装配式RC串联滚轴隔震结构柱抗震性能试验研究

针对地震作用下RC串联滚轴隔震结构受力特征和损伤特点,提出适用于串联滚轴隔震结构柱的新型连接节点。通过开展1/2缩尺拟动力试验,研究采用新型连接节点的滚轴隔震结构柱在不同强度地震作用下的抗震性能。构造适用于滚轴隔震结构的一致危险设计谱,根据结构位移限值要求对滚轴隔震支座进行设计,通过数值模拟验证滚轴隔震支座的减震效果;结合不同超越概率的一致危险设计谱,分别选择地震波对装配式滚轴隔震结构柱进行拟动力试验研究,分析不同强度地震作用下装配柱和现浇柱的破坏形态、滞回曲线、刚度退化、耗能等抗震性能指标。研究结果表明:在超越概率为10%时,通过对非隔震结构柱和滚轴隔震结构柱进行数值模拟,计算得到剪力比为0.5,且通过试验研究发现,在超越概率为2%时,装配式滚轴隔震结构柱损伤指数为0.279,滚轴隔震支座发挥了良好的减震效果,装配柱在罕遇地震作用下发生轻微损伤;在超越概率为2%时,现浇柱最大裂缝宽度发展至1.8 mm,装配柱最大裂缝宽度发展至1.6 mm;对比骨架曲线、刚度退化、累积滞回耗能发现,装配柱承载力、初始刚度和累积滞回耗能较现浇柱略好。

超高韧性水泥基复合材料动态压缩力学性能的数值模拟研究

该文基于HJC本构模型,采用分离式霍普金森杆(SHPB)压杆系统,对掺有聚乙烯醇(PVA)纤维的超高韧性水泥基复合材料(PVA-UHTCC)的动态压缩力学性能进行了数值模拟研究。首先,通过系统分析确定了21项HJC本构参数,并验证了模拟的正确性。基于此,通过分析5组应变率下材料的动态压缩应力-应变曲线讨论了峰值应力动态增强因子DIF的应变率效应,并通过LS-DYNA软件探讨了破坏过程、破坏形态与应变率的关系。模拟结果表明:随着应变率的增加,PVA-UHTCC材料的动态压缩应力-应变曲线呈现由应变硬化主导向着损伤软化主导的转变趋势;此外,PVA-UHTCC峰值应力动态增强因子DIF具有明显的应变率效应,其值随着应变率增加而增加,且在不同应变率区间呈现不同敏感性;通过量化DIF这种分区敏感性,提出了适用于PVA-UHTCC材料的DIF与应变率对数■分段函数式;同时,通过对比钢纤维增强水泥基材料(SFRCC)和普通混凝土材料,发现PVA-UHTCC材料的DIF应变率敏感性较低。最后,通过LS-DYNA软件模拟试件裂缝扩展和压碎破坏过程,更好地理解了PVA-UHTCC材料动态压缩破坏行为。

考虑边框柱竖向荷载影响的加劲薄钢板剪力墙抗震性能试验研究与数值模拟

对边框柱承受竖向荷载的加劲薄钢板剪力墙进行了试验研究,完成了2个矩形钢管混凝土柱-加劲薄钢板剪力墙足尺试件的拟静力试验,试件参数考虑了竖向加劲肋等间距和变间距布置2种情况。试验结果表明:在边框柱承受高轴压力的情况下,试件极限位移角达到了1/30,表现出良好的延性和耗能能力。试件的塑性变形主要表现为钢板墙的面外屈曲,满足“强框架弱墙板”的设计理念。竖向加劲肋布置方式对试件抗震性能无明显影响。进一步采用非线性有限元法研究了初始缺陷和轴压比对试件抗侧性能的影响,分析结果表明:墙体的初始缺陷分布模式和面外挠曲幅值对试件推覆曲线的影响很小。当边框柱轴压比大于0.7时,试件的承载力和变形能力有所降低。基于试件表现出的抗剪控制型破坏特点,给出了试件抗剪承载力计算方法,计算值与有限元模拟值符合较好,与试验值相比偏于安全。

