP-钢界面粘结性能试验

为研究荷载作用历史对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构界面粘结性能的影响,开展4种界面剪应力水平、6种持载时间的CFRP-钢双剪试件长期加载试验,对达到规定加载时间的试件进行静力拉伸破坏.根据CFRP轴向应变数据,给出了界面剪应力分布及粘结滑移曲线,考虑到界面蠕变损伤对粘结滑移本构关系的影响,在双线性模型中引入系数β、η、γ,回归分析得到了这3个系数的表达式.结果表明:胶黏剂的蠕变变形会引起界面应力重分布,随着时间的增加CFRP应变增大,界面剪应力峰值减小;加载90 d后,在12.5 mm处B组、C组、D组、E组试件界面剪应力分别减小了26.6%、59.2%、73.8%、85.4%;当界面剪应力水平较高时,应考虑界面蠕变损伤对粘结滑移曲线的影响,界面剪应力水平越高持续时间越长,蠕变损伤越显著;当CFRP粘贴长度大于有效粘结长度时,界面蠕变损伤对极限承载力没有明显影响.

CFRP-钢胶接界面分层损伤区域的Lamb波传播特征研究

针对CFRP-钢板的胶接界面分层损伤,通过仿真位移云图研究了Lamb波在分层损伤区域的传播反射过程,分析了分层长度对损伤回波的影响,设计试验对仿真结论进行了较好的验证;仿真提取分层上下界面节点的位移曲线分析了Lamb波高次谐波的产生原因,研究了分层深度位置、长度和激励幅值对非线性特征的影响。研究显示Lamb波对分层的退出端更加敏感且在分层区域较薄一侧有驻波产生,波的反射系数和非线性系数均随着分层长度的增加而呈振动变化趋势,当分层位置在近表面或者板厚的对称中心时,非线性特征较不明显。为Lamb波在CFRP-钢胶接界面分层损伤中的检测应用提供了重要参考。

圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构分析

圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构自身的整体结构特点较为特殊,因此在对其进行研究的过程中,对其结构进行深入分析。在本文中,将基于圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构出发,结合FRP技术的应用,来完成对圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构的可行性分析,从而保障其在实际应用过程中的效果。

珊瑚海砂海水混凝土中CFRP-钢复合筋搭接性能

为研究珊瑚海砂海水混凝土(CSSC)中碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢复合筋(简称“复合筋”)搭接连接受力性能,合理确定CSSC中复合筋的搭接长度,以复合筋直径、搭接长度、保护层厚度、混凝土强度、搭接净距、配箍率、混凝土及筋材种类为试验参数,对27组共81个搭接连接试件进行了对拉试验,获得了各试验参数对CSSC中复合筋搭接连接性能的影响规律。结果表明:当搭接长度小于17倍复合筋直径(d_(c))时,试件发生拔出-劈裂破坏,反之则发生拉断破坏。发生拔出-劈裂破坏时,复合筋表面出现严重的剪切损伤;当搭接长度小于14dc时,试件的搭接强度约为7.2 MPa,当搭接长度大于14d_(c)时,试件的搭接强度随搭接长度的增大逐渐减小;保护层厚度大于4d_(c)或CSSC轴心抗压强度大于30 MPa后,试件搭接强度的变化基本上可以忽略;增大配箍率,搭接强度逐渐增大,且劈裂裂缝的宽度显著减小;与钢筋试件相比,复合筋试件搭接强度的降幅超过25%。基于试验结果,建立了CSSC中复合筋搭接强度及搭接长度计算公式,计算结果与试验结果相符,并参考《混凝土结构设计规范》简化了搭接长度的计算公式。

CFRP-钢复合筋与珊瑚海砂海水混凝土黏结性能试验研究

为研究碳纤维布包裹钢复合筋(CFRP-钢复合筋,简称“复合筋”)与珊瑚海砂海水混凝土(coral sea-sand seawater concrete,CSSC)的黏结性能,进行15组共45个黏结试件的单向拔出试验,得到复合筋与CSSC的界面黏结破坏机理,分析复合筋直径、黏结长度、保护层厚度、混凝土强度、混凝土及筋材种类对黏结性能的影响。试验结果表明:区别于钢筋,由于外覆层FRP抗剪性能差造成界面滑移后复合筋表面发生剪切损伤,界面层混凝土的破碎程度更小;随着复合筋直径及黏结长度的增大,界面的黏结强度逐渐降低;混凝土保护层小于4倍复合筋直径dc时,增大混凝土厚度可有效提高黏结强度,但混凝土保护层大于4dc后增强效果大幅减弱;与嵌入复合筋试件相比,嵌入相同直径钢筋试件的界面黏结强度增大了17.9%;与普通混凝土(NC)试件相比,CSSC试件的界面黏结强度增大了23.8%,但劈裂破坏界面上CSSC的粗骨料断裂程度远高于NC。基于试验结果及收集到的同类研究结果,提出了复合筋与CSSC的黏结强度计算式,其在大样本量下具有良好的计算精度,并通过确定界面黏结系数K的取值范围,建立临界锚固长度的计算式。为反映预测曲线的全过程,建议采用mBPE模型全面准确地描述复合筋与CSSC间的黏结应力-滑移关系。

