Investigating Some Parameters Affecting Flexural Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer Laminate

In this paper,the influence of some important parameters affecting the flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with one layer of carbon fiber reinforced polymer(CFRP)laminate has been studied.For this purpose,six reinforced concrete beams were cast and tested in the laboratory.Based on the obtained data,when CFRP laminate is applied to the tension face,too close to the steel rebar,the flexural strength of the strengthened beam is reduced.In general,the performance of the beam strengthened with one wide CFRP strip is better than that strengthened with two equivalent narrow strips.Ultimate load capacity of each strengthened beam was calculated based on the method given by the ACI 440.2R and compared with the test one.It is concluded that,to avoid the steel rebar-CFRP laminate interaction effect,the CFRP laminate depth-to-the effective depth ratio(df/d)should not be smaller than about 1.17.

弯-剪-扭复合受力CFRP布加固RC梁抗扭性能细观数值分析

为了研究弯-剪-扭复合受力条件下碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布加固钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)梁的抗扭性能,建立体现混凝土材料非均质性、钢筋-混凝土黏结滑移关系和CFRP布-混凝土相互作用关系的细观数值分析模型。由于缺乏CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下失效破坏的典型物理试验,采用复合对比验证法对数值模型的合理性进行验证,即分别与单独受剪、单独受扭以及受弯-扭复合作用下RC梁和CFRP布加固RC梁的试验结果进行对比验证。进而,基于建立的细观数值分析模型探究了配纤率和扭弯比对CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下抗扭力学性能的影响。结果表明:1)采用CFRP布加固能够显著提高RC梁的峰值扭矩;2)随配纤率增加,RC梁损伤分布范围逐渐变大,CFRP布应变逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,但其增大幅度减小;3)随扭弯比增加,RC梁裂缝分布愈加集中,裂缝与水平方向夹角逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,CFRP布应变减小。建立的考虑弯-剪-扭复合受力作用的数值模拟方法可为后续研究复杂应力状态下CFRP布加固RC梁尺寸效应行为等奠定基础。

碳纤维板加固H型钢梁抗剥离夹具研制及应用试验

外贴碳纤维板是钢梁抗弯加固的常用方法,但其端部易因界面应力集中导致剥离破坏,严重影响高性能材料的有效利用,特别是结构加固后的安全服役.为此开发出一种适用于H型钢梁的简易夹具——C形槽板夹,以加强碳纤维板的端部锚固.通过多根带夹碳纤维板加固梁的静力加载试验,验证了此夹具的可靠性,并考察了碳纤维板伸入剪跨段长度与剪跨段长度之比及锚固方式(纯粘、端锚和混锚)对加固效果的影响.研究发现端锚加固不同于纯粘,只要梁的控制截面仍在夹具之间,碳纤维板的极限应力、加固效果及利用效率均随其长度缩短而提高,当碳纤维板长度分别为600、750 mm时,前者极限应变和承载力比后者分别高27.3%和8.1%.由于钢梁表面处理质量较差,混锚加固梁均发生突然剥离,后期退化为端锚加固梁,因而相比端锚加固梁加固效果改善不大,需要提高表面处理质量再做类似研究.尽管如此,相比纯粘加固梁,混锚加固梁采用C形槽板夹后剥离破坏被延迟,抗弯性能大为改善.试验过程中还用压电阻抗法对界面剥离情况进行了检测,结果符合实际.

响应面法纤维网格布强化混凝土配比设计

针对机轮磨耗、飞机尾喷等强外部作用对机场道面表层损坏严重的问题,提出采用纤维网格布对道面混凝土表层进行强化。为设计出最优配合比,以飞机尾喷和紫外线照射作为环境作用,采用响应面法设计耐磨耗试验和抗冻试验,对纤维网布尺寸、砂率和细度模数因素对强化混凝土耐磨耗和抗冻性能的影响进行分析,以此对混凝土配合比进行优化设计。结果表明:二次或三次模型拟合效果较好,模型较为显著;纤维网格布尺寸对强化混凝土性能影响最大,其次是细度模数,最后是砂率,尺寸和砂率、细度模数交互作用影响明显。当纤维网布尺寸为3 mm×3 mm,砂细度模数为2.8,砂率为0.28~0.31时,强化混凝土的性能最佳。

UHPC中钢纤维的增强机理:一种新的断裂相场模型

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有巨大潜力的复合材料。为了降低UHPC的成本并获得更好的性能,有必要研究钢纤维在UHPC中的增强机理,实践中也需要一个有效的数值模型来促进UHPC的应用。钢纤维从UHPC中拔出时会产生新的裂纹面,进而需要消耗更多的能量。基于此,推导了新裂纹及其裂纹表面能的公式,提出了一种考虑钢纤维与UHPC基体之间界面断裂能的断裂相场模型。利用该模型,对含钢纤维的三维UHPC试样进行了单轴拉伸数值模拟;开展对比实验验证了所提模型的正确性。结果表明,模拟结果与实验结果吻合较好。通过分析不同试样的新裂纹面与拉伸强度间的关系,发现UHPC的抗拉强度和残余强度随钢纤维体积含量的增加而增加,随钢纤维直径的增加而降低。进一步分析发现,UHPC的抗拉强度与钢纤维的侧表面积成正比。理论分析、数值模拟和实验表明,钢纤维在UHPC中的增强机理为:钢纤维的加入使UHPC基体与钢纤维在断裂过程中产生了一些新的裂纹,这些新裂纹消耗了更多的能量。本文研究工作可为UHPC的性能设计和开发有效的UHPC数值模型提供理论依据。

