高延性水泥基复合材料高温作用后的拉伸性能

高温是高延性水泥基复合材料(ECC)在服役过程中可能面临的最不利工况之一,对比研究了聚乙烯醇纤维增强ECC(PVA-ECC)与钢纤维/聚乙烯醇纤维混杂增强ECC(HyECC)在常温以及200℃、400℃、600℃高温作用后的拉伸性能。研究发现,常温下利用钢纤维等量替代PVA纤维将劣化PVA-ECC的拉伸应变硬化能力。高温对PVA-ECC和HyECC的拉伸强度和拉伸韧性均有明显的劣化作用,高温作用后均已不具备拉伸应变硬化能力;PVA-ECC的拉伸强度与拉伸韧性随温度呈指数型衰减,钢纤维可以减缓HyECC拉伸强度与拉伸韧性的衰减速率;高温作用改变了PVA-ECC和HyECC的微观结构,PVA纤维在200℃时的软化以及400℃后的分解是2种ECC材料拉伸性能高温劣化的主要原因。     

钢纤维混凝土配筋梁落锤冲击试验研究

采用落锤冲击试验装置,进行了不同纤维含量的钢纤维混凝土配筋梁试件的抗冲击性能试验研究。获得了落锤冲击力、跨中位移及钢筋应变等试验结果,并记录了冲击荷载作用后试件裂缝的分布情况。根据试验结果对钢纤维混凝土配筋梁的动力响应特性、动态损伤过程以及内部能量耗散特点进行了分析和讨论。试验结果表明,钢纤维能够增强试件整体的韧性,增大冲击荷载作用时试件参与耗能区域的面积,从而提高试的件抗冲击承载能力;钢纤维含量越多,试件将在荷载作用全过程的受压阶段将消耗更多的能量,而在受拉阶段消耗的能量将减少。     

混杂纤维增强水泥基复合材料抗冲击性能研究

为了研究纤维体积率、纤维类型及水胶比对混杂FRCC抗冲击性能的影响,参照ACI 544建议的落锤冲击试验,通过自行设计的自由落锤冲击试验装置,进行了抗冲击性能对比试验。试验结果表明:与普通水泥基材相比,混杂FRCC的抗冲击性能有了显著的提升,且随纤维体积率的提升而提升;对混杂FRCC抗冲击性能的提升效果:PP纤维PVA纤维SE纤维;混杂FRCC的抗冲击性能随水胶比的提升呈下降趋势。     

钢-PVA混杂纤维混凝土抗冲击性能研究北大核心

为研究钢纤维与PVA纤维掺量对混凝土抗冲击性能的影响,对两种纤维不同掺量的混杂纤维混凝土进行落锤冲击试验,并设计素混凝土作为对照试验。试验结果表明,单掺纤维混凝土中,钢纤维较PVA纤维对混凝土抗冲击性能提升要大,单掺2%钢纤维时强度最大。加入PVA纤维使其强度和刚度得到再次的提升,其中2%钢纤维、0.1%PVA纤维掺量的增强效果最为显著,屈服载荷较素混凝土得到30%左右的提升,并通过不同冲击能量试验进行了验证。     

钢-PVA混杂纤维混凝土抗冲击性能研究

为研究钢纤维与PVA纤维掺量对混凝土抗冲击性能的影响,对两种纤维不同掺量的混杂纤维混凝土进行落锤冲击试验,并设计素混凝土作为对照试验。试验结果表明,单掺纤维混凝土中,钢纤维较PVA纤维对混凝土抗冲击性能提升要大,单掺2%钢纤维时强度最大。加入PVA纤维使其强度和刚度得到再次的提升,其中2%钢纤维、0.1%PVA纤维掺量的增强效果最为显著,屈服载荷较素混凝土得到30%左右的提升,并通过不同冲击能量试验进行了验证。     

