承压管的临界载荷及碳纤维缠绕后的增强作用

金属管外壁用碳纤维缠绕复合后,其承受横向与轴向压载荷的能力均茯得了明显的提高。尤其是细长管缠绕碳纤维后,对轴向压载荷的抗弯曲变形及抗压极限承载能力都有大幅度的提高。本文介绍了硬 Al 合金(LY-11Al 合金)圆管在外壁缠绕复合碳纤维前后承受压载能力的实验数据的对比,以及对未经缠绕复合的承压管的理论临界压力进行探讨,分析了缠绕碳纤维能提高承载能力的原因。     

碳纤维缠绕复合材料在潜水外压容器上的应用

在铝合金圆筒体外以浸渍树脂碳纤维进行缠绕复合增强，增强后的筒体耐静水外压能力大幅度提高；整体缠绕的全复合材料筒体，在耐静水外压能力及减轻自身重量方面也获得了明显的效果。此外，在铝合金细长圆管的外壁复合缠绕碳纤维，能有效地提高圆管对轴向压载荷的抗失稳与抗屈曲破坏能力。     

GFRP管-铝合金管纤维缠绕齿连接接头拉伸试验

为了实现复合材料-铝合金连接,提出了一种新型GFRP管-铝合金管纤维缠绕齿连接接头,对2组GFRP管-铝合金管缠绕齿连接接头试件进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-轴向应变曲线,同时利用有限元模型分析了GFRP管-铝合金管缠绕齿连接接头拉伸作用下的破坏机制。结果表明：接头试件的破坏模式为GFRP管齿的逐齿剪切破坏,破坏过程表现出延性特征并产生较大的轴向位移,试件对应GFRP管的平均极限拉应力为213.22 MPa;接头依靠齿的层间抗剪传递轴力,GFRP管齿是接头受力的薄弱部位,且各齿承受不均的荷载分配;齿的破坏始于齿根的角点处。     

玻璃纤维增强短钢管构件轴压试验和破坏模式仿真研究

该文采用试验和数值仿真手段,对缠绕成型玻璃/环氧复合材料（GFRP）增强薄壁圆钢管短柱在轴压荷载作用下的承载能力及破坏特点进行研究,讨论是否缠绕GFRP、径厚比、试件长度以及GFRP缠绕角度（圆管试件轴向到纤维纵向的角度）等因素对试件承载能力的影响。提出较为准确的复合构件数值仿真方法,采用ABAQUS的Explicit求解器并考虑GFRP的Hashin失效准则和GFRP与钢管之间的界面脱粘等因素,获得的模拟结果与试验现象吻合良好。在此基础上,对短管构件在不同GFRP体积率（GFRP体积/构件总体积）下的性能进行分析,获得了GFRP体积率对构件承载力的影响。     

缠绕线型对缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效的影响

采用细观刚度模型的有限元分析（FEA）与改进的逐渐累积损伤方法相结合,建立了缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效的分析方法与流程,以揭示缠绕线型对缠绕复合材料损伤失效的影响。对沿圆周方向分布有1个、3个和5个单胞的3种不同线型的缠绕复合材料圆管试件进行轴向拉伸破坏实验,获得其失效形式、平均拉伸强度及其随缠绕线型的变化规律。研究表明：缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效主要以丧失承载能力的功能失效为主,缠绕线型对其拉伸强度有一定的影响;数值分析结果表明,轴向拉伸过程中,主要损伤为基体开裂与基纤剪切,纤维交叉容易引起损伤起始与扩展。     

