内嵌钢丝GFRP-FBG智能复合筋的研制及其性能分析

目的研究一种新型玻璃纤维增强(GFRP)-光纤光栅(FBG)智能复合筋的制备方法及其力学和感知特性,为了改善FRP筋的弹性模量低,安全性能差的缺点.方法根据单向混杂纤维FRP筋制备原理,将多根细钢丝和光纤传感元件内嵌于GFRP筋中设计一种新型的内嵌钢丝GFRP智能复合筋结构,阐述其结构及制作工艺,并对其力学及感知特性进行了试验研究.结果给出了新型智能钢绞线的制备方法.通过试验确定新型智能筋的弹性模量与普通GFRP智能筋相比有所提高,内嵌2根、3根、4根钢丝的智能筋弹性模量分别提高了3.1%、5.8%、8.0%;应变感知线性相关系数为99.973%,内嵌2根、3根和4根钢丝的智能筋灵敏度系数分别为每应变1.12 pm、1.14 pm和1.18 pm.内嵌钢丝GFRP智能筋具有良好的力学特性,其弹性模量较普通GFRP复合筋有所提高;智能筋的应变和温度感知特性较好,应变感知灵敏度系数与GFRP智能筋相近,并与传统传感器监测结果相吻合.结论验证了该内嵌钢丝GFRP智能筋兼具受力与传感特性,适合于实际工程应用需要.

GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁开裂性能试验

为了研究GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的开裂性能,设计了5根GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁试件,并对混凝土梁试件进行三分点静载试验研究,试验变量为混凝土梁截面尺寸和混凝土保护层厚度.在系统分析试验数据的基础上,提出GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁抗裂承载力与最大裂缝宽度的计算方法,并给出使用荷载作用下的裂缝宽度限值.

FRP筋混凝土梁裂缝宽度的计算方法

本文在本课题组和国外FRP筋混凝土梁试验结果的基础上,对我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)和《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191-96)中纵向钢筋相对粘结特性系数、钢筋混凝土梁裂缝截面内力臂长度系数以及考虑钢筋表面形状的系数进行修正,提出FRP筋混凝土梁最大裂缝宽度设计建议。与ACI440.1R-06相比,采用本文建议公式的最大裂缝宽度计算值与试验值更为吻合。

考虑黏结-滑移效应的FRP筋混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法

由于纤维增强聚合物(FRP)筋的弹性模量较低,FRP筋混凝土梁的设计状态通常采用其在正常使用极限状态下的裂缝宽度来控制,故准确预测最大裂缝宽度对FRP筋混凝土梁的设计及应用至关重要。FRP筋混凝土梁裂缝宽度的计算公式依然沿用我国《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608—2010)中的半经验计算公式,计算结果偏小。相较于经验公式,基于应力传递的数值计算模型可以充分反映开裂混凝土和FRP筋之间应力重分布的复杂特性。因此,在综合考虑FRP筋与混凝土间的黏结-滑移效应、裂缝间混凝土拉伸硬化效应以及材料非线性本构关系等问题的基础上,建立了FRP筋混凝土梁裂缝宽度计算的数值模型。数值分析中采用了两种黏结应力-滑移本构模型,通过对比可得,本构模型的选取对计算结果具有较大的影响。将数值模型计算结果与试验结果和按规范中公式计算的结果进行对比后发现:试验梁纯弯区短期平均裂缝宽度的模型预测结果与试验结果较为接近,两者比值的均值为0.92;按修正后的公式计算,结果更精确。

FRP筋混凝土简支梁试验研究

本文通过5根FRP筋和1根钢筋混凝土简支梁三分点加载试验,研究了使用阶段二者之间受弯力学性能的差异,得到了FRP筋混凝土梁的开裂荷载、裂缝分布特征、荷载—变形关系,并根据试验结果及理论分析,提出了FRP筋混凝土梁开裂弯矩计算公式,理论计算与试验结果及文献数据较吻合。