冲击荷载作用下钢筋混凝土梁性能试验研究

在前期无腹筋梁抗冲击试验研究的基础上,为了进一步深入探讨冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的抗冲击性能,利用落锤试验机对一组简支配箍钢筋混凝土梁进行试验研究,分析了不同冲击锤重、冲击速度和冲击能量及二次冲击下钢筋混凝土梁的抗冲击行为。采用高速摄像机记录了各试件在冲击过程中裂缝的发生、发展直至破坏的全过程。与静力荷载下对比试件及冲击下无腹筋梁裂缝形态明显不同,在冲击荷载下本研究中配箍钢筋混凝土梁的裂缝分布出现随冲击能量的提高向冲击点局部集中的明显趋势,在较高能量下梁在冲击点附近发生剪切破坏。详细分析了冲击力、支座反力和位移时程曲线以及冲击力-位移曲线和支座反力-位移曲线的特征。为了分析冲击过程中梁的惯性力分布特点,采用大量程加速度计对冲击过程中沿梁长度方向不同位置的加速度响应进行了测量,由于惯性力的影响,梁的剪力分布发生明显改变。通过分析惯性力对梁的冲击响应的影响,对梁的抗冲击承载力的代表值进行了讨论。     

高温后PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究

对经过100℃、200℃、400℃、600℃高温处理后的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)进行了单轴压缩试验、单轴拉伸试验、剪切试验和四点弯曲试验,对不同温度下的试验结果进行了对比分析,拟合了高温后PVA-ECC各项性能的退化曲线,并通过扫描电镜观察了微观结构。结果表明:PVA-ECC在常温下能够表现出良好的变形能力;当温度由常温升至100℃时,抗压强度大幅下降,继续升至200℃时则有一定提高;当温度超过200℃以后,抗压强度、抗拉强度和极限拉应变均降低,试件由延性破坏变为脆性破坏;常温下,PVA-ECC试件表面密实完整,经过400℃高温处理后,试件呈现出稀疏多孔结构,温度超过600℃时,试件表面呈片状、海绵状形态。     

基于近场动力学的落锤冲击PVB夹层玻璃数值模拟

为了研究聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃(PVB夹层玻璃)在刚性冲击下的破坏模式和力学响应,采用基于近场动力学的键基PD模型模拟落锤冲击作用下的冲击力的变化情况及玻璃裂纹开展,并与试验结果进行对比验证;通过改变上、下玻璃层厚度、PVB胶层厚度及冲击初速度,系统研究PVB夹层玻璃的裂纹扩展规律和耗能特性。结果表明：键基PD模型可以很好地再现PVB夹层玻璃断裂失效和裂纹扩展行为,和试验吻合度很高;玻璃厚度越厚抗冲击性能和耗能能力越强,下玻璃层厚度影响大于上玻璃层厚度影响。随着PVB胶层厚度的增加,PVB夹层玻璃抗冲击性能以及耗能能力随之增加。同等条件下,增大PVB胶层厚度,能有效增加玻璃的耗能能力,取得较大的单位厚度耗能比,但PVB胶层厚度大于1.14mm后增幅变小。保持冲击能量不变,增大落锤的冲击初速度,明显改变了PVB夹层玻璃的破坏模式,其抗冲击性能和玻璃耗能也随之增加。     