基于力学响应的碳纤维夹层结构可设计性的应用分析

碳纤维夹层结构以轻质高强度和耐腐蚀特性广泛应用航空航天领域。提出一种以最优力学响应特性为目标,对碳纤维铺层角度进行设计,利用有限元分析软件进行仿真验证的设计方法。结果表明,文中方法可充分利用碳纤维夹层结构可设计性,为电子产品结构设计提供参考。

3种加锚方式下2种碳纤维布加固钢筋砼梁抗剪承载力计算的比较

按照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》与《混凝土结构加固设计规范》分别对胶锚或钢板锚、环形箍及自锁式、加织物压条一般式3种U形箍加锚方式加固后的梁斜截面承载力进行计算。结果发现,2种计算方式得出胶锚或钢板锚加锚方式的承载力增加值差异最小,加织物压条一般式的差异最大。2个工程抗剪加固应用算例的验证结果与计算结果一致。由此可知,在相同加固要求条件下,采用胶锚或钢板锚加锚方式的加固成本最低。

锚固方法和预应力水平对CFRP板加固钢筋混凝土梁抗弯性能的影响

为了研究端部锚固方法和预应力水平对碳纤维复合材料(CFRP)板加固钢筋混凝土(RC)梁抗弯性能的影响,进行了6根大尺寸T梁抗弯试验,对失效模式、荷载-挠度曲线、特征荷载、CFRP板强度利用率及延性等指标进行分析。结果表明:锚固方法对RC梁的极限荷载有显著影响,但对开裂荷载和屈服荷载基本没有影响;当预应力水平从0提高到0.5,失效模式从混凝土压碎转变为CFRP拉断,开裂荷载和屈服荷载比未加固试件分别提高了75.0%~237.5%和13.6%~50.9%;极限荷载在混凝土压碎模式下随预应力水平的提高而提高,但在CFRP拉断模式下受预应力水平的影响很小;可靠的端部锚固可提高极限荷载下CFRP的利用率,但施加预应力能明显提高整个受力阶段CFRP的利用率。

锚固碳纤维布加固低强度钢筋混凝土梁有限元分析

为研究不同加固方式下低强度钢筋混凝土梁的受力性能及裂缝开展情况,本文通过有限元软件建立了钢筋混凝土梁的三维有限元模型。通过与试验数据的对比分析,得到的模拟结果和试验结果吻合较好,较准确地反映出混凝土梁的受力特征和受力过程,验证了数值模型的合理性;通过仿真分析进一步验证,相较于碳纤维U形箍锚固梁,钢板U形箍锚固梁可以更好地抑制梁底碳纤维布与混凝土的剥离,从而提高加固效果。

短切碳纤维在混凝土中的分散性能评估与优化

碳纤维增强混凝土应用潜力巨大,目前由于不均匀分散的问题,限制了在工程上的应用。已有研究表明分散剂能促进纤维分散。文中较全面地对比分析了甲基纤维素(MC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟乙基纤维素(HEC)、羧甲基纤维素钠(CMC)等纤维素类分散剂以及聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)等聚丙烯酸类分散剂,对0.5%体积掺量的不同长度的短切碳纤维在水溶液和混凝土中的分散效果。采用图像化的数据处理方法实现了对碳纤维分散性的定量化描述,并从分散机理分析了分散剂的性质与分散效果的关联性。结果表明,碳纤维在水溶液和混凝土中的分散规律具有一致性;分散效果从低到高依次为不加分散剂<MC<HPMC<HEC<CMC<PAM<PAAS。分散剂分子链越长、侧链和交联结构越复杂,吸水量越大,最终纤维的分散效果越好。纤维越短,分散性越好。

无筋钢纤维混凝土管片承载力设计方法研究

在盾构管片中掺入钢纤维可增强构件的力学性能和耐久性,减小配筋量甚至取代钢筋,是一种低碳高效的新型材料。但受限于有关规范的缺失,无筋钢纤维管片(SFRC)在国内难以推广。综合调研国内外现行相关设计规范,对比钢纤维混凝土承载力的计算思路,结合室内力学试验与不同偏心状态管片正截面的应力分布,得到了精细化描述的无筋钢纤维混凝土正截面的承载力计算公式。主要结论如下:1)现行相关规范低估了钢纤维的力学作用,且无法准确描述其多样化的特点;2)结合切口梁试验开裂的破坏特征与试验值,得到了等效抗拉强度优化计算方法;3)根据优化等效抗拉强度定义截面大、小偏心的判断方式;4)分别给出全截面、小偏心与大偏心受压三种类型的正截面承载力计算方法。