缠绕型CFRP圆管轴压力学性能

缠绕型CFRP管由于其编织角度的灵活性可以根据需要设计出力学性能不同的管构件,而缠绕型CFRP管的受力安全性能是其分析和应用的基本问题之一。首先对3种不同缠绕角度和长细比CFRP管进行压缩试验,着重观察了树脂基碳纤维增强复合材料的刚度、极限强度以及细观破坏模式。其次基于Chamis C. C. 刚度修正模型、开发了可以模拟各向异性材料拉压双模量的本构子程序（Usermat）,从而将Chamis C. C. 刚度修正模型导入ANSYS主程序中。并采用复合材料Hashin破坏准则验证了其本构模型。在此基础上,对加载过程进行了数值模拟,与试验结果进行比较,证明本构模型具有很好的适应性。最后基于试验结果与数值分析结果,得到了缠绕型CFRP细长管屈曲荷载计算公式。     

碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头拉伸失效机制

通过试验及数值模拟对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头轴向拉伸失效机制进行研究。基于ABAQUS有限元软件,通过连续介质损伤模型及内聚区模型,分别对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头各部件及界面进行模拟,编写用户自定义材料子程序(UMAT),建立复合材料的渐进损伤模型,最终得到碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头的应力分布和载荷-位移曲线,并与试验结果对比确定结构的失效机制。结果表明:有限元分析所得碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头损伤部位及失效模式与试验吻合,失效载荷与试验值相差较小,证明仿真分析方法的有效性。通过对比失效模式发现,拉伸载荷作用下,链环是主承力部件,其弧形端部是应力集中处,纤维断裂即从此处开始发生并向外扩展,导致链环断裂及整体结构破坏。      

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。     

抗紫外线高压钢丝缠绕增强聚乙烯复合管的制备及性能

针对目前钢丝缠绕增强聚乙烯复合管（简称钢丝管）无法露天使用及最大承压为3.5 MPa而不能满足高压领域应用的难题，制备了抗紫外线聚乙烯专用料，研制了最大承压7.0 MPa抗紫外线钢丝管。通过力平衡法设计了增强钢丝的配置，利用20℃和60℃静液压及爆破压力测试验证了钢丝管的承压能力，采用紫外光老化试验测试了抗紫外线聚乙烯专用料的抗紫外光效果。结果表明，通过4层钢丝缠绕增强结构使用400根直径1.2 mm钢丝，制备了高压钢丝管；钢丝管通过了20℃，14 MPa,1 h及60℃，8.4 MPa,165 h静液压测试，爆破压力达到21.9 MPa，说明钢丝管的承压达到设计压力7.0 MPa的要求；抗紫外线聚乙烯专用料经过336 h的紫外光老化试验，力学性能保持率大于80%，表明抗紫外线聚乙烯专用料具有良好的抗紫外线效果。     

内压作用下玻纤增强柔性管损伤失效预测

为深入探讨内压工况下玻纤增强柔性管的损伤失效机理，该文采用三维弹性力学理论，对柔性管三维本构关系开展理论分析，通过结合三维Hashin-Yeh失效准则与非线性刚度退化模型，建立了考虑基体材料非线性力学行为的柔性管三维渐进失效模型。采用静水压爆破实验对理论模型进行验证，在此基础上进行缠绕角度及径厚比等参数敏感性分析。理论模型与实验结果对比较为吻合；缠绕角度对柔性管在内压工况下的应力分布有较为明显的影响，随着缠绕角度的增加柔性管的首层失效荷载与最终爆破荷载均呈现增长趋势；随着径厚比的增加，柔性管承压能力迅速降低，但失效模式并未发生改变。     

CFRP约束钢管-活性粉末混凝土短柱轴压性能

为研究圆碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束钢管-活性粉末混凝土(RPC)短柱的轴压性能,以CFRP粘贴层数和钢管壁厚为参数进行了12根CFRP约束钢管-RPC短柱、4根钢管-RPC短柱及4根钢管短柱的轴压力学性能试验。通过荷载-位移曲线分析了CFRP层数和钢管壁厚对试件极限荷载和变形能力的影响,探讨了提高系数、CFRP应变效率和延性系数等相关性能指标,最后通过提高系数关联套箍率提出了CFRP约束钢管-RPC短柱承载力模型。结果表明:CFRP约束能有效地增强钢管-RPC短柱的承载能力和变形能力。与CFRP约束钢管-混凝土相比,CFRP约束钢管-RPC表现出CFRP应变效率的下降,并且其延性不如CFRP约束钢管-混凝土。在钢管-RPC承载力的基础上提出了实用的CFRP约束钢管-RPC短柱轴压承载力计算模型。      