基于CSC模型的UHPC构件侧向低速冲击分析

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)较普通混凝土具有更优异的强度、韧性和耐久性,广泛应用于桥梁墩柱和建筑承重柱,而上述构件存在车(船)、滚石等侧向低速冲击的潜在威胁,为此,针对UHPC梁/柱构件在侧向冲击下的损伤破坏和动态响应进行数值仿真分析。现有商用模型中广泛采用的混凝土动态本构模型均基于普通混凝土开发,如混凝土损伤(K&C)模型和混凝土连续面帽盖(CSC)模型等。基于作者前期开展的UHPC单轴拉/压、三轴压缩和Hopkinson杆动态拉/压试验,以及已有UHPC双轴等压和静水压试验数据,系统标定了UHPC材料CSC模型的强度面、帽盖、损伤、应变率和硬化参数,给出了一组适用于UHPC的CSC模型参数确定方法。进一步基于LS-DYNA商用有限元分析软件,对已有四组钢管UHPC梁和钢筋UHPC梁/柱构件的落锤冲击试验进行数值模拟,通过对比落锤冲击力、梁/柱动态挠度响应和破坏模式,验证了所提出的CSC模型参数计算方法的适用性和正确性。同时,对冲击过程中刚性落锤与构件之间的作用过程及能量耗散进行了讨论。结果表明：平头落锤冲击下构件经历了惯性抵抗、变形响应、构件回弹和脱离四个阶段;球头落锤冲击构件的惯性抵抗阶段不明显;随着冲击能量的提高,钢管(筋)耗能占比逐渐增大。     

低速冲击下双钢板混凝土组合墙的力学性能研究

对8片双钢板混凝土组合墙进行了落锤冲击试验和数值模拟,研究了冲击能量和轴向压力对试件力学性能的影响。试验记录了冲击力、轴力、位移和应变等时程曲线,分析了试件的动力响应全过程。采用ANSYS/LS-DYNA建立了双钢板混凝土组合墙在冲击和轴力共同作用下的有限元模型,根据试验结果验证了计算模型的可靠性,并进一步探讨了轴力和冲击能量对墙体抗冲击性能的影响。研究结果表明：双钢板混凝土组合墙在低速冲击作用下的动力响应经历了五个阶段;采用本文建立的数值模型可以很好地模拟墙体的力学性能;轴压比超过一定临界值后将极大降低墙体的抗冲击性能。     

PVA-ECC动态压缩性能研究

用杆径为50mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验研究了不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积分数和不同基体强度的高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)在3种应变率下的动态压缩性能.结果表明:PVA纤维可有效改善PVA-ECC试件的冲击破坏程度,且体积分数越大,试件冲击破坏时的整体性越好;PVA-ECC的动态峰值应力、峰值应变和韧性均随应变率增加而明显提高,表现出较强的应变率效应;PVA纤维体积分数对PVA-ECC动态压缩性能影响明显,尤其对PVA-ECC峰后韧性的影响最为显著,但对PVA-ECC抗压强度应变率敏感性的影响较小;较高基体强度PVA-ECC具有较大的动态峰值应力,但动态峰值应变提高不明显,且其峰后韧性明显降低,不同基体强度对PVA-ECC抗压强度应变率敏感性的影响也不太显著.     

钢筋混凝土铰支约束梁抗冲击性能试验研究

为研究钢筋混凝土(RC)框架梁抗冲击特性,取其反弯点间子结构作为试验对象,采用铰支约束边界,对两组试验梁分别进行了落锤冲击加载和静力加载,利用LS-DYNA显式有限元程序对冲击试验进行了数值模拟,并对试验工况进行了扩展分析。结果表明:试验梁在冲击和静力加载下破坏特性差异显著,在冲击加载下,随冲击速度的增加,梁抗冲击特性逐渐由局部破坏所控制,多次冲击加载对梁损伤累积作用明显;在静力加载下,通过梁自身的大变形及开裂抵抗外部荷载,裂缝分布范围广而密集,且发展充分。试验结果和模拟结果均显示,在试验梁纵筋配筋率较低时,增加受拉区纵筋能显著改善RC梁的抗冲击性能,但随着配筋率的提高,梁抗冲击性能逐渐由局部破坏所控制,数值模拟结果表明,配筋率和抗冲击临界垮塌耗能间大致呈抛物线关系,通过与试验梁静力加载失效耗能对比,可以偏保守地取静力加载失效耗能的90%作为试验梁抗冲击垮塌临界耗能,用以评估其抗冲击性能。     