FRP筋异强混凝土叠浇梁挠度与延性研究

为提高纤维增强聚合物(FRP)筋异强混凝土叠浇梁的抗弯性能与延性,研究了钢纤维掺量、钢纤维混凝土叠浇层厚度对FRP筋异强混凝土叠浇梁的影响。以钢纤维体积掺量(0%、0.5%、1.0%、1.5%)与钢纤维混凝土叠浇层厚度(0 mm、180 mm、210 mm、300 mm)为变量,对6根FRP筋异强混凝土叠浇梁进行三分点弯曲试验,并对试验梁的破坏过程、破坏形态、裂缝宽度以及跨中挠度进行分析。研究结果表明:钢纤维的掺入改善了FRP筋异强混凝土叠浇梁的受力性能,使其由脆性破坏向延性破坏发展;随着钢纤维掺量、钢纤维混凝土叠浇层厚度的增加,FRP筋异强混凝土叠浇梁的极限承载力提高了9%~33%,抗弯性能提升了4%~21%,延性提升了22%~89%。基于试验与理论分析,建立了钢纤维作用下的FRP筋异强混凝土叠浇梁挠度计算公式与延性评价方法。

正常使用状态下HRB500钢筋混凝土梁受弯性能试验

对8根HRB500高强钢筋混凝土梁以及2根普通钢筋混凝土梁受弯性能进行了对比试验,分析了试验梁的裂缝分布、短期最大裂缝宽度以及挠度的变化情况.结果表明:2种钢筋混凝土梁的受弯性能和挠曲模式基本相同;正常使用极限状态下的平均裂缝间距、跨中挠度实测值与按GB50010—2002《混凝土结构设计规范》中平均裂缝宽度与短期刚度公式得到的计算值相符得较好,而短期最大裂缝宽度计算值则普遍大于实测值.根据实测结果比较分析,建议从降低最大裂缝宽度保证率和调整计算钢筋应力2个方面,对配置该类钢筋的受弯构件裂缝宽度计算方法进行适当的修正.

纤维塑料筋混凝土梁挠度的计算方法

本文基于本课题组与国外已有试验研究,根据纤维塑料筋混凝土梁的非线性有限元分析与试验结果的验证,对纤维塑料筋混凝土梁挠度的计算方法进行了较系统的研究。研究表明,纤维塑料筋混凝土梁的刚度随配筋率和混凝土强度的提高而增大;当纤维塑料筋混凝土梁发生受拉破坏时,增加配筋率可提高其极限变形能力,而当发生受压破坏时,极限变形能力与配筋率成反比;纤维塑料筋混凝土梁开裂截面内力臂长度系数可取为0.94。在此基础上,提出了纤维塑料筋混凝土梁挠度的设计建议。按本文建议公式计算的纤维塑料筋混凝土梁挠度值与试验结果吻合良好。

玻璃钢筋增强树脂混凝土梁的弯曲性能研究

对玻璃钢筋增强树脂混凝土 (GFRP)梁进行弯曲性能试验研究 ,并在现有的玻璃钢筋增强水泥混凝土梁分析模型的基础上 ,提出了用于玻璃钢筋增强树脂混凝土梁挠度计算的修正模型。利用该修正模型对梁内部出现微裂纹后的挠曲性能进行评估 ,其结果与实测结果吻合较好。

螺纹钢冷弯裂纹的分析

对螺纹钢筋由冷弯产生的纵向裂纹进行了分析,结果表明,硅酸盐夹杂物分布不均匀是造成螺纹钢筋冷弯纵向裂纹的主要原因,并提出了相应的预防措施。

HRB335/400钢筋混凝土用热轧带肋钢筋表面纵向裂纹成因分析

采用金相检验、扫描电镜及其能谱分析等方法对HRB3 3 5 40 0热轧带肋钢筋 (以下简称螺纹钢筋 )的表面纵向裂纹进行综合分析 ,发现产生表面纵向裂纹的主要原因是亚表层的夹杂物造成的 ,并讨论了不同类型夹杂物对钢筋纵向裂纹的影响 ;如果轧坯表层存在大量的轧制温度下难于变形 (γ <0 .5 )的夹杂物 (如 (Fe ,Mn)O ) ,由于月牙肋处的应力集中和变形集中 ,在高温轧制过程中 ,很容易在夹杂物聚集的表层产生表面纵向裂纹 ;如果轧坯表层存在一层高温易于变形 (γ >0 .5 )而低温不能与钢一起变形的夹杂物 (如锰硅酸盐 ) ,那么高温轧制时这种夹杂物形成连续的带状 ,冷弯时由于夹杂物与钢不能协调变形 ,极易在月牙肋应力集中处形成表面纵向裂纹 ;如果轧坯表层夹杂物在高温和低温与钢的相对塑性相差都很大 (如氧化铝等 ) ,则对高温和低温的表面纵向裂纹均有影响 ;γ值越低 ,这种情况出现的可能性就越大。另外 ,夹杂物 (如硫化锰和锰硅酸盐 )与钢的热膨胀系数不同对冷弯裂纹也有一定影响。在此基础上提出相应的改进措施。

