CFRP-不锈钢夹层管混凝土柱轴压试验及承载力计算方法

为了提升薄壁不锈钢结构的承载性能和耐久性,在不锈钢管内外壁粘贴碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber-Reinforced Polymer,CFRP)复合约束海水海砂混凝土,制得一种CFRP-不锈钢夹层管海水海砂混凝土结构。以CFRP粘贴层数和方式为变化参数,对18个短柱试件进行了单调轴心受压试验,观察了试件的受力破坏过程及形态,获取了荷载-位移曲线和材料应变分布数据,分析了试件轴压力学性能的变化规律。结果表明:内外贴CFRP能有效地提高结构的承载能力和变形能力;无CFRP和内贴CFRP试件的破坏形态均为剪切破坏,但破坏形态会随着外贴CFRP层数的增加向腰鼓破坏转变;在相同粘贴方式下,试件的承载能力、变形能力和耗能能力随着CFRP层数的增加呈非线性提高;在相同粘贴层数下,内贴CFRP的力学性能提升效果优于外贴CFRP,粘贴1层和2层CFRP时,内贴试件的极限承载力相较于外贴试件能再提高5.6%和6.7%,同时内贴1层CFRP的试件的耗能能力与外贴2层CFRP的相当;应变分析显示,在试件破坏前,CFRP与不锈钢协同工作良好。文中最后基于极限平衡法,考虑不锈钢的应变硬化效应,提出了CFRP-不锈钢夹层管混凝土柱极限轴压承载力的计算公式,并收集了73个样本的数据进行验证,发现计算值与试验值较为吻合。

衬塑钢管海水海砂混凝土组合构件受弯性能研究

对12根衬塑钢管海水海砂混凝土(seawater sea-sand concrete filled plastic-lined steel tube, SSC-PLST)试件进行了受弯加载试验和有限元建模分析,研究该类构件的受弯性能及内衬塑料层对组合构件承载变形能力的影响规律。研究结果表明:SSC-PLST受弯构件的破坏形态具体表现为受压区钢管外凸屈曲、对应位置混凝土被压碎,受拉区钢管屈服、核心混凝土弯曲裂缝细而密,与普通钢管混凝土类似;试件的弯矩-挠度曲线呈三阶段特征,表现出良好的承载与变形性能。SSC-PLST构件不同部分之间的接触应力较小,且分布不均匀。内衬塑料对SSC-PLST构件受弯承载力的影响程度主要与塑料层厚度有关,受钢材强度和混凝土强度的影响较小。最终提出了SSC-PLST受弯构件承载力的简化计算公式,可为该结构构件的工程应用提供参考。

海水拌和混凝土中不锈钢筋早期腐蚀电化学行为研究

目的研究海水拌和混凝土中不锈钢筋早期腐蚀电化学行为,从而有效解决海水海砂混凝土中的钢筋腐蚀问题。方法采用压滤法提取了海水拌和水泥浆体孔溶液,监测了孔溶液pH值和氯离子浓度随时间的变化,采用开路电位(OCP)、交流阻抗(EIS)等电化学方法,结合扫描电子显微镜SEM(EDS)、背散射(BSE)形貌观测手段研究了不锈钢筋腐蚀电化学行为,深入分析了不锈钢筋在海水拌合水泥浆体中的钝化动力学过程。结果尽管在早期304和316L不锈钢筋电位降至负值,均低于-0.35V,氯离子浓度达到0.7mol/L,但并未发生活化腐蚀,均可以发生正常钝化现象,海水拌和水泥浆体中316L不锈钢极化阻抗相比对照组(非海水拌合样品)有提升,腐蚀速率更低。随着水泥水化过程的发展,腐蚀电流密度逐渐降低至较低水平,304不锈钢腐蚀电流密度约为0.014μA/cm^(2),316L不锈钢电流密度低于0.006μA/cm^(2),展现出较高的耐腐蚀性能。海水拌和水泥浆体的电阻率与对照组浆体有一定差异,但整体相差较小。结论304和316L不锈钢尽管在早期可以发生正常钝化现象,电化学结果体现出较高的耐蚀性能,但其在服役期的氯离子临界浓度值及脱钝机理需要进一步研究。

