预应力CFRP绞线和钢筋混合配筋混凝土梁的抗弯性能

为了探索碳纤维复材(CFRP)绞线在混凝土结构中的应用,采用CFRP绞线作为预应力筋,开展了预应力CFRP绞线和钢筋混合配筋混凝土梁的抗弯性能试验研究。试验结果表明:平截面假定适用于混合配筋的混凝土梁;配置预应力CFRP绞线可以显著提高混凝土梁的抗弯承载力,相比于普通钢筋混凝土梁,混合配筋混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别提高了74%~146%、27%~48%和29%~50%,但混合配筋混凝土梁的延性明显降低;在混凝土压碎失效模式下,预应力水平和预应力CFRP绞线数量对延性影响并不明显;GB 50608—2020《纤维增强复合材料工程应用技术标准》中预应力纤维复材(FRP)筋混凝土梁的抗弯承载力计算公式可以应用于预应力CFRP绞线和钢筋混合配筋混凝土梁的抗弯承载力计算。

侧向冲击荷载作用下CFRP型材-方钢管混凝土柱的动力响应

为了研究CFRP型材-方钢管混凝土固简柱的抗侧向冲击性能,采用水平撞击装置对3个CFRP型材-方钢管混凝土柱进行侧向冲击试验.根据柱的破坏模式、局部变形、整体变形及冲击力分析柱的动力响应,研究了CFRP型材、边界条件、冲击能量与冲击冲量对试件动力响应的影响规律.结果表明,CFRP型材-方钢管混凝土固简柱呈现弯曲破坏,具有良好的抗冲击性能,且随着支座约束能力的增大,抗侧向冲击性能增大.增加单位冲击冲量可使悬臂试件的峰值位移下降7%,而两端固支试件峰值位移仅变化1%.随着支座约束能力的下降,冲击冲量对试件变形的影响程度增大.在钢管混凝土固简试件中内置CFRP型材可使冲击位置处峰值位移下降9%,且降低程度随着支座约束能力的下降而增加.

CFRP及EWSS复合加固震损双层高架桥框架式桥墩恢复力模型研究

为研究碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)及外包型钢(Externally Wrapped Steel Section,EWSS)复合加固震损双层高架桥框架式桥墩的恢复力模型,对1榀原型对比试件、1榀无预损加固试件和2榀遭受不同地震损伤加固试件进行了低周往复加载破坏试验,获取了滞回曲线并提取骨架曲线,分析其滞回特性,提出一种弹性段和强化段为双折线、下降段为指数函数且考虑初始损伤的骨架曲线模型;采用试验数据回归拟合方法,定量描述了试件滞回曲线卸载刚度的退化规律,考虑了同级加载承载力退化和定点指向特征,建立了恢复力模型。研究结果表明:复合加固试件滞回曲线捏缩现象明显,呈倒S型,各滞回环分别相交于骨架曲线上正向、负向荷载为屈服荷载0.25倍的点,峰值荷载后EWSS产生包辛格效应;所提出的骨架曲线模型对中度震损和重度震损加固试件下降段指数函数的参数k建议取值分别为3.6和3.4;所建立的骨架曲线模型和恢复力模型计算结果与试验实测结果吻合较好,可为该类结构弹塑性地震反应分析提供依据。

内置工字型CFRP型材高强圆钢管高强混凝土轴压短柱组合效应分析

目的 研究内置工字型CFRP型材的高强圆钢管高强混凝土短柱在轴心压力作用下三种材料的组合效应。方法 采用有限元分析软件ABAQUS对其进行数值模拟,通过相关试验验证模型的准确性,并对典型构件的破坏形态、受力全过程曲线进行分析,揭示构件各组成部分之间的相互作用和工作机理,评估CFRP配置率、钢材屈服强度、混凝土抗压强度、约束效应系数对组合效应的影响。结果 在高强圆钢管高强混凝土柱中内置CFRP型材,对构件的延性及安全裕度有显著提高,并改善了高强圆钢管对高强混凝土的约束,提高了构件的组合效应。结论 CFRP配置率控制在5.9%~8.4%,约束效应系数在1.2~1.4,钢材屈服强度不大于770 MPa时,构件中三种材料组合效应最佳。

