基于内聚力模型的FRP布加固混凝土梁柱子结构受力性能分析

FRP-混凝土界面力学性能是影响FRP加固结构承载力的重要因素。建立了可模拟FRP布加固结构黏结界面非线性软化力学行为的双线性内聚力单元,考虑混凝土与钢筋的材料非线性,进行了FRP布加固混凝土梁柱结构静力加载全过程有限元分析。分析了FRP布及黏结界面的应力变化、界面与结构破坏机制以及结构的承载力,与试验以及不考虑界面黏结滑移的有限元分析结果进行了比较,以验证方法的合理性,并提出了改进FRP环形箍布置方式。有限元分析结果表明：FRP布的拉应力、黏结界面应力与损伤变量等呈现节点区域大、跨中小的分布特点,剥离破坏随加载过程由节点域向跨中扩展,混凝土开裂后,FRP布与钢筋共同构成了悬链线机制;有限元分析所得结构破坏过程与试验的基本一致,揭示了黏结界面退化对FRP布加固混凝土结构受力性能的影响,所得各阶段最大荷载与试验结果的相对误差小于5%;不考虑黏结界面性能的退化与FRP布的剥离,则高估了悬链线阶段FRP布的贡献以及加固结构的承载力。黏结界面内聚力模型可为FRP布加固框架结构的受力性能分析提供参考。     

装配整体式混凝土框架结构抗连续倒塌试验研究

节点连接的破坏和失效显著影响装配整体式混凝土框架结构在连续倒塌大变形下的抗力机理、破坏模式和变形能力。为研究装配整体式混凝土框架结构的抗连续倒塌性能,设计了3个1/3缩尺的两跨梁柱子结构试件,开展了拟均布加载下的静力连续倒塌试验和理论计算分析。包含1个现浇对比试件RC和2个采用不同梁柱纵筋连接方式的装配整体式试件PC,即梁钢筋通过机械套筒连接和锚固板锚固、柱钢筋通过半灌浆套筒连接的试件,梁钢筋通过90°弯折锚固、柱钢筋通过约束浆锚连接的试件。试验发现：由于后浇区混凝土强度的提高,装配整体式试件的压拱机制峰值荷载较现浇对比试件分别提高22.9%和20.2%;拟均布加载下,梁最终变形呈曲线,该变形模式下节点需要提供更高的转动能力才能保证梁整体变形满足T/CECS 392—2021《建筑结构抗倒塌设计标准》的挠度要求;在悬链线峰值荷载时相邻跨梁提供的水平约束能有效限制边柱的水平变形和装配式试件的坐浆层滑移。理论计算表明,装配整体式试件的压拱作用的倒塌抗力贡献率低于现浇对比试件,其原因是边柱坐浆层滑移削弱了梁端约束,进而降低了压拱机制承载力。采用能量原理评估了试件的动力倒塌抗力,由于压拱机制下的累积耗能能力较高,装配整体式试件的动力倒塌抗力分别比现浇试件提高了16.8%和18.8%。     

FRP筋与混凝土黏结破坏性能研究

对27个黏结试件进行拔出试验,试验参数为筋直径、黏结长度和混凝土强度。研究了FRP筋与混凝土的黏结破坏形式,试验结果表明:黏结长度较小、中等和较大时黏结破坏形式分别为筋拔出、混凝土劈裂和筋拉断破坏。混凝土强度和FRP筋直径等因素对黏结破坏形式没有直接影响。研究结果为确定FRP筋的黏结锚固长度和制定相关规范提供试验依据。     

