新工科背景下土木专业课程思政探索与实践——以基础工程课程为例

针对目前新工科土木专业课程思政的研究与实践薄弱的问题,充分结合基础工程专业必修课课程思政教育范式,探讨课程思政的建设目标、建设思路、实践路径等。并以具体的教学案例详实地展示基础工程课程思政元素的挖掘方法和具体融入方式等,指出具体操作及依据,为新工科土木专业课程进一步深入贯彻和落实课程思政理念,加强专业课程思政建设和持续推广提供有益借鉴。

组合梁栓钉对高性能混凝土约束收缩效应研究

为探究高性能混凝土在栓钉约束作用下的收缩特征及开裂行为,制作了钢-混凝土组合构件,通过试验研究了不同栓钉因素对高性能混凝土约束收缩应变、约束度及开裂风险的影响规律,运用正交试验方法研究了栓钉直径、间距、高度对高性能混凝土约束收缩的影响,得到了主要敏感因素。结果表明:高性能混凝土较普通混凝土的约束收缩应变发展趋势更为平滑;各栓钉因素对约束收缩的敏感性影响的主次顺序依次为直径、间距、高度;混凝土收缩在组合梁高度方向上呈现出一定的收缩梯度,混凝土约束收缩应变随高度增加而增大,但栓钉高度在30 mm处、间距在75 mm处、直径在150 mm处对高性能混凝土约束收缩几乎没有影响;栓钉对混凝土的约束作用可定义为3个阶段,即约束增强阶段、约束下降阶段和约束稳定阶段;组合梁构件最大开裂风险发生在栓钉的根部,当栓钉间距由150 mm减少到75 mm,直径由13 mm增加到22 mm时,最大开裂风险分别增加了20.03%和36.05%,栓钉高度的改变对最大开裂风险没有影响;采用高性能混凝土以及直径小、高度高的栓钉布置方式可以有效减小混凝土的收缩及开裂风险。

混凝土桥梁耐久性2020年度研究进展

近年来,混凝土桥梁的耐久性引起广泛关注,混凝土桥梁的耐久性直接影响到长期服役桥梁的安全性和使用寿命,是桥梁研究的热点之一。目前,混凝土桥梁耐久性的研究主要分为两个方面:一是从材料的损伤机理层面入手,研究桥梁构件材料的破坏方式和影响因素,分析混凝土桥梁材料的耐久性影响作用机理;二是从桥梁结构的整体出发,研究桥梁耐久性能的设计、评估以及桥梁的养护方案等,探究提高混凝土桥梁结构耐久性的措施。为全面掌握混凝土桥梁耐久性的研究动态,从混凝土桥梁的设计、桥梁混凝土材料的耐久性研究、混凝土桥梁的钢筋锈蚀研究、混凝土桥梁的耐久性提升技术、不同服役环境对桥梁耐久性的影响、长期服役性能评估及寿命预测等方面对2020年关于混凝土桥梁耐久性的论文进行梳理,探讨未来混凝土桥梁耐久性的研究重点和发展方向。

钢桁-混凝土连续刚构协作体系桥梁顶推效应研究

为了研究合龙顶推工艺对铁路大跨钢桁-混凝土连续刚构协作体系桥梁长期变形的影响,建立了合龙顶推的分析模型,提出了基于桥墩侧移量的顶推力反演修正准则;并以某在建高速铁路大跨钢桁-混凝土连续刚构协作体系桥梁为背景,分析顶推力对主梁竖向下挠和桥墩弯矩的影响,以及钢桁架与顶推力对主梁下挠的影响比例关系。结果表明:合理的顶推力可以显著改善桥墩受力状态,并有效缓解主跨跨中下挠;钢桁架减小主跨跨中挠度的幅度相比顶推力较小,但对边跨的变形是有利的。建议综合考虑顶推效应和钢桁架来改善高速铁路混凝土连续刚构桥主梁下挠。