海洋结构CFRP环向约束钢管混凝土柱在压弯扭荷载下的力学性能研究

为了研究CFRP环向约束钢管混凝土柱在压弯扭复合荷载下的力学性能,该文开展了4个CFRP环向约束钢管混凝土柱和2个钢管混凝土柱的拟静力试验,主要参数为CFRP层数和轴压比,得到了在弯扭、压弯扭两种荷载作用下柱的破坏模式和荷载-变形曲线。试验结果表明, CFRP环向约束钢管混凝土柱的破坏模式为弯型破坏,其破坏过程为:塑性铰区域钢管局部屈曲、CFRP形成环向裂纹,随后CFRP断裂、与钢管剥离,最后钢管局部屈曲部位开裂。轴力的存在会使得钢管更容易出现“象腿”破坏模式。在弯扭荷载下, CFRP环向约束对钢管混凝土的延性以及承载力提高不明显;在压弯扭荷载下, CFRP环向约束能有效提高钢管混凝土的延性及其耗能能力,减缓刚度退化,但对承载力的提高不明显。此外,增加CFRP层数能有效抑制钢管的局部屈曲,增强耗能能力。     

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。      

CFRP钢管混凝土长柱承载力的研究

通过对CFRP钢管混凝土和钢管混凝土两种构件轴压短柱的研究与比较,分析了CFRP钢管混凝土新型构件与钢管混凝土构件的差别与联系,为CFRP钢管混凝土长柱承载力计算打下基础;并对CFRP钢管混凝土长柱进行了试验研究,探讨CFRP钢管混凝土轴压长柱的受力性能以及CFRP对钢管混凝土轴压长柱承载力的提高效果,分析了长细比对CFRP钢管混凝土轴压柱承载力的影响;基于短柱极限平衡法的承载力设计相关公式从理论上推导出CFRP钢管混凝土轴压长柱稳定承载力公式,并与试验结果相比较,验证了理论公式的正确性。     

CFRP筋-高强钢筋/高强混凝土柱的抗震性能

为了研究高强钢筋和碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)混合配筋/高强混凝土柱的抗震性能,对CFRP筋-高强钢筋混合配筋的高强混凝土柱进行了低周反复荷载试验和有限元分析,研究了CFRP筋的粘结条件、不同轴压比以及高强混凝土种类等参数对其抗震性能的影响。结果表明:所有的高强混合配筋高强混凝土柱均发生延性破坏;在相同条件下,高强混合配筋混凝土中分别添加了钢纤维活性粉末和钢纤维后,表现出更好的耗能能力和延性;有粘结CFRP筋混合配筋高强混凝土柱比无粘结CFRP筋混合配筋柱的变形能力和承载力分别提高了9.6%和17.1%,但是延性系数降低了22.5%;在延性破坏的条件下,随着轴压比的增加,CFRP筋-高强钢筋混合配筋柱的屈服强度和极限强度明显增大,极限位移和耗能能力也逐渐减小;高强钢筋和CFRP筋配筋率越高,高强混合配筋柱的极限承载力和变形能力越大。      