碳纤维复材约束椭圆钢管混凝土短柱轴压性能研究

为研究碳纤维复材约束普通强度椭圆钢管混凝土(CFRP-ECFST)短柱轴压性能,开展了8个不同椭圆截面比、不同复材厚度的短柱试件的静力轴压试验,考察了试件的破坏模式及其影响因素。参考已有碳纤维复材-高强钢管约束混凝土应力-应变设计模型,建立了CFRP-ECFST短柱轴压设计模型,并利用试验结果对该模型的准确性进行验证。结果表明:CFRP-ECFST短柱破坏模式均为中部碳纤维断裂;碳纤维断裂应变随椭圆截面比的增大而降低;碳纤维复材的约束效应随复材管用量增加而增强,但随椭圆截面比的增大而降低;由设计模型计算的轴向荷载-应变曲线与试验曲线吻合良好,表明设计模型能较为准确地估计CFRP-ECFST短柱的轴压承载力,可为该类构件的工程设计提供参考。

单向碳纤维布用于混凝土受弯构件的加固和修复

初步研究了在混凝土试件受力面用环氧树脂胶粘贴单向碳纤维布（ＣＦＳ）对混凝土受弯试件的加固和修复作用．结果表明：在混凝土表面粘贴１～３层碳纤维布，可使混凝土试件的断裂荷载提高１～２．５倍；碳纤维布对有缺陷的混凝土试件有明显的修复和加固作用．

碳纤维布加固混凝土构件正截面受弯承载力分析

根据碳纤维布加固钢筋混凝土构件受弯性能的试验研究 ,对受弯破坏形态、极限状态和设计要求进行了讨论。利用基于平截面假定的正截面受弯承载力的计算理论 ,分析了配筋率、加固量及二次受力等因素的影响。在此基础上提出了正截面受弯承载力的实用计算方法 ,计算结果与试验结果吻合较好 ,并具有一定的可靠性 ,可供设计参考。

碳纤维布提高钢筋混凝土梁受剪承载力试验研究

通过 12根碳纤维布补强加固钢筋混凝土梁的试验 ,重点研究碳纤维布对梁抗剪承载力的影响和作用。主要试验参数有 :碳纤维布的宽度和间距、碳纤维布的粘贴层数、梁的剪跨比、配箍率和混凝土强度。试验研究表明 ,碳纤维布可以明显地提高钢筋混凝土梁的抗剪承载力 ,并改善构件的变形性能 ,增强构件的变形能力。最后 ,提出了一个简化的碳纤维布提高钢筋混凝土梁受剪承载力的设计计算公式。

爆炸冲击波作用下碳纤维布加固构件抗弯特性研究

为了研究外贴碳纤维布加固钢筋混凝土构件抗爆能力 ,对用碳纤维布不同加固方式和配筋率的钢筋混凝土模型进行了抗爆炸冲击波试验研究。试验结果表明 ,在模型截面尺寸相同的条件下 。

外贴碳纤维增强材料加固混凝土梁的抗弯设计方法

根据目前碳纤维增强材料(CFRP)加固混凝土梁的理论和实验研究结果,重点研究碳纤维制成织物片材粘贴到混凝土表面用于结构的补强与加固的技术特点,分析二次受力对加固结构的弯矩承载力的影响;同时对外贴碳纤维加固混凝土梁的抗弯提供一种简单、实用的设计方法,供工程设计人员参考,对碳纤维布加固混凝土梁中出现剥离破坏也进行了分析,提供了最大剥离正应力的计算公式。

碳纤维技术在桥梁加固工程中应用的探讨

通过对比跨度32 m铁路预应力混凝土梁用不同方法加固前后的力学性能,研究碳纤维加固技术应用的适宜场合。研究结果表明:在抗弯加固方面,碳纤维加固更适合于原结构高度较小、配筋较少、荷载变化不大的构件;对于梁高大、配筋多、活载作用大的桥梁,特别是预应力混凝土梁,因新增碳纤维的面积远远小于实体梁面积,加固后构件的刚度,钢筋应力的改善有限,其加固的效果不如预应力加固。采用黏贴碳纤维布的加固方法基本无法提高实体梁的抗裂性能,但在梁体开裂后,碳纤维对梁体的裂缝发展有较好的约束作用。

混杂纤维布加固混凝土梁的试验研究

本文首次提出混合采用玻璃纤维布和碳纤维布对钢筋混凝土梁进行加固的思路 ,并开展了对比试验研究。结果表明相对碳纤维布加固方法 ,混杂纤维布加固法既能提高构件的延性 。

碳纤维布加固钢筋混凝土圆柱的轴心受压试验研究

通过对钢筋混凝土圆柱模型缠绕碳纤维布的轴心受压试验研究 ,详细介绍了用碳纤维布加固后的圆柱破坏特征 ,其受力性能及破坏机理 ,碳纤维布约束混凝土与钢筋及钢管约束混凝土的差异。并提出了用碳纤维加固钢筋混凝土柱的轴心受压承载力计算方法。