纳米改性超高韧性水泥基复合材料保温防渗永久性模板研究

为解决大坝混凝土材料在大体积施工及运行中因温度梯度产生脆性开裂这一难题,采用纳米改性超高韧性水泥基复合材料保温防渗永久性模板,研究纳米Si O2对材料力学性能、抗渗性能和导热系数的影响,借助扫描电镜分析其微观结构变化,计算分析保温防渗永久性模板对大坝混凝土温度应力的改善效果。试验中纳米Si O2掺量分别为0%,1%,3%和5%,研究结果表明UHTCC材料28d抗压、抗弯强度及抗渗能力随着纳米Si O2掺量的增加逐渐增大;纳米Si O2掺量为5%时,抗压、抗弯强度可分别达到52.7MPa及15.77MPa,而抗渗系数仅为3.54×10-9cm/h,约为普通混凝土的1/1800,且材料微观结构逐渐密实。但材料导热系数与微观结构密实程度没有正相关性,纳米Si O2掺量为1%时UHTCC材料导热系数最低,仅为0.406 W/(m·K),约为普通混凝土的1/4。以越冬期间混凝土大坝为例,通过计算分析得到当永久性模板厚度大于75cm时,可有效控制混凝土材料内部温度应力,防止混凝土表层脆性开裂,起到良好的保温效果,改善无坝不裂的现状。

超高韧性水泥基复合材料的层裂试验研究

层裂是材料遭受冲击、爆炸等高速荷载时的一种常见破坏方式。该文利用直径80 mm的霍普金森杆实验装置,研究了超高韧性水泥基复合材料UHTCC(Ultra High Toughness Cementitious Composites)中应力波的传播特性和材料的层裂强度。通过在试件表面粘贴5组应变片,获得了在0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa打击气压下,UHTCC中应力波的传播曲线。利用高速摄影机记录层裂试验,观测了UHTCC的层裂破坏过程。由试件表面应变片测得的应力波曲线,计算了材料中的应力波波速、动态弹性模量,分析了应力波在该材料中传播的衰减规律,并计算出不同打击气压下材料的层裂强度及应变率。试验结果显示:UHTCC的层裂过程相比混凝土具有更多的韧性特征;UHTCC中的应力波峰值在0 mm^500 mm范围内衰减迅速;在同等应变率下,UHTCC与静态抗拉强度相近的混凝土相比,层裂强度高出10 MPa左右,且UHTCC的层裂强度具有明显的应变率敏感性。

后浇UHTCC既有混凝土复合梁弯曲疲劳性能试验研究

为研究疲劳荷载作用下超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)对混凝土的增强作用,将UHTCC外浇层作为保护层,对既有着混凝土梁体一侧浇注UHTCC而制成的UHTCC/混凝土复合梁(UC复合梁)进行三点弯曲疲劳加载试验.实验结果表明:在疲劳荷载作用下,UC梁截面变形符合平截面假定;UHTCC层产生若干条可见裂缝,其数目随应力水平的下降而减少,混凝土层裂缝数目为1～3;复合梁随荷载循环的疲劳变形曲线表现出延性特征,呈现三阶段发展,变形能力随应力水平的下降而降低;在高周疲劳情况下,复合梁S-N双对数疲劳曲线线性良好.由此表明,利用超高韧性水泥基复合材料作为保护层能分散既有混凝土的表面裂缝,提高复合梁的变形能力和寿命.