涂塑钢管海水海砂混凝土构件受弯性能研究

将海水海砂混凝土填入涂塑钢管,利用内涂塑层防止氯盐腐蚀钢管,可实现海水海砂混凝土在结构工程中的合理利用,但涂塑层对组合构件力学性能的影响尚不明确。为探究涂塑钢管海水海砂混凝土构件的受弯性能,明晰涂塑层对构件承载变形能力的影响,进行了12根试件的弯曲加载试验,主要参数为海水海砂混凝土强度。研究结果表明,涂塑层对受弯构件破坏形态和受力性能的影响不显著。涂塑钢管海水海砂混凝土受弯构件的破坏形态与传统钢管混凝土的破坏形态相似,均为钢管受压区发生压曲、受拉区达到屈服,核心混凝土产生均匀分布的多条裂缝,整体构件表现出良好的承载能力和变形能力。随着海水海砂混凝土强度的提高,组合构件的受弯承载力随之提高。利用现有钢管混凝土的相关规范可较好地预测涂塑钢管海水海砂混凝土构件的受弯承载力。

衬塑钢管海水海砂混凝土短柱轴压性能有限元分析

选择合理的建模方法,建立衬塑钢管海水海砂混凝土短柱轴压有限元分析模型,对构件的破坏形态、轴压荷载-变形关系、内力分配进行研究,并以承载力折减系数的形式提出构件的极限承载力简化计算公式.结果表明:衬塑钢管海水海砂混凝土短柱的外钢管与内衬塑料层可较好共同工作,构件的轴压荷载-变形曲线可分为3种类型,由约束效应系数决定;随着塑料层厚径比的增大,轴压荷载-变形曲线形状相似,但极限承载力近似呈线性降低.

哑铃形不锈钢管海砂混凝土短柱轴压试验研究

有针对性进行9根哑铃形钢管海砂混凝土短柱的轴压试验。试验参数为不锈钢种,含钢率与约束系数。试验分析了构件破坏模式,荷载-位移曲线,强度指标,同时也对国内规程预测该类短柱承载力的适用性开展了讨论。分析结果表明,轴压荷载作用下,钢腹板腰鼓形屈曲为最后破坏特征;不锈钢管试件较普通钢管对核心混凝土约束效应更强,延性更好,承载力更高;按规范计算的承载力值均偏保守。在试验与有限元分析基础上,提出了哑铃形不锈钢管海砂混凝土短柱承载力的计算简式。

钢管海砂再生混凝土轴压性能试验与分析

以再生粗骨料取代率和海砂中的Cl-含量为主要参数,完成了18个钢管海砂再生混凝土轴压试验,分析了再生粗骨料取代率、海砂中的Cl-含量对试件破坏特征和受力变形的影响.结果表明:钢管海砂再生混凝土受力过程与普通钢管混凝土相似,包含弹性、弹塑性和破坏3个阶段,其主要破坏模式为斜剪破坏;试件峰值荷载随着再生粗骨料取代率和海砂中的Cl-含量的增加而略有降低;峰值应变随着再生粗骨料取代率的增加而增大,随着Cl-含量的增加先增大后减小.同时,对比分析了不同规范的峰值荷载公式计算值与试验值的差异,并根据试验数据对钢管海砂再生混凝土轴压应力-应变全曲线计算模型进行了拟合.

哑铃形不锈钢管海砂混凝土长柱轴压承载力分析

为研究哑铃型不锈钢管海砂混凝土长柱轴压性能,以郑州黄河二桥为工程背景,开展该类长柱结构轴压试验研究;通过有限元参数分析,提出该类结构承载力计算简式.研究结果表明:轴向荷载作用下,哑铃形不锈钢管海砂混凝土长柱的破坏模态表现为侧向挠度发展较大的整体失稳破坏;现有相关规范高估了试验构件的稳定系数;提出的稳定系数计算简式可较为准确预测轴压荷载作用下哑铃形不锈钢管海砂混凝土长柱的稳定承载力.