超高性能混凝土梁中大直径钢绞线合理间距数值模拟研究

为了研究大直径钢绞线在先张法超高性能混凝土(UHPC)梁中的合理间距,利用ABAQUS软件建立单根及双根大直径钢绞线的非线性有限元模型,研究大直径钢绞线与UHPC的界面黏结特征、钢绞线及其周围混凝土的应力分布规律。结果表明:部分黏结模型能够有效模拟大直径钢绞线与UHPC的界面黏结特征。在先张法UHPC梁中,以钢绞线中心为圆心,以1.4倍钢绞线公称直径为半径的范围内,约85%的预应力能传递给周围混凝土;在1.4倍钢绞线公称直径范围以外混凝土受钢绞线影响较小;随着混凝土强度的提高,预应力筋的传递长度逐渐减小,且接近线性变化。布置净距为1.8倍钢绞线公称直径时,两根钢绞线之间中心点处的混凝土应力远小于混凝土抗压强度,不会引起开裂。考虑适用性,建议先张法预应力UHPC结构中大直径钢绞线之间的净距不应小于1.8倍公称直径。

高速铁路钢桁加劲混凝土连续刚构桥梁长期行为预测研究

以一座在建高速铁路钢桁加劲连续刚构桥为对象,研究混凝土收缩徐变对其变形及内力的影响规律,探讨钢桁对连续刚构桥梁变形的影响机理,并研究环境湿度、加载龄期等因素对桥梁变形的影响程度。结果表明:收缩徐变效应引起桥梁的变形及内力均随时间增长而增加,钢桁使桥梁整体刚度大幅提高;安装钢桁可有效减小各阶段桥梁弯矩和变形,但钢桁对桥墩的水平变形抑制作用较小,建议采用合龙口顶推方式进行反向顶推以减小桥墩水平变形;环境湿度和加载龄期对钢桁加劲连续刚构桥梁的影响表现为挠度随加载龄期及相对湿度的增加而减小。

不同配合比下玄武岩纤维水泥砂浆的流动度及力学性能

为研究玄武岩纤维增强水泥砂浆(BasaltFiber Reinforced Cement Mortar,BFRCM)在不同配合比下的流动度和力学性能,通过改变水灰比、长短纤维混掺比例及添加减水剂来改变配合比,设计了2种纤维长径比、7种玄武岩纤维体积分数、3种水灰比、3种减水剂质量分数共制备了14组BFRCM试样。研究了不同配合比下BFRCM的流动度、抗压强度及抗折强度,通过峰值荷载后BFRCM的荷载-位移曲线的归一化处理量化分析了试样断裂后BFRCM的断裂韧性。结果表明,BFRCM的流动度随着玄武岩纤维体积分数的增加、水灰比的降低、减水剂的减少以及短纤维占比的增加而降低。水灰比的增加对BFRCM的抗压强度影响较小,且会降低其抗折强度。减水剂的应用对BFRCM的抗压、抗折强度存在一定的负面影响。长短玄武岩纤维的混掺能够通过其协同效应有效提升BFRCM的抗压和抗折强度,然而过多的短纤维占比会减弱玄武岩纤维对BFRCM的增强效果。增加玄武岩纤维体积分数、提高水灰比均能在一定范围内提升BFRCM峰值荷载后的断裂韧性。然而,长短纤维混掺中短纤维占比的增加和减水剂的应用则对BFRCM峰值荷载后的断裂韧性产生负面影响。

考虑胶轮电车-轨道耦合效应的导轨梁受力分析

为研究胶轮有轨电车系统中导轨梁和螺栓的受力及布置,基于LS-DYNA有限元软件,建立胶轮有轨电车和导轨梁三维有限元模型,分析车辆行驶速度、刹车初速度和螺栓间距对导轨梁和锚固螺栓受力的影响。研究表明,车辆行驶速度对导轨梁Mises应力峰值影响不大,对螺栓纵向剪力峰值有较大影响;导轨梁Mises应力峰值和螺栓纵向剪力峰值随车辆刹车初速度增加而增加;导轨梁Mises应力峰值和螺栓纵向剪力峰值随螺栓间距呈阶梯式增长,在螺栓间距为3.0~4.5 m区间内变化幅度较大。设计时,螺栓间距取值需综合考虑经济性与安全性,建议取3 m;实际运营中,应控制车辆行驶速度在80 km/h左右,并尽可能避免车辆高速紧急刹车制动。