CFRP-OFBG板加固损伤钢梁抗弯疲劳试验及其寿命预测研究

为研究采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固后钢梁的疲劳性能,采用自主研发的具有自监测性能的智能碳纤维-光纤光栅板(CFRP-OFBG板)加固受损钢梁,在完成常幅荷载四点弯曲疲劳试验的基础上,研究不同应力幅作用下CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳性能。借助有限元方法,建立“三维实体”有限元模型,结合J积分计算方法求解得到加固钢梁裂纹尖端的应力强度因子,基于线弹性断裂力学理论建立疲劳裂纹扩展模型,对CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳裂纹扩展寿命进行预测。研究表明:CFRP-OFBG板的加固作用可有效提高受损钢梁的疲劳寿命,延缓裂纹扩展速率,改善裂纹尖端的受力状态,降低裂纹尖端的应力强度因子;在循环荷载作用下,CFRP-OFBG板加固试件的疲劳寿命均随着应力幅的增大呈现递减趋势。将试验结果与预测结果相比较,发现加固试件疲劳寿命预测值比试验值略高,分析认为,这主要是因为在有限元模拟时没有考虑到试验中CFRP-OFBG板的局部剥离。

基于断裂力学的横隔板弧形切口CFRP加固参数研究

横隔板弧形切口疲劳开裂为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一。为研究该部位的疲劳性能,分析碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)参数对加固效果的影响,首先,建立钢梁节段模型,在弧形切口应力幅最大处引入初始裂纹,基于断裂力学理论得到疲劳荷载作用下横隔板弧形切口处的开裂模式及疲劳寿命;然后,建立CFRP板加固模型,改变各加固参数,对比不同初始裂纹条件下裂纹扩展过程中的应力强度因子变化规律,探究CFRP板长度、宽度、厚度、弹性模量以及胶层剪切模量等参数对加固效果的影响;最后,给出推荐加固参数组合。研究结果表明:横隔板弧形切口处疲劳裂纹为I型裂纹,疲劳寿命约为576.42万次;CFRP板加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,但是CFRP板长度与宽度存在加固的临界尺寸,当尺寸大于这一临界值时,其对加固效果影响极小;CFRP板厚度、胶层剪切模量对加固效果的影响随参数增大而逐渐减弱;采用长×宽×厚为45.0 mm×30.0 mm×2.0 mm、弹性模量为460 GPa的CFRP板进行加固后,裂纹将不再扩展,疲劳寿命显著提高。

内置CFRP管的钢管再生混凝土短柱轴压性能研究

目的研究不同截面形式下,内置CFRP管的钢管再生混凝土短柱力学性能。方法利用有限元软件建立试件模型,验证模型的正确性,在此基础上,建立组合短柱模型,分析CFRP层数、钢管厚度、再生骨料取代率对不同截面形式下组合柱力学性能的影响。结果增加CFRP层数和钢管厚度可以提高组合短柱的极限承载力和位移延性系数;改变再生骨料取代率,对组合短柱力学性能的影响较小;改变截面形式,圆截面短柱的力学性能优于方截面短柱。结论在工程设计中,使用该组合短柱时建议组合柱内置两层CFRP,截面形式建议优先考虑圆截面;若需提高组合柱承载力,建议采用增加钢管厚度的方式。

极端湿热环境对CFRP/钢界面性能的影响

为掌握极端湿热环境下CFRP/钢界面性能的退化机理,用Sika-30胶黏剂制作了12个CFRP/钢双搭接试件,并在70℃的模拟海水中浸泡不同时间后进行拉伸剪切试验.结果表明:CFRP/钢双搭接试件的破坏模式受浸泡时长的影响较小;CFRP/钢界面平均抗剪强度随浸泡时长呈先上升后下降趋势;浸泡90 d后,CFRP/钢界面平均抗剪强度较未浸泡试件下降了35.6%.