预制页岩陶粒混凝土预留孔灌浆钢筋黏结性能试验研究

为研究页岩陶粒混凝土预留孔灌浆钢筋的黏结滑移性能,通过12个预制页岩陶粒混凝土梁式试件和2个现浇混凝土梁式试件的黏结滑移性能试验,研究了钢筋直径、螺旋箍筋配箍率、页岩陶粒混凝土强度对页岩陶粒混凝土预留孔灌浆钢筋黏结滑移性能的影响。试验结果表明:页岩陶粒混凝土预留孔灌浆钢筋的极限黏结强度随钢筋直径减小、页岩陶粒混凝土强度提高、螺旋箍筋配箍率增大而明显提高;所有页岩陶粒混凝土梁式试件最后均为黏结钢筋拉断破坏,没有发生黏结锚固破坏,表明页岩陶粒混凝土预留孔灌浆钢筋的黏结锚固性能优良,钢筋浆锚连接形式同样可应用于预制页岩陶粒混凝土构件连接。     

冻融循环作用下保温混凝土黏结滑移本构模型研究

冻融循环作用下,钢筋与混凝土之间的黏结锚固性能遭到破坏,而钢筋与混凝土之间的黏结滑移本构关系模型能够综合反映两者间的黏结锚固性能。通过中心拉拔试验,研究了冻融循环作用下钢筋与玻化微珠保温混凝土(TIC)黏结锚固性能的退化规律,测定了试件的黏结滑移曲线,并与普通混凝土(NC)对比分析。研究结果表明:冻融循环次数增大,钢筋与TIC试件黏结锚固作用减弱,极限黏结强度减小,峰值滑移增大,与NC试件变化规律一致;相同冻融循环次数后,TIC试件的极限黏结强度大于NC试件,且其峰值滑移小于NC试件;冻融循环200次后,TIC试件破坏形式为拔出破坏,而NC试件为劈裂破坏。进一步基于试验研究,提出了冻融循环作用前后钢筋与玻化微珠保温混凝土黏结滑移本构关系模型,该模型与试验结果吻合较好,对于玻化微珠保温混凝土材料在工程实践中的应用和相应规范的完善具有参考价值。     

基于能量方法的RC框架结构连续倒塌抗力需求分析II：悬链线机制

悬链线机制下的连续倒塌抗力需求计算是RC框架结构大变形阶段抗连续倒塌设计的关键。现有规范方法没有考虑非线性动力效应对该阶段抗力需求的影响,因而导致不安全的设计结果。根据RC框架结构基于能量平衡原理的抗连续倒塌抗力需求分析的理论框架,推导了RC框架结构在悬链线机制下抗连续倒塌子结构及其构件的非线性动力抗力需求与非线性静力抗力需求之间的关系,建立了RC框架结构悬链线机制下连续倒塌抗力需求计算的理论方法。通过数值算例验证了本文方法能够正确描述RC框架在悬链线机制下的连续倒塌抗力需求关系。     

现浇与装配整体式混凝土空间框架子结构的抗连续倒塌性能试验对比研究

为研究装配整体式混凝土空间框架结构抗连续倒塌性能与现浇结构的异同，设计并制作了3个2/3缩尺、3梁4柱的混凝土空间框架子结构试件，对中柱进行了力-位移控制的静力加载试验。其中一个试件是现浇混凝土(RC)结构，另外2个试件是装配整体式混凝土(PC)结构，梁柱节点构造分别采用90°弯钩连接及锚固板焊接连接两种形式。根据抗力、位移、应变、裂缝发展及破坏形态等试验结果对试件的受力变化及抗力机制进行了分析。结果表明：PC试件梁端的裂缝发展更集中，而RC试件的梁端裂缝分布更均匀，这对结构受力更有利。RC试件的抗连续倒塌能力优于PC试件，在压拱阶段两者差别不大，但在悬链线阶段，RC试件的荷载最大值为167kN，分别为90°弯钩节点构造形式和锚固板焊接节点构造形式的PC试件的1.57倍和1.22倍，并且RC试件钢筋断裂更晚，具有更好的塑性发展空间。     