基于响应面法的非对称钢桁斜拉桥参数敏感性分析

非对称钢桁斜拉桥受力和变形具有不对称性,其参数敏感性与对称钢桁斜拉桥有所差异。为了研究各参数对大跨度非对称钢桁斜拉桥结构响应的影响程度,本文采用响应面法构建结构响应与各个参数之间的显式关系式,利用梯度算法求解各参数对某一响应量的敏感度及敏感百分比。采用MIDAS/Civil建立全桥有限元模型,考虑整体升降温、板-桁温差、索-梁温差、低塔刚度、高塔刚度、拉索弹性模量及主梁重量7个参数,分别以中跨跨中挠度、主梁最大弯矩、主梁最大轴力、桥塔根部弯矩及塔顶纵向偏位为结构响应,研究各参数对非对称钢桁斜拉桥结构响应的影响程度。结果表明:主梁重量对结构各个响应的影响程度始终处于最高或者次高位,而其余设计参数对不同结构响应的影响程度均表现出较大差异。同一设计参数对不同结构响应的影响程度不同,应根据需要关注的结构响应控制主要影响参数。

考虑荷载类型及结构参数的轨道交通U形梁剪力滞效应

针对U形梁属于开口构件,其剪力滞效应不能直接套用成熟的闭口箱梁剪力滞效应的计算方法,研究了轨道交通U形简支梁的剪力滞效应。以青岛某地铁为背景,分别建立空间实体有限元模型和平面杆系模型。研究了3种不同类型荷载作用下U形梁剪力滞效应的纵横向分布规律;分析了4种结构参数变化下U形梁的剪力滞系数变化情况;计算了U形梁的有效宽度并与中国现行规范比较。研究结果表明:列车荷载是影响U形梁剪力滞系数纵向分布的主要因素,列车车轮作用位置处剪力滞效应明显;在一期恒载和二期恒载分别作用下均呈现出简支梁跨中区段剪力滞效应较小,支座区段剪力滞效应明显的规律。在剪力滞效应的横向分布中,3种荷载分别作用下U形梁道床板处的剪力滞效应均较腹板位置处明显。影响U形梁剪力滞效应增大的主要结构因素是梁高和底板宽度,其中梁高的影响显著,增加底板厚度能有效降低U形梁的剪力滞系数,而改变腹板厚度对剪力滞系数的影响甚微。目前中国规范为考虑桥梁剪力滞效应而采用的箱梁有效宽度计算不适用轨道交通U形梁,在考虑荷载类型和结构参数影响的基础上,建立的U形梁有效宽度修正计算公式与有限元模拟结果吻合良好。研究成果可为实际工程中U形梁的应力计算与钢筋配置提供参考。

堵头板对直线布筋先张法PC箱梁力学性能的影响

直线布筋先张法预应力混凝土箱梁中的预应力筋不能对梁端混凝土提供预剪力,不能有效控制混凝土斜裂缝的发展。通过在箱梁端部布置混凝土堵头板可以提高梁端截面的抗剪能力,但堵头板的存在会使箱梁内模板不便于拆除,降低施工的便利性,也造成了模板的浪费。为了研究设置箱梁堵头板的必要性和对梁端受力的影响,建立ABAQUS空间箱梁模型,分析堵头板设置与否、堵头板截面形式和厚度的变化分别对梁端附近截面的剪应力沿梁高分布情况的影响。结果表明:在直线布筋先张法预应力混凝土箱梁梁端布置堵头板具有必要性,综合考虑堵头板改善梁端受力性能的效率和经济因素后,建议采取厚度为60 cm的开方孔堵头板。