CFRP-钢箱混凝土变截面新型跨座式轨道梁设计优化

为满足新型跨座式单轨系统需求,提出一种碳纤维复合材料(CFRP)-钢箱混凝土组合轨道梁形式。通过数值模拟试验,探究钢箱上室混凝土厚度对荷载作用下的钢箱混凝土轨道梁跨中顶面、底面、上室混凝土最大应力及竖向挠度的影响,得出钢箱上室混凝土的适宜厚度;在此基础上考虑运行维护阶段轨道梁抗弯性能需求,通过梁底粘贴预应力CFRP提高其抗弯性能,经分析得出钢箱混凝土变截面组合轨道梁跨中竖向挠度随梁底粘贴CFRP长度的变化趋势并给出CFRP-钢箱混凝土轨道梁的设计建议。研究结果表明:该CFRP-钢箱混凝土变截面新型跨座式单轨轨道梁抗弯性能良好,可满足实际工程需要。

CFRP-PCPs复合筋加固钢-混组合梁负弯矩区抗裂试验与理论计算

为解决钢-混组合梁负弯矩区混凝土板易开裂而造成刚度减弱的行业难题,以预制的CFRP-PCPs(carbon fibre reinforced polymer-prestressed concrete prisms)复合筋作为中支座的腹筋,并以复合筋的数量、预应力张拉水平和截面尺寸为主要参数设计制作了五根复合筋钢-混组合连续梁和一根普通组合连续梁,研究其在单跨单点荷载下负弯矩区的抗裂性能。结果表明:复合筋能显著增强中支座截面刚度,对负弯矩区的裂缝控制能力提升显著;与普通组合梁相比,复合筋梁的开裂荷载提高近30%,裂缝数量与裂缝宽度减少近50%;复合筋面积是提高裂缝控制能力的主要因素,预应力水平和截面尺寸对开裂荷载的影响较弱;复合筋的开裂荷载与预应力水平、面积正相关,其中预应力水平是影响复合筋效用时长的关键因素。基于现有理论和试验数据,本文提出CFRP-PCPs复合筋钢-混组合梁负弯矩区开裂荷载和复合筋的开裂荷载计算公式,计算结果与试验值较为吻合,可为复合筋在钢-混组合梁桥实际工程中应用提供参考。

CFRP-PE-不锈钢筋混凝土短柱的设计方法研究

进行了17个CFRP-PE-不锈钢筋混凝土短柱和8个对比试件的轴压试验,探究不锈钢种类、箍筋间距、CFRP厚度、PE厚度对该类组合柱的破坏模态、荷载-应变曲线、极限应变、极限承载力、延性的影响规律.试验结果表明:在CFRP和混凝土间设置PE垫层能提高该类组合短柱的延性和变形能力,并降低其承载力;增大CFRP厚度可提高其承载力和极限应变,但试件表现出增大的脆性;减小箍筋间距或增大钢筋强度可显著提高其承载力、峰值应变和延性.建立了有限元模型,有限元分析表明:增大PE厚径比会显著提高该类组合短柱的变形能力和延性,并降低CFRP对其承载力的影响;增大配箍率、不锈钢强度、CFRP抗拉强度、CFRP厚度可提升该类组合短柱的极限应变与承载力;提高混凝土强度会提高该类组合短柱的峰值承载力,但降低其极限应变.最终建议了该类组合短柱的延性设计方法、承载力模型和极限应变模型.