内埋炸药下超高韧性水泥基复合材料的抗爆性能

为研究超高韧性水泥基复合材料(ultra-high toughness cementitious composites, UHTCC)在内埋炸药爆炸下的抗爆性能和损伤破坏规律,对不同炸药埋深下的UHTCC和高强混凝土(high-strength concrete, HSC)进行了内埋炸药抗爆实验。得到了两种材料靶体的破坏状态,并利用接触爆炸的实验结果计算出了两种材料的抗爆性能参数。结果表明,在相同条件下,UHTCC抗爆性能优于高强混凝土。为了进一步探究UHTCC的抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性对靶体在内埋炸药下抗爆性能的影响,首先,采用改进的K&C模型对炸药埋深为40 mm的超高韧性水泥基复合材料靶体进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本吻合,并根据数值模拟的结果得到了爆炸冲击波沿靶体径向衰减速度大于轴向衰减速度这一规律,验证了数值模型的有效性;然后,通过调整改进K&C模型中与抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性相关的参数,数值预测了不同抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性下UHTCC靶体的破坏状态,发现增强UHTCC的韧性可以有效防止靶体发生整体性破坏,增大UHTCC的抗拉强度可以减小靶体迎爆面的开坑直径,增大UHTCC的抗压强度对减小开坑直径效果不明显。

纳米改性超高韧性水泥基复合材料保温防渗永久性模板研究

为解决大坝混凝土材料在大体积施工及运行中因温度梯度产生脆性开裂这一难题，采用纳米改性超高韧性水泥基复合材料保温防渗永久性模板，研究纳米SiO2对材料力学性能、抗渗性能和导热系数的影响，借助扫描电镜分析其微观结构变化，计算分析保温防渗永久性模板对大坝混凝土温度应力的改善效果。试验中纳米SiO2掺量分别为0％、1％、3％和5％，研究结果表明UHTCC材料28d抗压、抗弯强度及抗渗能力随着纳米SiO2掺量的增加逐渐增大；纳米SiO：掺量为5％时，抗压、抗弯强度可分别达N52．7MPa及15．77MPa，而抗渗系数仅为3．54×10-cm／h，约为普通混凝土的1／1800，且材料微观结构逐渐密实。但材料导热系数与微观结构密实程度没有正相关性，纳米SiO2掺量为1％时UHTCC材料导热系数最低，仅为0．406W／（m·K），约为普通混凝土的1／4。以越冬期间混凝土大坝为例，通过计算分析得到当永久性模板厚度大于75cm时，可有效控制混凝土材料内部温度应力，防止混凝土表层脆性开裂，起到良好的保温效果，改善无坝不裂的现状。

矩形钢管混凝土柱-H形钢梁外顶板式节点抗震性能试验研究

针对钢结构住宅建筑中柱子宽度日趋减小的趋势,提出了柱内无隔板的矩形钢管混凝土柱-H形钢梁外顶板式节点。对7个新型节点试件进行拟静力试验,变化参数有钢梁截面、顶板厚度和顶板长边高度。试验主要研究了节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、承载力、刚度退化、强度退化、延性和耗能能力等抗震性能。试验结果表明:外顶板式节点共有梁翼缘受拉破坏、梁翼缘与顶板连接焊缝破坏、顶板与柱连接处的柱壁破坏三种破坏模式。节点延性系数为2.17~3.67,等效粘滞阻尼系数在0.2~0.3之间,极限位移角平均值为1/49,节点抗震性能满足"强节点弱构件"要求。增大外顶板的厚度或长边高度可提高节点承载力,钢梁翼缘、翼缘和顶板连接焊缝或柱壁的过早开裂会降低节点延性和耗能能力。最后提出在验算柱壁和连接焊缝极限承载力时,节点连接系数应取1.4;另外可采取梁端翼缘加强或削弱措施,以保证外顶板式节点具有足够的塑性变形能力。

型钢-UHTCC组合梁静载力学性能试验研究

为促进超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)在组合结构中的应用,开展了型钢-UHTCC组合梁静载力学性能试验研究。同时与型钢-混凝土组合梁试件的荷载-挠度关系、抗弯承载力、裂缝开展、破坏形态以及型钢与两种水泥基材料的变形协调性进行了对比分析。研究结果表明:在UHTCC与混凝土轴心抗压强度基本一致的情况下,UHTCC与混凝土两种材料之间的变形能力差异导致两种组合梁的静载力学性能存在明显差异。与型钢-混凝土组合梁相比,型钢-UHTCC组合梁的跨中最大挠度是其2.26倍,整体性更佳;相同荷载条件下的裂缝宽度仅为其50%左右;抗弯承载力提高了6.4%;跨中截面应变更加符合平截面假定;UHTCC能够与钢材变形协调、共同工作。