温度变化对大跨度钢管混凝土拱桥徐变效应的影响

为研究在非标准恒定温度条件下主跨575 m的钢管混凝土拱桥在运营阶段拱顶截面位移和应力的时变特征,结合考虑温度影响的CEB⁃FIP(1990)徐变模型,通过控制温度参数将温度变化引入到大跨度钢管混凝土拱桥的徐变效应分析中,并与JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》进行对比,分析了非标准恒定温度变化对徐变的影响,以及大跨度钢管混凝土拱桥长期变形和应力状态的预测偏差。结果表明:非标准恒定温度下,温度越高,混凝土徐变引起的主拱肋拱顶截面的长期变形越大,成桥10年时钢管和管内混凝土应力的变化幅度越大。CEB⁃FIP(1990)模型计算得到的主拱跨中拱顶处长期变形最大预测偏差为8.9%,成桥后10年主拱肋跨中拱顶截面钢管和混凝土应力最大预测偏差分别为7.5%和18.7%。在大温差区大跨度钢管混凝土拱桥的徐变效应分析中,建议考虑温度变化对混凝土徐变的影响,从而为运营阶段长期时变行为的预测提供更合理的参考。

粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土的抗碳化性能

F级粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土,即GPC-10(矿渣掺量10%,80°C高温养护)和GPC-50(矿渣掺量50%,标准养护)力学性能良好,为进一步研究其抗碳化性能,首先,对这两种地聚物混凝土进行了快速碳化试验,并与作为对照组的普通水泥混凝土(OPCC)进行了比较,通过抗压强度和劈裂抗拉强度评价了碳化对混凝土的损伤;其次,为分析损伤原因,分别通过X射线能谱分析(EDS)和压汞测试(MIP),对碳化后的成分和孔结构进行了研究;最后,建立了两种地聚物混凝土的碳化模型.研究结果表明:相比OPCC,地聚物混凝土的抗碳化能力薄弱,尤其是钙含量较高的GPC-50,其主要产物C—A—S—H会与CO2反应而发生分解,导致孔隙率增大,进而加快了碳化速率,且碳化深度与时间呈线性关系;OPCC、GPC-10以及GPC-50的28 d碳化深度分别达到了2.0、9.2、18.8 mm.

剪力钉约束下高强混凝土收缩特性的数值模拟研究

为研究高强混凝土在剪力钉约束作用下的收缩性能和开裂行为,利用ABAQUS建立了内置剪力钉的高强混凝土收缩有限元分析模型。采用控制变量法,探究了剪力钉高度、直径、间距以及混凝土轴向和侧向保护层厚度对高强混凝土约束收缩应变、剪力钉根部区域混凝土最大拉应力的影响,并对各计算工况进行了约束度计算分析。结果表明,剪力钉高度越高、直径越大、间距越小以及混凝土轴向和侧向保护层厚度越小,28 d龄期混凝土的全局约束收缩应变就越小。当剪力钉与混凝土板高度比值大于0.8、侧向保护层厚度大于125 mm后,全局约束收缩应变基本不再变化。混凝土的约束度在其龄期为2 d时达到峰值,28 d龄期时各模型约束度值相比其约束度峰值,下降幅度均在25%~29%之间。混凝土最大拉应力出现在剪力钉根部位置处,在7 d龄期时最大拉应力开始大于抗拉强度,出现开裂风险。使用高度小、直径大、间距小的剪力钉布置方式,以及增加轴向保护层厚度和减小侧向保护层厚度可有效减小混凝土最大拉应力值,降低开裂风险,但增加轴向保护层厚度需要适当考虑经济效益。

自攻锚栓极限抗拉承载力计算方法

自攻锚栓是一类具有装卸方便快速、施工可调性好、临界边界距离短等优点的混凝土后锚固机械锚栓,近年来得到了越来越多的工程应用.为保证自攻锚栓承载力符合要求及所锚固结构的安全性,需对其受拉时不同破坏模式对应的极限抗拉承载力进行严格的计算和设计.目前国内外对自攻锚栓承载力方面的相关研究均较少,对其受拉破坏机理的研究更是缺乏,使设计者仅通过厂家提供个别设计值对锚栓承载力进行估算和设计,不能准确计算理论承载力值.为了促进对自攻锚栓受拉拔破坏机理及其极限抗拉承载力计算的进一步研究,本文系统地总结了自攻锚栓在受外部静拉力荷载作用下锚栓拉断破坏、混凝土锥体破坏与组合破坏模式的形成机理,指出锚栓极限抗拉承载力及破坏模式与锚固深度的对应关系;详细介绍并分析了针对自攻锚栓各破坏模式的极限抗拉承载力预测模型;重点讨论了有关组合破坏模式极限抗拉承载力预测模型的研究现状,并展望了对其进一步验证及改进的必要性;最后描述了现有锚栓群组、间距、边距效应的计算方法,指出了对自攻锚栓在该领域研究的需求.