Drop hammer impact behavior of double steel-concrete composite shear walls

基于双钢板-混凝土组合剪力墙的面外落锤冲击试验,采用LS-DYNA软件对其抗冲击性能进行有限元分析。通过与试验结果对比,校验了单元类型、材料本构模型及边界条件等建模方法的可靠性。采用该模型模拟分析了轴向压力、冲击动量和冲击能量对组合剪力墙动力响应的影响。分析结果表明：该有限元模型能有效地模拟双钢板-混凝土组合剪力墙在落锤冲击作用下的动力响应过程;随着轴压比n的增大,冲击力峰值先增后减,试件底部中心点挠度先减后增,说明轴向压力能提高组合剪力墙的抗冲击性能,但不宜大于0.5;冲击能量相同时,不同冲击动量对组合剪力墙的动力响应无显著影响;而冲击动量相同时,不同冲击能量对其动力响应影响显著。     

双钢板-混凝土组合剪力墙落锤冲击性能研究

基于双钢板-混凝土组合剪力墙的面外落锤冲击试验,采用LS-DYNA软件对其抗冲击性能进行有限元分析。通过与试验结果对比,校验了单元类型、材料本构模型及边界条件等建模方法的可靠性。采用该模型模拟分析了轴向压力、冲击动量和冲击能量对组合剪力墙动力响应的影响。分析结果表明:该有限元模型能有效地模拟双钢板-混凝土组合剪力墙在落锤冲击作用下的动力响应过程;随着轴压比n的增大,冲击力峰值先增后减,试件底部中心点挠度先减后增,说明轴向压力能提高组合剪力墙的抗冲击性能,但不宜大于0.5;冲击能量相同时,不同冲击动量对组合剪力墙的动力响应无显著影响;而冲击动量相同时,不同冲击能量对其动力响应影响显著。     

绿色高性能尾矿砂水泥基复合材料冲击韧性

冲击韧性是表征材料在冲击类强载荷作用下材料抵抗变形和断裂的能力,是体现材料动特性的重要指标。针对课题组开发的环保型延性尾矿砂纤维增强水泥基复合材料DFTCC,采用落锤冲击圆板法和扫描电子显微镜试验,测试了DFTCC的冲击韧性和冲击破坏的微观特性,通过宏观与微观相结合的方式研究了DFTCC的抗冲击破坏机理及配合比关键参数的影响。研究表明,DFTCC具有较好的抗冲击韧性,其试样冲击破坏分为两个阶段,冲击破坏具有典型的塑性破坏特征。PVA纤维掺量和水胶比对于对于DFTCC的抗冲击性能影响显著,在适当范围内增加纤维掺量和水胶比可以在一定程度上改善DFTCC的抗冲击韧性。PVA纤维在DFTCC内部分布均衡,与水泥基体黏结良好,最终呈现纤维拉出和纤维断裂两种破坏形态。为绿色DFTCC动态机械性能的确定和工程应用,提供了参考。     

冲击受损RC梁残余力学性能试验

为给冲击受损后钢筋混凝土（RC）梁的修复加固和结构安全评估提供参考,开展了3根RC梁落锤冲击受损后的静载试验及1根静载梁的对比试验,通过变化冲击能量使RC梁遭受不同程度的冲击损伤,对冲击受损后RC梁的残余力学性能进行研究。比较分析了不同冲击能量下受损梁的裂缝发展形态以及冲击力、支座反力、跨中挠度和纵筋应变变化规律;重点研究了不同受损程度梁的残余承载力、残余抗弯刚度和残余变形能力。在综合分析相关文献试验数据并对冲击能量进行标准化的基础上,拟合出冲击受损后RC梁残余承载力与残余抗弯刚度的计算公式。结果表明:随着冲击能量增大,冲击损伤梁挠跨比也增大,残余承载力和刚度总体呈下降趋势;相比未损伤梁,冲击损伤梁弹性抗弯刚度和极限抗弯承载力先增大后减小,但加载后期延性明显降低。     