高强钢筋与超高性能混凝土黏结性能试验研究

为研究超高性能混凝土(UHPC)与高强钢筋的黏结性能,设计并制作69个试件,通过拔出试验研究UHPC强度、纤维体积率、纤维尺寸形状、保护层厚度、黏结长度、加载方式和黏结段位置对黏结性能的影响。结果表明：试件的主要破坏形态包括拔出破坏、钢筋拉断和劈裂破坏,高强钢筋与UHPC界面的黏结强度随UHPC抗压强度、纤维体积率和长径比以及保护层厚度的增加而增大;纤维的掺入对高强钢筋与UHPC黏结强度提高作用明显;当纤维体积率从1%增长至3%,长径比从35增加到100时,黏结强度分别提高了23%和16%;但纤维形状的变化对黏结强度没有明显影响;黏结强度随着UHPC抗压强度和保护层厚度的增大而显著增加,随着黏结长度增大而降低,当保护层厚度超过4倍钢筋直径时,增幅基本不变;当黏结段位于加载端时,受拉拔出加载试件黏结强度仅为受压加载的77%,黏结段越靠近试件中部,加载方式对黏结强度影响越小。基于试验结果,确定临界锚固长度计算式,提出高强钢筋与UHPC的黏结强度计算式,同时建立黏结应力-滑移本构关系模型。通过试验结果及公式计算结果对比可得,现有的普通混凝土黏结强度公式低估了高强钢筋与UHPC的黏结强度,建议的简化公式预测结果与试验结果吻合良好。     

钢筋与混凝土黏结性能的影响因素

钢筋与混凝土之间的黏结性能是钢筋混凝土结构锚固设计的重要依据。根据现有研究,对混凝土原材料、强度、保护层厚度、钢筋外形特征、钢筋类型、试验方法等因素对钢筋与混凝土之间黏结性能包括破坏形式、黏结强度、滑移值等的影响进行了归纳总结,在此基础上提出了提高钢筋与混凝土间黏结性能的方法。     

环氧涂层钢筋与海水珊瑚混凝土的黏结性能

采取拉拔试验研究了环氧涂层钢筋与海水珊瑚混凝土间的黏结性能,分析了混凝土类型（普通混凝土、海水珊瑚混凝土）、混凝土强度等级（C25、C35）、锚固长度（48、90、128mm）、钢筋种类（普通钢筋、环氧涂层钢筋）及混凝土保护层厚度（67、42mm）对试件黏结强度与黏结滑移曲线的影响规律.结果表明：环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土试件的破坏模式主要为劈裂破坏,其黏结性能与普通钢筋混凝土试件有明显区别;海水珊瑚混凝土试件黏结强度高于普通混凝土试件,且黏结强度随混凝土强度等级和保护层厚度的增长而提高,随锚固长度的增长而降低,混凝土保护层厚度对黏结强度的影响最为明显;环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土试件的黏结滑移曲线可分为微滑移、滑移和下降3个阶段,钢筋种类和混凝土类型对曲线特征有明显影响.依据试验结果推导得到了环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土的黏结强度计算式,其计算值与实测值吻合良好,可用于实际工程.     

重复荷载下高强钢筋与混凝土黏结性能的试验研究

随着预应力钢筋强度的提高及钢筋外形的变化,加之抗震设计必须考虑的黏结退化,钢筋与混凝土之间的黏结锚固问题愈显突出。通过光圆钢棒、异形钢棒和螺旋肋钢丝拉拔试件在重复荷载作用下的拔出试验,比较了3种不同外形高强预应力钢筋的黏结特性,研究了螺旋状预应力钢筋与混凝土界面间的黏结锚固机理,并讨论了影响黏结锚固性能的主要因素。根据试验结果,给出3种高强预应力钢筋在等幅重复荷载作用下的特征荷载值与应力水平上限的关系式。结果表明光圆钢棒在重复荷载作用下与混凝土的黏结性能较差;而异形钢棒和螺旋肋钢丝具有较好的黏结性能,且螺旋肋钢丝的黏结性能优于异形钢棒。研究成果为承受重复荷载的此种高强预应力钢筋混凝土结构的设计提供了依据。     