不锈钢管海砂混凝土短柱轴压性能试验研究

对不锈钢管海砂混凝土轴压短柱进行了一系列的试验研究,主要试验参数包括细骨料类型(河砂、淡化海砂、海砂).研究了不锈钢管海砂混凝土轴压短柱的破坏模态、荷载与变形关系曲线、极限承载力以及其横截面强度并与不锈钢管河砂混凝土短柱进行了对比.此外,使用现行的3种钢管混凝土规程对试验试件进行了承载力计算,并与试验值进行了对比,结果表明,现行的3种规范中,DBJ 13和EC 4可以较好地计算不锈钢管海砂混凝土轴压短柱的承载力,AISC规程计算值偏于保守.总之,海砂混凝土在一般情况下用作不锈钢管混凝土短柱的核心混凝土时,其承载力与普通混凝土差异较小,表明不锈钢管海砂混凝土轴压短柱在实践中可以采用.

不同细骨料下不锈钢管混凝土构件受弯性能研究

为考察不同细骨料种类对不锈钢管混凝土的受弯性能的影响,进行了24根不锈钢管混凝土构件在纯弯荷载作用下的力学性能试验研究。试验的主要参数为:细骨料种类、截面形状和剪跨比。基于试验结果,对比了不锈钢管原状海砂混凝土、不锈钢管淡化海砂混凝土和不锈钢管普通河砂混凝土3类构件的破坏模态,并分析了各主要参数对试件荷载-变形关系曲线、受弯承载力和抗弯刚度的影响规律。试验结果表明:采用原状海砂和淡化海砂取代普通河砂,对不锈钢管混凝土构件受弯承载力和刚度的影响较小。建立了不锈钢管混凝土纯弯构件的有限元分析模型,并利用模型对影响构件力学性能的重要参数进行了分析,在此基础上提出了圆形和方形不锈钢管混凝土受弯承载力的简化计算公式,可为相关工程实践提供参考。

约束海砂再生混凝土柱轴压试验研究

为研究约束海砂再生混凝土柱轴压试验的变形性能与破坏特征,分析了不同管材类型、再生粗骨料取代率与海砂氯离子浓度对其的影响。结果表明:玻璃纤维增强塑料(glass fiber reinforced plastics,GFRP)管约束海砂再生混凝土与钢管海砂再生混凝土破坏模式相近,但前者破坏较为突然;GFRP管约束海砂再生混凝土的破坏模式为管材纤维环向拉裂、核心混凝土压碎,而钢管海砂再生混凝土的破坏模式为钢管中部鼓曲、核心混凝土剪压破坏;因再生粗骨料取代率、海砂氯离子浓度的提高,GFRP管约束海砂再生混凝土与钢管海砂再生混凝土的峰值应力都会降低;再生粗骨料的取代率越高,GFRP管约束海砂再生混凝土与钢管海砂再生混凝土的峰值应变越大;不同约束管材条件下,试件承载力略有变化。最后,提出了针对GFRP管约束海砂再生混凝土和钢管海砂再生混凝土的轴压受力计算公式。

方形不锈钢管海砂混凝土柱轴压性能试验研究

对12根方形不锈钢管海砂混凝土柱在轴心受压作用下的力学性能进行试验,主要参数为:含钢率和细骨料类型。研究了方形不锈钢管混凝土柱在轴压荷载下的破坏模态、荷载-轴向位移曲线、荷载-应变曲线,并将海砂和河砂对试件承载力的影响进行了对比。试验结果表明:与浇灌河砂混凝土的组合柱试件相比,不锈钢管海砂混凝土柱的破坏模态和轴向荷载-位移关系曲线并无显著区别,不锈钢管能对海砂混凝土产生有效的约束作用,证明了不锈钢管海砂混凝土在实际工程中应用的可能性。最后,采用中国、欧洲和美国的普通钢管混凝土规范对试验实测的极限承载力进行计算比较。