轻质超高韧性水泥基复合材料试验研究

通过掺入玻化微珠配制轻质超高韧性水泥基复合材料,研究了玻化微珠掺量对复合材料密度、强度、弹性模量及拉伸特性的影响。结果表明,随着玻化微珠掺量的增加,超高韧性水泥基复合材料的密度逐渐减小,抗压强度和拉伸弹性模量逐渐降低,极限抗拉强度先降低后提高,极限抗拉应变逐渐增大。当玻化微珠掺量为胶凝材料质量的23.5%时,轻质超高韧性水泥基复合材料密度为1.34g/cm^3,抗压强度为29.84 MPa、拉伸弹性模量为9.3 GPa,极限抗拉应变4.81%,极限抗拉强度4.03 MPa。

钢⁃UHTCC组合桥面板弯曲承载性能研究

为了研究正弯矩作用下钢⁃超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)组合桥面板的极限承载力和刚度,进行了相关理论公式的推导,并利用ABAQUS软件建立有限元模型,将有限元计算结果和理论公式计算结果进行对比。结果发现有限元计算得到的承载力和刚度都比理论公式计算得到的承载力和刚度大,有限元计算得到的承载力与理论计算值误差均在10%以内,有限元计算与理论计算刚度值的最大误差不超过5%,表明理论计算与有限元结果吻合良好,验证了这种理论计算方法的可靠性。

超高韧性水泥基复合材料功能梯度板接触爆炸数值模拟

超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)具有优异的韧性和吸能效果,采用UHTCC和UHPC材料制成的功能梯度板具有优越的抵抗爆炸冲击性能。为了更好地研究UHTCC材料在爆炸荷载下的损伤规律,设计出性能优良的防护结构,该文利用LS-DYNA软件对UHTCC功能梯度板接触爆炸进行了数值模拟。探讨了靶体材料、炸药量、配筋情况、能量吸收层厚度对结构抗爆性能的影响。研究结果表明,UHTCC功能梯度板可以有效减少爆炸荷载下的开坑、震塌以及靶体损伤,同时吸收更多的爆炸冲击波,从而达到优良的抗爆效果。配置拉结筋并合理设置能量吸收层厚度能有效减少靶体损伤。

活性粉末混凝土抗多次侵彻实验研究及数值预测

活性粉末混凝土(reactive powder concrete,RPC)具有超高的强度和优异的阻裂性能。为了研究RPC在多次冲击荷载下的损伤规律,采用25 mm口径滑膛炮对直径为600 mm、高600 mm的RPC圆柱形靶体进行了多次侵彻实验,得到了每次侵彻后靶体的破坏数据,并根据实验数据确定了Forrestal经验公式中的相关系数。基于K&C本构模型和现有RPC基本力学性能的实验数据,修正了K&C模型的强度面参数、损伤参数、状态方程参数、损伤演化模型以及应变率效应相关参数,系统地确定了RPC的K&C模型参数。采用LS-DYNA软件中的重启动功能模拟了弹体多次侵彻RPC靶体的破坏结果,模拟结果与实验结果基本一致,验证了模拟方法的有效性。对长2200 mm、宽2200 mm、高1260 mm的RPC靶体抗侵彻实验进行了数值预测,得到了侵彻深度与弹速之间的关系、弹体贯穿靶体时的极限速度以及弹体侵彻过程中的峰值加速度。

新型混凝土钢结构厚型防火涂料的研制

为了使新型混凝土钢结构防火涂料研制过程中能够快速地进行配合比优化,通过一系列的试验分析了粉煤灰、膨胀珍珠岩粉、水含量和引气剂等对防火涂料导热系数的影响,对开发的材料在简单加载条件下按照火灾标准升温曲线进行高温模拟,作为快速进行防火保护材料的筛选依据,并对筛选出的防火涂料进行钢结构防火涂料耐火极限测试。结果表明:粉煤灰、膨胀珍珠岩粉、水含量以及引气剂都对材料的导热系数有影响,但是起决定性因素的是引气剂掺量;按所筛选出的配合比制备的防火涂料耐高温性能良好,且在高温加载下仍能保持完整性和很好的韧性;该类型防火涂料的导热系数与密度有着密切的联系,并给出了对应的模拟曲线。研制的新型混凝土钢结构厚型防火涂料的性能符合GB 14907—2002《钢结构防火涂料》规定的一级防火涂料要求。