跨座式单轨钢混组合后浇带合理分析方法

研究目的:以全国首例跨座式单轨简支转连续梁桥为例,其负弯矩区后浇带为“混凝土梁上覆钢板”的断面形式,后浇带纵筋采用绑扎长度短于规范的“帮条钢筋”。上述构造明显有别于常规结构,为明确其受力性能,本文对多种相关的有限元模拟理论开展不同参数下的比较,重点研究结构承载力和抗裂性能,并给出合理的分析方法。研究结论:(1)相比弥散裂缝和断裂力学模型,离散裂缝模型为钢混组合后浇带开裂模拟的最合理方法;(2)相比含钢筋的实体混凝土单元或钢筋采用桁架元但未设钢混界面的模型,在桁架元基础上增设植入式界面单元的模型为“帮条钢筋”模拟的最合理方法;(3)后浇带主筋应力随其直径增大而减小,但强度安全系数则先增大后减小,故直径并非越大越好;(4)采用本文的建模方法和裂缝公式,可直接指导该类结构的设计并减少建模分析工作量。

不锈钢钢筋混凝土在地铁设计中的应用

从钢筋腐蚀寿命的角度出发说明不锈钢钢筋应用于地铁混凝土结构所具有的优势;利用现有的8根不锈钢钢筋混凝土梁的正截面承载力试验数据进行计算对比,结果表明《混凝土结构设计规范》关于梁正截面承载力的计算公式同样也适用于不锈钢钢筋混凝土梁,且计算偏于安全,同时还给出不锈钢钢筋与普通钢筋的对换表,方便不锈钢钢筋混凝土构件的设计;比较分析纵向受拉钢筋在不同应力比下不锈钢筋与普通钢筋混凝土构件最大裂缝宽度,得出在钢筋应力水平小于0.6的情况下,可以按照普通钢筋混凝土构件进行裂缝计算;针对地铁顶纵梁设计的耐腐蚀和造价两个方面提出不锈钢钢筋与普通钢筋混合使用的经济型构造措施,同时给出不锈钢钢筋建议使用的地下环境标准,为不锈钢钢筋混凝土在地铁设计中的实际应用提供参考。

铁路混凝土箱梁钢筋锈蚀后其挠度和裂缝宽度取值

为了研究钢筋锈蚀下混凝土箱梁挠度和裂缝宽度的变化,基于梁截面平衡和变形协调,引入锈蚀钢筋混凝土梁非线性本构关系,建立了箱梁受弯挠度和裂缝宽度解析表达式。针对铁路简支箱梁算例,研究了混凝土性能退化和钢筋锈蚀对梁挠度和裂缝宽度的影响;并和铁路桥梁规范中挠度和裂缝宽度的规范值进行了对比分析。结果表明:混凝土性能的退化对梁挠度和裂缝宽度影响很小;锈蚀钢筋力学性能的退化和锈蚀黏结滑移对挠度和裂缝宽度具有较大影响。当锈蚀率小于1.5%时,挠度和裂缝宽度均小幅减小;当锈蚀率超过1.5%后,挠度和裂缝宽度随着锈蚀率的增加开始增大。针对规范中挠度和裂缝宽度公式,提出了锈蚀黏结滑移修正系数,修正后的规范值与解析解吻合良好。

基于STM理论钢纤维混凝土深受弯构件裂缝宽度试验研究

通过7根钢纤维混凝土深受弯构件的弯曲性能试验,分析了钢纤维掺量及配筋率对深受弯构件跨中截面混凝土应变、纵筋应变、破坏形态及裂缝宽度的影响。基于STM理论量化钢纤维、钢筋以及混凝土三者在受力过程中的组合作用,提出了适用于钢纤维混凝土深梁最大裂缝宽度的理论计算式,并与实测结果进行比对分析。研究结果表明:较普通深受弯构件而言,钢纤维混凝土深受弯梁的开裂荷载增幅11%~20%,极限荷载提高10%~16%,提高配筋率,开裂荷载提高约22%,极限荷载提高20%~31%;提高配筋率或钢纤维掺量,均可使试件破坏模式由正截面破坏向斜截面破坏转变;钢纤维掺加50、78 kg/m^3后,裂缝宽度可减少13%~29%;试件配筋率提高0.142%,裂缝宽度减少33%;推导出的理论计算式计算得到的最大裂缝宽度与实测值吻合。