混合侵蚀与冻融环境下钢筋与混凝土粘结强度退化的试验研究

钢筋与混凝土间的粘结力是二者共同工作的基本前提;粘结强度和粘结滑移关系是分析混凝土构件承载力和预测结构寿命的基础。本文通过室内模拟试验,研究了混合侵蚀与冻融环境下,钢筋与混凝土的粘结强度退化规律。探讨了环境作用、钢筋直径、混凝土质量对钢筋混凝土粘结性能的影响,得到了粘结滑移曲线。在试验研究的基础上,给出了混合侵蚀与冻融环境下粘结强度的计算模型。分析结构表明,钢筋直径越大,混凝土强度越低、水灰比越大,钢筋的极限粘结强度越低;应重视混凝土质量对粘结强度的影响。     

湿式连接装配式混凝土框架抗连续倒塌静力试验研究

梁柱节点连接在大变形下的承载和变形能力对装配式混凝土框架结构抗连续倒塌性能具有显著影响。对4个不同湿式节点连接的装配式混凝土框架试件和1个现浇试件进行了静力连续倒塌试验,其中梁采用了机械套筒、弯起锚固和预应力连接,柱采用套筒灌浆和浆锚搭接连接。研究发现：采用机械套筒时梁钢筋在套筒处集中断裂,试件在压拱机制和悬链线机制下的倒塌抗力均显著降低;梁钢筋采用弯起锚固时,试件受力行为和倒塌抗力与现浇试件基本一致;预应力能够显著提升试件在两个机制下的倒塌抗力,但是在极限倒塌变形下预应力锚具传递较大的集中力,导致节点区混凝土的局部劈裂破坏;柱钢筋的套筒灌浆和浆锚搭接连接能够承受连续倒塌大变形下的水平剪力作用,但是柱接缝灌浆层在显著的水平剪力作用下发生滑移,减弱了柱对梁的约束;机制转换时,压拱机制轴压力对试件倒塌抗力产生负贡献;机械套筒和预应力连接试件的梁轴力对倒塌抗力贡献比例分别高于和低于现浇混凝土试件。     

螺旋状高强预应力钢筋与混凝土粘结性能试验研究

螺旋肋钢丝、异形钢棒和光圆钢棒是近年开发的高强钢丝新品种。对112个拉拔试件进行了单调加载下的拔出试验研究,分析了3种新型高强预应力钢筋的外形特征,通过拉拔试验,探讨了其与混凝土的粘结锚固特性和受力破坏全过程,研究了影响粘结锚固性能的主要因素,并统计回归了高强预应力钢筋的锚固强度计算公式。试验研究表明,螺旋肋钢丝与异形钢棒在拔出过程中均发生明显的转动现象,荷载—滑移曲线形状均呈偏态的多峰衰减曲线,其粘结性能比光圆钢棒强而可靠,且锚固延性好,即使滑移很大时,仍能维持相当的锚固力。     

带肋钢筋锚固疲劳性能的评价方法

借鉴挪威DNV公司离岸混凝土结构设计标准(DNV-OS-C502)中的有关规定,计算了带肋钢筋与混凝土之间的疲劳黏结强度,得出了不发生黏结疲劳破坏时的钢筋允许疲劳应力幅[△os].在此基础上,对我国带肋钢筋锚固疲劳性能做出了对比评价,分析了提高带肋钢筋锚固疲劳性能的有效措施.     

钢筋-地聚物混凝土黏结性能梁式试验研究

通过10根钢筋-地聚物混凝土梁式试件的拉拔试验,研究了箍筋间距、拉拔钢筋黏结长度对钢筋-地聚物混凝土黏结性能的影响。结果表明：当箍筋间距从150mm减小至100mm时,钢筋-地聚物混凝土之间的黏结强度增加较少,但是试件的延性明显提高;随着黏结长度增加,试件由黏结破坏变为受弯破坏;对于直径d=18mm的拉拔钢筋(变形钢筋),7d的黏结长度可使其在钢筋-地聚物混凝土界面黏结破坏前屈服。将试验结果与已有文献中的钢筋-普通水泥混凝土梁式拉拔试件以及钢筋-地聚物混凝土中心拉拔试件的试验结果进行比较后发现,所制备的地聚物混凝土与钢筋之间的黏结强度不低于相近试验条件下普通水泥混凝土与钢筋之间的黏结强度;采用梁式拉拔试验测得的钢筋与地聚物混凝土之间的黏结强度高于相同试验参数下采用中心拉拔试验获得的黏结强度。     