改进的圆形紧凑拉伸法研究混凝土双G断裂参数

双G断裂模型是双K断裂模型的延伸和补充。采用改进的圆形紧凑拉伸法进行试验,首先验证这种新型断裂力学试验方法能否获得稳定的双G断裂参数,并将公式K=(EG)^(1/2)得到的双K断裂韧度与直接计算得到的结果相比较,进一步验证双G断裂模型和双K断裂模型在描述断裂性能方面的等效性。同时研究了两种断裂模型参数的尺寸效应。试验试件直径从150 mm到300 mm变化,共计分为4组。试验结果表明,采用改进的圆形紧凑拉伸法测得双G参数的数值较为稳定,离散性较小。双G断裂模型和双K断裂模型在描述断裂性能方面具有很高的等效性。在本文的尺寸范围内,当试件直径大于200 mm时,起裂断裂参数KiniIc和GiniIc没有明显的尺寸效应,失稳断裂参数K_(Ic)^(un)和G_(Ic)^(un)随着试件尺寸的增大而增大,但增长幅度不大。

GB 50017—2017《钢结构设计标准》中多高层框架-支撑架的稳定解读

介绍了GB 50017—2017《钢结构设计标准》中多高层钢结构稳定计算的思路。首先,回顾了压杆弹性屈曲的欧拉公式,通过分析摇摆柱-悬臂柱体系、设置摇摆柱的框架和防屈曲支撑的构成,表明了压杆自身刚度和相邻构件的刚度为压杆本身、摇摆柱、芯杆提供了稳定承载力。然后,将这些概念推广到双重抗侧力结构中,则支撑架为框架提供了支持,因此要求支撑架在框架柱达到极限状态时应具有刚度。

钢⁃混凝土组合桥面板中UHTCC湿接缝抗弯性能数值分析

为了改进正交异性钢混组合桥面板湿接缝构造,开展了对负弯矩作用下使用超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为湿接缝的桥面板抗弯性能分析。使用有限元软件Abaqus中的黏聚力模型模拟UHTCC-混凝土接缝界面粘结力学行为,对不同配筋形式、不同湿接缝宽度的组合桥面板试件模型进行了参数化分析。模拟结果表明:配筋率提升对于接缝处抗裂性的提升效果显著,接缝的配筋率应当在3.35%以上;湿接缝应当设置桥面板在有栓钉约束的区域。

栓钉数量对组合桥面板受弯性能的影响

为了探究栓钉连接件数量对钢-超高韧性混凝土组合桥面板受弯性能的影响情况,采用数值模拟的方式进行了研究。在数值模型分析中,利用ABAQUS建立了9个有限元模型,通过四点弯加载得到了9个模型的荷载位移曲线和应力云图。结果表明栓钉数量基本不影响组合桥面板的刚度,但是在一定范围内增加栓钉数量可以增强UHTCC与桥面板之间的连接,提高组合桥面板的极限承载力,并且会增大横向钢筋受到的拉力。

UHTCC与RPC界面剪切断裂试验研究

为探究超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)与活性粉末混凝土(RPC)的界面黏结性能,采用双边缺口单边压缩试验方法,结合数字图像相关分析,测得了UHTCC/RPC复合试件界面的剪切断裂韧度。结果表明,双边缺口压缩试验是测定复合试件界面剪切断裂韧度的可行方法;复合试件界面剪切断裂有着很长的裂缝稳态扩展过程,与混凝土试件相比具有更为明显的延性;复合试件界面黏结良好,剪切失稳断裂韧度达到了整体浇筑的C60高强混凝土的1.37倍,具有优良的抵抗界面剪切断裂的性能。