内置工字形CFRP的高强圆钢管高强混凝土纯弯构件抗弯刚度研究

目的研究内置工字形CFRP型材高强圆钢管高强混凝土纯弯构件的抗弯刚度,为该类构件的设计和工程应用提供参考。方法设计3个CHCFHST-CFRP构件,对其进行纯弯试验;应用ABAQUS有限元软件建立了纯弯构件数值模型,在数值模拟结果与试验结果吻合的基础上,分析各参数对构件抗弯刚度的影响;并且推导了适用于纯弯构件的抗弯刚度和挠度计算公式。结果试件均未出现断裂,钢管也未产生局部鼓曲,卸载后纯弯段有明显回弹;随着混凝土强度、钢管壁厚和型材尺寸的增长,构件抗弯刚度略有增长;与未配置CFRP型材的构件相比,配置CFRP型材后构件的抗弯刚度有了明显的增长。结论试件整体呈弯曲破坏模态,具有良好的变形能力,具有较强的耗能能力及刚度退化能力;利用笔者推导的公式得到的计算值与试验结果吻合较好,公式可用来计算此类构件的抗弯刚度与挠度。

CFRP筋钢纤维混凝土梁抗弯性能数值模拟

CFRP筋在强度、重量和耐腐蚀等性能上都表现出较大的优势,被越来越多地应用于建筑结构中。文中针对CFRP筋弹性模量低、延性较差的缺点提出假设,将掺入不同体积量的回收钢纤维到模型梁内部,两者协同作用来提高模型梁的抗弯性能。采用四点受弯和位移加载法,用ABAQUS进行数值分析。结果表明CFRP筋极限应力明显高于普通钢筋,同时回收钢纤维随着掺入量的增加,纤维与混凝土内部桥接作用越明显,有效阻碍裂缝扩展,增加模型梁受拉损伤性能,整体改善梁的抗弯承载力。研究可为CFRP筋、回收钢纤维对混凝土梁的抗弯力学性能影响提供可靠的数据支持和理论验证。

铺层参数对Fe/CFRP混合结构性能影响分析及优化

为研究满足轻量化、高阻尼使用要求的Fe/碳纤维增强聚合物(CFRP)混合结构机床构件,本文运用引入约束因子的变密度法对原型铸铁横梁进行了三维结构拓扑优化,对其铺设CFRP自由阻尼层以提高阻尼特性。基于响应面法建立了关键铺层参数对结构最大变形与阻尼损耗因子的回归方程,并对铺层参数与横梁性能进行分析,通过遗传算法对复合横梁铺层参数全局寻优。结果表明:铺层角度为46.03°、0°铺层铺设比例为25.39%、铺层顺序为C2时,Fe/CFRP混合结构横梁综合性能最优,其刚度基本保持不变,重量减轻35.7%,阻尼性能提升62.7%,试验结果与仿真结果一致。

CFRP-木结构波纹钢填板螺栓节点力学性能正交试验研究

为了明确异型截面钢填板对节点性能的影响,为木结构异型钢填板螺栓节点提供安全性的设计经验,提出CFRP-木结构波纹钢填板螺栓节点,在正交试验设计条件下开展单轴顺纹拉伸试验研究.试验发现,节点具有多种受力特征,包括木构件剪切破坏、顺纹向张开型断裂(TL断裂)、端部顺纹压溃、CFRP断裂和螺栓弯折等形式;节点在受力过程中没有明显屈服阶段,主要经历线弹性阶段、断裂失效过渡阶段和断裂失效阶段.通过正交参数分析得到不同因素对所提节点主要力学性能的影响程度及规律.结果表明:各因素对极限强度和延性的影响比对弹性刚度的影响显著,且波角和波高为主要影响因素.极限强度与波角负相关且随着波高的增大呈波动变化,延性与波角和波高负相关.

小口径CFRP-方截面钢管混凝土受弯性能研究

为研究小口径CFRP-方截面钢管混凝土的受弯性能,使用钢管外径分别为30、32、35 mm的3种试件(分别命名试件A、B和C)开展12组三点弯曲试验,观察试件的破坏形态并获得荷载-位移曲线。通过测得试件应变变化,对试验构件受弯性能进行分析。利用有限元软件ABAQUS对试件进行非线性有限元分析,并对钢管与水泥之间的黏结能力、水泥立方体试块抗压强度以及CFRP布厚度3组参数进行参数敏感性分析。研究结果表明:钢管内填充水泥与外缠CFRP布均可以提高试件的抗弯承载力最大值以及抗弯刚度;当钢管、水泥、CFRP布3种材料结合在一起时,提升效果最为明显,A、B、C这3种试件的抗弯承载力最大值分别提高了81.6%、93.3%和92.6%;钢管内是否填充水泥与试件的最终破坏形态有明显关联。有限元分析与试验所得荷载-位移曲线吻合较好,破坏模式一致。CFRP布厚度对抗弯承载力最大值以及梁的抗弯刚度有明显影响。