经徐变历程后钢管混凝土短柱轴心受压性能研究

为研究经徐变历程后钢管混凝土短柱的轴心受压力学行为,对采用直径250 mm钢管,内填C80混凝土的钢管混凝土短柱试件进行轴心受压试验。分析了钢管混凝土短柱在单调和往复荷载作用下的轴压性能,得到了其荷载-位移曲线和破坏形态随加载方式的变化规律,并将其承载力试验值同采用各国规范的计算值进行了对比。结果表明:钢管混凝土短柱的轴向刚度随往复荷载循环次数的增加而减少,且更易发生鼓曲;短柱的承载力试验值大于各国规范相关公式的计算值,试验值和计算值相差最大达到52.7%。对经徐变历程后的钢管混凝土短柱轴向刚度进行了修正,建立了内填高强混凝土的钢管混凝土短柱轴心受压有限元模型,分析结果表明,截面内力分配系数的变化规律和原始模型与修正模型之间的计算误差变化规律相似,皆为随着钢管壁厚的增加而减小,随混凝土强度增加而增大。

短切玄武岩纤维混凝土简支梁正截面受弯性能试验研究

为研究短切玄武岩纤维混凝土(chopped basalt fiber reinforced concrete,CBFRC)梁的受弯性能,以短切玄武岩纤维长径比、局部纤维层高度和纵筋配筋率为主要研究变量,对12根CBFRC梁进行了四点弯曲静力试验,通过观测其裂缝开展和破坏模式,分析了各参数对CBRFC梁的受力性能增益效果。结合试验结果,给出了考虑纤维影响的CBFRC梁开裂弯矩和短期刚度的计算公式。研究结果表明:短切玄武岩纤维能有效改善混凝土的力学性能,可以较好地抑制裂缝开展,提高混凝土梁的承载力;当纵筋配筋率为0.91%~2.54%时,开裂荷载提高了16.6%~25.5%,屈服荷载提高了0.0%~8.9%,且提高幅度降低;纤维长度为6~18 mm时,开裂荷载提高了16.5%~53.8%,屈服荷载提高有限(2.9%~5.8%);随局部纤维层高度增加,梁的开裂弯矩提高、增益效果明显,当纤维层高度达到试验梁截面高度的35%时,才可发挥对应的全截面纤维梁的增强阻抑效果;建议的开裂弯矩、短期刚度的改进计算模型均与试验结果有较高的吻合程度,并通过已有的试验数据验证了该改进模型的准确性及适用性。

短切玄武岩纤维对钢筋混凝土梁抗弯性能的增强效果试验研究

将玄武岩纤维作为增强材料掺入到混凝土基材中形成水泥复合材料,即为玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)。以玄武岩纤维长径比为试验变量,开展了BFRC梁的四点弯曲静力加载试验,研究其在受弯过程中的力学行为以及玄武岩纤维的增强效果;基于所收集的纤维混凝土材料力学性能试验数据,建立纤维混凝土抗拉、抗压强度与基体混凝土抗压强度、纤维掺量、纤维长径比之间的关系,并基于既有RC梁的特征承载力计算模型,提出适用于BFRC梁的特征承载力预测模型。研究结果表明:BFRC梁均满足平截面假定,玄武岩纤维的加入对BFRC梁开裂和极限承载力有提高作用,其中长径比为1200的BFRC梁特征承载力提高最为明显;同时玄武岩纤维的掺入增加了裂缝条数,抵抗裂缝向高度方向发展,并使其截面弯曲刚度增大;提出的BFRC梁改良特征承载力预测模型的计算结果与试验结果拟合程度良好,能较好地预测BFRC梁的开裂、极限承载力,并能反映纤维在混凝土梁中的增益作用。