新型碳纤维增强复合材料-钢复合管海水海砂混凝土圆柱轴压试验

为研究原状海水海砂混凝土在复合管混凝土中的应用可行性,提出一种新型由内外壁纤维增强复合材料(FRP)和夹心钢管复合的碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢复合管海水海砂混凝土柱结构。对12个新型CFRP-钢复合管海水海砂混凝土圆柱试件进行了轴压试验,研究了CFRP层数和核心混凝土强度等级变化对其轴压性能的影响。试验结果表明,内外壁CFRP的包裹能够有效地提高结构承载力和变形能力;CFRP-钢复合管海水海砂普通混凝土圆柱破坏形态为混凝土压溃,而CFRP-钢复合管海水海砂高强混凝土圆柱破坏形态为剪切破坏;结构的极限应力与CFRP层数、混凝土强度呈正相关,而极限应变随着CFRP层数增加而提高,却随着混凝土强度提高而减小;核心混凝土和钢管对极限应力的贡献随着CFRP层数增加基本不变,且当包裹两层及以上CFRP时,CFRP对试件极限应力的贡献占主导地位。

圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土柱轴压性能试验研究

为了将原状海水海砂珊瑚混凝土更好地直接应用于海洋工程,对12根碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱和2根纯钢管约束海水海砂珊瑚混凝土柱进行了单调轴压试验,主要研究参数为钢管径厚比、CFRP层数,得到了试件的轴向应力-应变关系曲线。试验结果表明,试件在轴压作用下,最终呈现柱身有明显剪切滑移线的剪切破坏形式;CFRP的约束作用对试件初始截面刚度影响不明显,对试件线性强化阶段刚度影响显著;随着CFRP层数的增加,试件的极限应力和极限应变均显著提高;随着钢管径厚比的减小,试件的力学性能也相应地提高;结合试验数据对已有FRP-钢复合管约束混凝土强度计算模型进行评估。

钢管混凝土-FRP管海水海砂混凝土组合柱轴压模型

提出一种钢管混凝土-纤维增强复合材料(FRP)管海水海砂混凝土(SWSSC)组合柱新型结构,其由外侧钢管、夹层普通混凝土、内侧FRP管和核心SWSSC构成。在轴向荷载作用下,夹层普通混凝土受到钢管的约束,而核心SWSSC受到钢管和FRP管的共同约束,考虑到两部分混凝土的不同约束机制,在现有的FRP-钢复合管约束混凝土的计算模型的基础上,本文提出了钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的峰值点和极限点的计算模型;并利用FRP-钢复合管约束混凝土的应力-应变曲线模型,得到了钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的应力-应变预测曲线;在72个钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的轴压试验结果的基础上,对建议的模型进行了验证与评估。结果表明,提出的模型可以较好地预测钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的应力-应变曲线。最后,利用提出的应力-应变曲线模型对钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的轴压性能进行了参数化分析。

内置碳纤维增强复材管的双管海水海沙混凝土柱轴压性能

为了解决海水海沙混凝土在实际工程中的腐蚀问题,增强结构的抗震性能,提出了一种内置碳纤维增强复材(CFRP)管的双管海水海沙混凝土柱的新型结构,对12个内置CFRP管的双管海水海沙混凝土柱和4个普通钢管混凝土柱进行了轴向压缩试验,研究了钢管厚度和CFRP管层数对于其轴压性能的影响。试验结果表明,内部的CFRP管可以有效提高结构的承载力和延性,增强结构的抗压性能和变形能力。内置CFRP管的双管海水海沙混凝土柱的破坏往往伴随着其中1根CFRP管破坏,其余的CFRP管仍然可以提供约束,并在加载过程中依次破坏。基于面积等效和区域分割的理念,提出了内置CFRP管的双管海水海沙混凝土柱的轴压承载力计算式,并对预测精度和离散度进行了评估。