高强PVA-ECC高温耐受性研究

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)具有抗拉强度高、受拉应变硬化和多点开裂等优点,是新型的延性水泥基材料,在建筑工程领域得到广泛使用。然而,该材料在高温作用下性能存在劣化现象,强度、延性降低将直接影响结构安全性,值得密切关注。研究了高强度(80 MPa)PVA-ECC的高温耐受性能,分别测试其残余力学性能并进行微观性能分析,并与低强PVA-ECC形成对比。结果表明,PVA纤维在200℃开始熔化,1 200℃则完全消失,桥接能力弱化显著。此外,材料强度越高,受高温作用后表观开裂现象越明显,但均未出现爆裂现象;ECC强度越高,高温作用后残余强度比降低;从SEM微观照片可知,试件在遭受高温作用后,内部孔隙变大,初始裂隙增加,是导致残余性能劣化的主要原因之一。     

无腹筋钢筋混凝土梁抗冲击行为试验研究

为了深入了解冲击下钢筋混凝土梁的抗剪性能,对六根无腹筋简支钢筋混凝土梁进行落锤冲击试验研究,对试验结果进行详细描述和分析。分析冲击锤重、冲击速度和冲击能量对梁抗冲击行为的影响,测量混凝土以及钢筋的应变时程和冲击力时程,并通过高速摄像机记录了试件在冲击荷载下裂缝的发生、发展和破坏全过程。获得梁的裂缝分布图和典型的破坏模式,并与相关梁抗冲击试验的破坏模式进行比较分析。分析通过应变片测得的数据发现,在冲击开始时,跨内靠近支座附近和半跨跨中位置处梁截面上部出现受拉应变,下部出现受压应变。当这些应变达到应变峰值后,拉压应变状态朝反向转变,反映出冲击开始时在梁跨内产生了明显负弯矩,惯性效应明显。最后对冲击过程中梁弯矩分布的特点进行分析,并对相关的梁抗冲击计算方法进行讨论。     

标准火灾作用下钢管混凝土短柱落锤动态冲击试验研究

采用落锤冲击实验机进行ISO-834标准火灾作用下钢管混凝土短柱抗冲击性能试验研究,考察受火时间、冲击速度、冲击能量和含钢率对其抗冲击性能的影响。试验量测钢管表面温度、冲击力与压缩变形时程曲线。试验结果表明,受火时间、冲击速度、冲击能量和含钢率均对高温下钢管混凝土的动态力学性能有影响;受火时间对冲击极限承载力和残余变形的影响最为显著,其余参数对冲击承载力影响不大,而试件的残余变形随着受火时间和冲击能量的增大而增大,随着含钢率的增大而减小。常温和火灾下钢管混凝土在冲击荷载作用下产生显著的压缩变形,遭受不同程度的破坏,但仍能够保持很好的截面完整性,说明钢管混凝土在火灾(高温)下具有良好的抗冲击能力,适用于有火灾(高温)抗冲击、抗倒塌设计需求的结构。     

玄武岩纤维混凝土抗冲击性能的试验研究

参考美国ACI 544规定,采用带导轨的自制落锤试验装置及抗弯冲击装置,研究普通混凝土、玄武岩纤维混凝土的冲压及动态抗弯冲击性能。结果表明,掺量为3.15 kg/m3的玄武岩纤维混凝土的抗冲击能力最强,破坏冲击次数最大,达到117次,试件初裂和破坏时冲击次数的差值达到25次,冲击功为2030.3 N.m,冲击延性指标比素混凝土提高166.7%。冲压加载下,素混凝土的破坏呈现出明显的脆性断裂,断口基本呈一字型,断口较为整齐,玄武岩纤维混凝土产生数条由中间向四周逐步开展的裂纹,呈放射状分布。动态抗弯冲击下,素混凝土断口较为平整,不同掺量的玄武岩纤维混凝土梁断口有一定弧形。冲压和抗弯冲击下,玄武岩纤维混凝土表现出较明显的"塑性"性质。