圆CFRP-钢复合管约束混凝土短柱轴压试验研究

CFRP材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀和耐久性好等特点,但在新建建筑中应用CFRP管混凝土柱施工复杂,成本高昂,而采用在薄壁钢管外缠绕CFRP布,用钢管作为CFRP布的施工模板,可大大简化施工过程,且能满足对柱子截面形状的要求,应用前景广阔。该文通过对圆CFRP-钢复合管约束混凝土短柱的轴压静力性能进行试验研究,对比并建议了圆CFRP-钢复合管约束混凝土短柱的轴压承载力计算方法,可供实际工程设计参考。

基于力学与造价的CFRP-钢组合拉索斜拉桥设计理论

针对1 400～2 800m主跨斜拉桥整体刚度不足的问题,提出一种新型结构方案——碳纤维增强塑料(CFRP)-钢组合拉索斜拉桥。该方案将CFRP斜拉索与传统钢斜拉索同时应用于斜拉桥中,组合2种材料高强轻质及弹性模量高的优点,以达到提高斜拉桥整体刚度的设计目的。通过基于力学与造价的参数分析提出该组合拉索斜拉桥的3种设计原则:等安全系数等效刚度最优、等安全系数等效刚度性价比最优、等造价等效刚度最优,并分别给出详细的设计步骤及设计用图。最后,进行了多种方案1 400m主跨斜拉桥试设计。结果表明:CFRP-钢组合拉索斜拉桥在力学与经济性方面均具有一定优势,其工程应用具有可行性,是主跨为1 400～2 800m斜拉桥的优选方案之一。

CFRP-钢层状复合结构的表面划痕损伤容限

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢层状结构在实际运营过程中,脆性碳纤维层容易出现划痕等表面损伤,因此为了保障损伤后复合结构的安全运行,需要对其进行损伤容限研究。基于边界效应理论模型(Boundary effect model,BEM),建立了表面划痕损伤后的CFRP-钢层状结构三点弯曲断裂强度解析模型,并在CFRP表面分别预制了0.2 mm和0.4 mm深度的表面初始划痕缺陷,通过三点弯曲梁的成组试验验证了理论模型的可行性。研究结果表明:(1)利用金相显微镜观测了CFRP-钢层状结构三点弯曲极限荷载时的断裂特征,确定了表面划痕损伤后CFRP的结构特征参数C_(ch),代入解析模型获得了CFRP层的拉伸强度,并与CFRP直接拉伸试验测试的拉伸强度对比,两者偏差小于10%;(2)该解析模型为“断裂荷载=拉伸强度×等效面积”的线性方程形式,“等效面积”仅与CFRP-钢层状结构和表面裂纹的几何参数有关,因此,通过CFRP的直接拉伸强度可以预测表面损伤后CFRP-钢层状结构的断裂强度,实现损伤容限设计。

圆CFRP-钢复合管约束高强混凝土短柱轴压试验研究

为研究圆CFRP-钢复合管约束高强混凝土短柱轴压受力性能,进行了6个CFRP-钢复合管约束高强混凝土(CFRPsteel composite tubed high-strength concrete,C-STC)柱和2个CFRP约束高强混凝土(CFRP-confined high-strength concrete,CC)柱、1个钢管约束高强混凝土(steel tubed high-strength concrete,STC)柱对比试件的轴压试验研究,得到了试件轴向荷载-位移曲线和CFRP及钢管的应变。结果表明:C-STC柱在轴压荷载作用下发生剪切破坏;约束模式对其前期刚度影响较小,相同CFRP层数的C-STC柱和CC柱的荷载-位移曲线第二线性段斜率近似相等;随着CFRP层数增多,短柱承载力和变形能力均能得到提高;钢管应力分析表明,STC柱钢管在峰值荷载附近屈服,C-STC柱钢管约在荷载-位移曲线第二线性段起点处屈服,钢材强度得到充分发挥。结合试验结果对已有文献中约束混凝土强度计算模型进行验证,并给出了建议的CSTC柱承载力计算式。

接触压力下CFRP板-钢界面摩擦系数试验研究

CFRP板-钢界面摩擦系数是预应力CFRP锚具锚固性能的关键参数,为增大摩擦系数以提高锚固效率,首先采用抛光处理、化学腐蚀和滚花等得到不同粗糙度的钢夹片表面,然后对CFRP板-钢夹片界面在20~100MPa的接触压应力下的摩擦行为进行静力张拉试验,分析不同CFRP板厚、钢表面粗糙度和接触压力的CFRP板-钢夹片的摩擦力-滑移曲线和界面磨损情况,得到CFRP板-钢界面的静、滑动摩擦系数。结果表明,短期力学试验条件下静摩擦系数实测值范围为0.11~0.33,滑动摩擦系数较小,范围为0.04~0.31。接触压力作用下钢夹片表面粗糙颗粒对CFRP表面产生的犁沟效应是摩擦力的来源,而随着CFRP板-钢界面磨损量增加,滑移后产生自润滑效应,导致滑动摩擦系数减小。摩擦系数主要取决于CFRP板厚、接触面粗糙度和接触压力的相互匹配,较厚CFRP板具有较大的摩擦系数。