微弯弧形钢筋混凝土构件裂缝计算方法研究

水工大体积混凝土结构施工中常设宽槽以缓解温度应力,为改进跨宽槽钢筋的工作状态,提出了一种微弯弧形跨宽槽钢筋形式,能够减小直钢筋过缝的应力损失并提高施工效率。在弧形钢筋混凝土板受弯试验的基础之上,研究了弧形钢筋混凝土构件的裂缝计算方法。从单根微弯弧形钢筋混凝土构件受拉分析入手,扩展到多根微弯弧形钢筋混凝土构件受弯分析,最终得到裂缝间距及裂缝宽度的计算方法。

氯盐侵蚀作用后钢-BFRP复合筋混凝土梁受弯性能

为研究氯盐侵蚀对钢-玄武岩纤维复合筋(steel-basalt FRP composite bar,B-SFCB)混凝土梁受弯性能的影响,对经氯化钠溶液侵蚀作用后4种不同筋材(钢筋、BFRP筋和2种不同B-SFCBs)受拉性能和5组混凝土梁(钢筋和BFRP筋混凝土梁各1组、B-SFCB混凝土梁3组)受弯性能进行试验研究。分析应力水平和侵蚀时间对B-SFCB受拉性能及B-SFCB混凝土梁受弯承载力、变形、裂缝和破坏形态的影响。结果表明:各筋材抗拉强度随侵蚀时间增加而逐渐下降,无应力侵蚀180 d后,钢筋、B-SFCB和BFRP筋抗拉强度最大分别下降了12%、10%和4%;应力与氯盐侵蚀耦合作用后B-SFCB与BFRP筋的抗拉强度保留率低于无应力侵蚀筋材的;B-SFCB屈服后,混凝土梁仍具有稳定的抗弯刚度,其屈服荷载随筋材截面含钢率的提高而增大;侵蚀时间对无应力侵蚀混凝土梁荷载-挠度曲线影响较小,但对应力与侵蚀耦合作用梁荷载-挠度曲线影响较大,且随侵蚀时间增加而明显;荷载-裂缝宽度曲线变化趋势与荷载-挠度曲线基本一致。基于简化的材料本构模型和基本假定,定义了B-SFCB混凝土梁正截面受弯3种破坏形态并给出了其判别方法,建立了承载力简化计算式。借鉴美国ACI 440和中国GB 50010—2010规范,建立了B-SFCB混凝土梁刚度和裂缝宽度计算式,承载力、变形和裂缝宽度计算值与实测值吻合良好,可供工程设计参考。

玄武岩纤维加筋梁抗弯性能试验研究

制作12根混凝土简支梁进行三分点静力加载直至破坏的试验,研究不同配筋率的钢筋和玄武岩纤维BFRP加筋混凝土简支梁的性能。试验结果表明:BFRP加筋混凝土梁荷载-挠度曲线近似为直线,但在施荷后期依然表现较好的延性;开裂荷载和极限荷载并没有得到明显提高;裂缝宽度可以控制在2.5 mm以内,裂缝间距随着配筋率的增加而减小。建议研制BFRP筋,使之与混凝土之间有足够的粘结强度。

石墨烯/环氧涂层钢筋混凝土梁受弯性能研究

为研究石墨烯/环氧涂层钢筋应用于混凝土构件时的性能,对3根石墨烯/环氧涂层钢筋混凝土梁和1根普通钢筋混凝土梁进行正截面受弯性能试验,对比分析各试验梁的承载力、挠度、裂缝和破坏形态,并将试验值与规范公式的计算值进行对比。结果表明:石墨烯/环氧涂层钢筋混凝土梁的受弯性能与普通钢筋混凝土梁基本相同,环氧涂层中石墨烯的掺量对梁受弯性能的影响很小;GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中给出的平均裂缝间距公式和短期最大裂缝宽度计算公式等仍适用于石墨烯/环氧涂层钢筋混凝土梁,其中平均裂缝间距和短期最大裂缝宽度的计算应在规范公式的基础上乘以修正系数1.15,以考虑受拉筋为石墨烯/环氧涂层钢筋时裂缝间距和宽度增大的现象。

增强筋与混凝土粘结性能的研究进展

对钢筋、纤维增强材料(FRP)筋与混凝土的粘结机理、受力过程、影响因素、粘结强度、粘结长度和本构关系等性能的国内外研究现状进行介绍。基于此,提出了钢筋、FRP筋与混凝土粘结的研究思路。