剪力滞对CFRP板-钢梁加固界面应力的影响

为了分析工字钢梁弯曲变形产生的剪力滞效应对黏结层法向应力和切应力的影响,基于虚功原理的能量变分法建立考虑剪力滞的碳纤维增强复合材料(CFRP)加固梁黏结应力计算理论方程.通过与试验和有限元数值模拟结果的对比,验证了理论方程的正确性.开展不同弯矩作用下的工字型钢梁黏结层界面切应力和法向应力参数分析.结果表明,剪力滞引起的翼缘板纵向位移沿横向3次抛物线分布的假定是合理的.剪力滞效应对CFRP加固工字钢梁弯曲变形下的端部界面应力影响不可忽略,影响程度随着截面弯矩和翼缘板宽度的增加而增大.

CFRP加固钢板在海洋环境下的黏结性能实验研究及数值模拟

海洋环境对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢板的黏结性能有着严重影响。为评估CFRP-钢板黏结界面在海洋环境腐蚀下的黏结强度,采用双搭接接头,开展了5种不同黏结长度试件在NaCl溶液中腐蚀7~21天的实验研究。使用数字图像相关技术(DIC)对CFRP的轴向应变分布进行监测,同时使用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)观测CFRP表面微观信息及元素含量的变化。结果表明,随着腐蚀周期的增加,CFRP表面的Na^(+),Cl^(-)元素含量逐渐增加,引起电荷补偿,电解液渗入界面导致自由体积膨胀,从而造成界面黏结强度下降。腐蚀后的试件均发生CFRP-胶层的界面失效,不同黏结长度试件的极限荷载均随腐蚀周期的增加而降低。腐蚀7~14天后,黏结界面的延展性降低;腐蚀21天后界面软化段消失,呈现出明显的脆性破坏特征。基于Fickian理论以及黏结滑移本构参数,建立了CFRP-钢板的有限元模型,分别模拟了海水在黏结界面间的扩散特征及界面Ⅱ型剥离过程,数值结果和实验结果吻合较好。

CFRP布混合粘贴形式界面剪切性能试验

为了研究CFRP布混合粘贴的界面粘结性能,设计了4组自锚式面内双剪试验.根据界面剪应力的发展规律,将CFRP布混合粘贴中碳纤维布由初始受力至破坏的过程划分为3个阶段.试验考虑了碳纤维布不同的粘贴长度因素,分析试验中的破坏形式、破坏过程和界面粘结性能.研究表明CFRP布混合粘贴形式中的钢板锚固件提高了CFRP-混凝土界面的粘结强度,将破坏形态由碳纤维布的剥离破坏转变为碳纤维布的断裂破坏,极大地的提高了碳纤维布材料的强度利用率.碳纤维布在未剥离阶段其界面粘结性能较为稳定,钢板锚固件对碳纤维布的初始剥离影响较小;在碳纤维布持续剥离阶段,钢板锚固件可以延缓碳纤维布的剥离,使得界面粘结强度提高18.02%.

CFRP布和钢条带混合法加固某住宅楼楼板

某小区砖混住宅在建设过程中发现部分楼板的混凝土强度不足,决定采用在楼板板底粘贴CFRP布条带和在板顶粘贴钢条带的混合法加固,以充分发挥钢材和CFRP布材料的潜力,提高结构承载力。粘钢条带采用一般钢筋混凝土构件的计算方法,粘CFRP布条带的计算根据基本假定及相关公式进行。施工中由于对各施工要点严格控制,收到了很好的加固效果。