受火后方钢管钢筋混凝土短柱剩余承载力研究

为研究方钢管钢筋混凝土轴压短柱火灾后的剩余承载力,设计并制作18根在核心混凝土中配置纵向受力钢筋的方钢管钢筋混凝土短柱进行明火试验和承载力试验,观察试件经历火灾后的破坏形态,获取柱的极限承载力等指标。在ISO 834标准升降温曲线作用下,基于ABAQUS有限元软件建立方钢管钢筋混凝土轴压短柱温度场和火灾后力学场分析模型,分析结果得到试验结果的验证,在此基础上,利用该模型对影响方钢管钢筋混凝土轴压短柱火灾后剩余承载力的参数进行了分析。试验结果表明:受火后的方钢管钢筋混凝土短柱承载力有一定程度折减,但仍具有较高的承载能力;配置纵向钢筋对核心混凝土起到更好地约束作用,配筋率的增大对于受火后试件极限承载力的提高作用明显;影响方钢管钢筋混凝土轴压短柱火灾后剩余承载力的主要因素是升温时间和构件截面尺寸;在常用参数范围内,回归方钢管钢筋混凝土短柱火灾后剩余承载力实用计算式。     

内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土结构研究进展

该文进行了内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土结构的轴压短柱、轴压中长柱、轴压长柱、纯弯构件、单向偏压短柱、单向偏压中长柱、双向偏压短柱、双向偏压中长柱的试验研究和有限元模拟,分析了内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土结构各类基本构件的受力全过程以及破坏模式,并提出了用于计算该结构各类基本构件的承载力以及变形的计算公式。在试验研究和数值模拟的基础上,将此种新型组合结构构件的力学性能与方钢管混凝土构件的力学性能进行了比较分析。     

CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能尺寸效应的细观分析

为研究CFRP加固钢筋混凝土方柱在地震作用下的破坏模式,该文考虑混凝土材料的非均质性、钢筋-混凝土间的粘结滑移作用,建立了CFRP加固钢筋混凝土方柱三维细观数值模型。在验证数值模型与试验结果吻合良好的基础上,扩展工况探讨了轴压比、CFRP体积配置率对CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能及名义抗剪强度尺寸效应的影响。结果表明:一定轴压比范围内柱的承载力随轴压比增大而提高,但其延性会降低;该文工况中,CFRP加固钢筋混凝土柱的名义抗剪强度随试件尺寸增大呈降低趋势,存在着明显尺寸效应行为;在经典材料层次尺寸效应律基础上,提出了CFRP加固混凝土方柱名义抗剪强度尺寸效应理论公式(适用范围轴压比小于0.4),模拟结果证实了公式的合理性。     

碳纤维增强树脂复合材料加固钢筋混凝土柱抗震性能的尺寸效应试验

研究了低周循环荷载下碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)柱的抗震性能的尺寸效应,并以边长为150~450 mm、剪跨比均为3的三组几何相似的钢筋混凝土柱为试验研究对象,考虑了CFRP层数、构件尺寸和轴压比等变量的影响。研究结果表明:在相同的截面尺寸和轴压比下,CFRP加固RC柱的水平承载能力、耗能能力、延性和水平位移相对于未加固柱均得到了不同程度的改善,并且存在尺寸效应;CFRP加固RC柱的无量纲水平承载力会随着构件尺寸的增加而减小,尺寸效应明显;随着CFRP加固RC柱的尺寸增加,构件的安全储备系数明显减小。      

圆角半径对碳纤维增强聚合物复合材料布约束型钢混凝土矩形短柱轴压性能的影响

为研究圆角半径对碳纤维增强聚合物 （Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）复合材料约束型钢混凝土矩形短柱轴压性能的影响,对1个对比构件和5个不同圆角半径的约束构件进行静力轴压试验。试验结果表明:随圆角半径增大,柱外围的CFRP复合材料布环向应变更高且分布趋于均匀;约束柱的峰值荷载和延性也随之增大,荷载-变形曲线在峰值荷载后由平缓的下降段逐渐向上升段转化。通过建立三维有限元模型进行数值分析,可见随圆角半径增大,构件横截面上混凝土有效约束区面积增大,混凝土压应力分布趋于均匀;型钢包围的核心区混凝土应力则显著增大。随后对截面的混凝土约束区域进行了划分,设定型钢包围部分为高强约束区,最后基于叠加法建立了约束组合短柱的轴压承载力计算公式。计算显示增大圆角半径降低了组合柱的横截面积,但却显著提高了约束后柱的轴压承载力。