600 MPa高强钢筋与混凝土的粘结锚固性能试验研究

为研究600MPa高强钢筋与混凝土粘结锚固性能,设计了72个棱柱体试件进行拉拔试验,对600MPa高强钢筋粘结锚固的破坏形态及粘结应力分布进行分析,通过建立基本粘结滑移关系及位置函数,确定600MPa高强钢筋在混凝土结构中的粘结滑移本构关系。采用一次二阶矩法进行可靠度分析,提出锚固长度设计建议。研究表明:600 MPa高强钢筋粘结锚固的破坏形态及粘结应力分布与普通钢筋类似且粘结锚固性能良好,《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)基本锚固长度计算公式依然适用于600 MPa高强钢筋。     

木材表面嵌筋黏结锚固性能试验研究

木材与钢筋之间的可靠黏结与锚固,是保证内嵌钢筋加固木柱协同工作的根本条件。为研究钢筋与木材的黏结滑移性能和锚固特性,对50个木材表面嵌筋试件进行了中心拔出试验,总结了试件的破坏形态,分析了黏结滑移曲线的分布规律。进而分析了锚固长度(80、120、160 mm)、钢筋直径(16、20 mm)这两个基本参数对极限荷载以及平均黏结强度的影响。试验结果表明:试件出现了4种典型的破坏形态,分别为拔出破坏、劈裂破坏、混合破坏以及剪切破坏,且黏结滑移曲线的分布与试件参数相关;随着锚固长度的增加,试件的极限荷载增加而平均黏结强度减小;随着钢筋直径的增加,试件的极限荷载增加而平均黏结强度基本不变。此外通过钢筋的内贴片方法得到了典型试件钢筋沿锚固长度的应变分布,参考既有计算方法计算并得到了黏结应力以及相对滑移量的分布规律,综合黏结应力以及滑移量的分布获得了各测点处的黏结滑移曲线。     

粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土粘结性能的影响

试验研究了粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能的影响。结果表明:掺加粉煤灰可以提高混凝土与钢筋的粘结应力;掺粉煤灰的混凝土拉拔试件钢筋应变沿锚固长度上的分布更均匀;粉煤灰掺量为20%的拉拔试件的极限粘结应力和极限滑移值均较大且粘结应力在锚固长度上的分布比较均匀。     

考虑钢筋与混凝土相对滑移的修正钢筋本构模型

为了研究钢筋滑移对钢筋混凝土柱抗震性能的影响,在材料层次上建立了考虑钢筋与混凝土相对滑移的修正钢筋本构模型。采用等效三段阶梯函数描述黏结应力沿黏结长度的非线性分布规律,结合钢筋双线性应力-应变关系,推导了锚固钢筋滑移和平均滑移应变的理论计算式。锚固钢筋的总应变定义为理想黏结的钢筋应变与平均滑移应变之和。分别通过屈服和极限应力对应的钢筋总应变修正弹性模量和硬化模量,进而得到间接考虑钢筋滑移的简化分段线性应力-应变关系。非锚固钢筋的滑移采用降低屈服应力和屈服应变的方法加以考虑。对于钢筋的滞回规则,采用Sakayi等修正的Menegotto-Pinto模型。将本构模型通过子程序嵌入ABAQUS软件中,基于纤维梁单元,对往复荷载作用下钢筋混凝土柱的非线性响应进行了数值模拟,并与试验结果对比,验证了该模型的有效性。结果表明,所建议的钢筋本构模型,数学表达形式简单且计算效率高,能够模拟地震作用下钢筋混凝土柱的承载力和变形特性,达到满足工程需要的精度。