考虑界面黏结滑移的玻璃纤维增强复材-混凝土组合梁力学性能数值分析

纤维增强复材(FRP)型材加混凝土翼板是目前研究较多的一种典型FRP组合梁/板结构,它既能发挥FRP优良的抗拉性能,又能弥补FRP型材因尺寸纤薄导致的构件刚度及抗剪性能不足。但目前数值分析中大多忽略了界面的黏结滑移及剥离,不能全面有效地分析组合梁的破坏机制及其力学性能。为此,针对一种玻璃纤维增强复材(GFRP)工字梁与混凝土板上翼缘组合梁,考虑胶结界面的黏结滑移及剥离,建立了界面双线性内聚力单元,分析组合梁加载过程中的界面力学行为以及组合梁的力学性能。与组合梁受弯性能试验结果的对比,验证了所建GFRP-混凝土组合梁有限元模型的合理性和有效性。数值分析结果显示:组合梁受力初始阶段,混凝土板上翼缘与GFRP型材在有效黏结下协同受力,随后混凝土受拉区产生微裂缝,界面黏结逐步损伤,结构的整体刚度降低,荷载逐渐主要由GFRP型材承担,结构的破坏模式及其承载性能受混凝土翼缘强度与胶层类型等影响。     

喷射FRP-混凝土界面的黏结滑移模型研究

为研究喷射FRP-混凝土界面黏结滑移关系,对5个试件进行了双面剪切试验以及数值模拟,分析其界面破坏模式、界面受剪承载力、加载端荷载滑移曲线、界面黏结滑移关系等力学性能指标,并对纤维体积率、喷射FRP厚度等影响因素展开了研究。最后在试验和数值模拟的基础上,建立了喷射FRP-混凝土界面黏结滑移本构模型,并将模型计算结果与试验结果进行对比。研究表明：纤维体积率和喷射FRP厚度对界面黏结性能影响较大;论文所建的界面有限元模型可较为准确地模拟喷射FRP-混凝土界面的黏结力学性能;提出的指数型理论计算模型具有较高的准确度及一定的安全裕度,可用于实际工程中分析喷射FRP-混凝土界面黏结力学性能。论文研究成果可为喷射FRP加固技术的应用推广提供理论基础。     

冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙受剪承载力计算模型

冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙（CTSRC剪力墙）在水平地震作用下经历整截面墙体受力和分缝墙体受力两个阶段,破坏模式和受力机理与传统剪力墙不同。剪跨比小于2.0 的CTSRC剪力墙在峰值荷载前表现为整截面墙体的受力性能,峰值荷载时宏观竖向裂缝两侧混凝土发生滑移,墙体逐渐演变为分缝剪力墙,有较好的耗能能力。针对CTSRC剪力墙的受力特征,将钢筋混凝土剪力墙的软化拉压杆模型与混凝土界面直剪受力的软化拉压杆模型相结合,考虑竖向裂缝处短细斜裂缝间混凝土破坏引起的竖向裂缝两侧混凝土的滑移,建立了CTSRC剪力墙受剪承载力的拉压杆－滑移分析模型和计算方法,计算结果和试验结果吻合良好,表明拉压杆 滑移模型可以较好地反映剪跨比小于2的CTSRC剪力墙的受力机理,能够较准确地预测CTSRC剪力墙的受剪承载力。     

FRP-圆钢管混凝土柱受剪性能试验研究

通过12根FRP-圆钢管混凝土试件和1根圆钢管混凝土对比试件的抗剪试验,研究环向包裹FRP布时圆钢管混凝土柱的受剪性能,分析了剪跨比、轴压比、含钢率、混凝土强度、FRP布层数等对FRP-圆钢管混凝土柱受剪性能的影响。研究结果表明,从开始加载至FRP布断裂,FRP布和钢管保持协同工作,FRP-圆钢管混凝土柱具有良好的变形能力。剪跨比和含钢率显著影响FRP-圆钢管混凝土柱的受剪承载力,FRP-圆钢管混凝土柱受剪承载力随剪跨比的增大而减小,随含钢率的增大而增大。增加FRP布层数、提高混凝土强度和增大轴压比均可小幅度提高FRP-圆钢管混凝土柱的受剪承载力。在试验研究的基础上,提出了FRP-圆钢管混凝土柱受剪承载力计算式,得出的计算结果与试验结果吻合较好。     

FRP-预裂缝混凝土界面黏结性能有限元分析

纤维增强复合材料布(FRP)与混凝土界面的黏结性能是粘贴FRP布加固混凝土结构中的关键问题。对预设裂缝混凝土表面粘贴FRP板的单剪搭接接头进行三维有限元模拟。在建模中考虑了预设裂缝与加载端的距离和FRP布粘贴长度两个变量,得出了FRP布与混凝土界面剪应分布曲线。基于有限元分析结果,着重对界面剪应力分布规律、剥离机理进行了讨论。研究结果表明:在加载初期,有裂缝试件的界面剪应力在裂缝处出现应力集中,当裂缝距加载端越近时,裂缝处应力集中越严重。有裂缝界面的有效黏结区首先是加载端与裂缝之间的区域,在此区域软化后,裂缝与自由端间的区域才有效地发挥作用。与无裂缝混凝土界面相比,预设裂缝界面的应力分布差异较大,从而影响其剥离机理。     

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。     

基于显式MCFT的钢筋混凝土梁受剪承载力计算方法研究

受剪承载力计算是钢筋混凝土结构中最基本的理论和工程设计问题,但由于其机理复杂、影响因素众多,目前仍没有一种被普遍接受的抗剪理论和计算方法。基于修正斜压场理论(MCFT),考虑了斜裂缝之间混凝土拉应力对受剪承载力的影响,通过合理简化,得到混凝土斜压杆角度的显式计算公式。考虑了斜向开裂后混凝土斜压杆在拉压双轴受力状态下的本构关系,编制了有腹筋钢筋混凝土梁受剪承载力的计算程序。最后推导了有腹筋钢筋混凝土梁受剪承载力的简化计算公式,相比MCFT,无需查表或迭代计算。建立了209根钢筋混凝土矩形梁的剪切试验数据库,采用统计特征值法和影响因素分析法,对提出的显式MCFT、GB 50010—2010、JTG D62—2004、ACI318-08和CSA-04规范中的抗剪计算方法进行评估,结果表明显式MCFT的计算精度较高。     

腹筋对轻骨料混凝土深受弯构件受剪性能及尺寸效应影响的试验研究

完成对称集中荷载作用下的8根轻骨料混凝土深受弯构件及2根普通混凝土深受弯构件受剪性能试验,分析了腹筋配筋率及截面高度对破坏过程及形态、荷载 跨中挠度曲线、特征荷载、斜裂缝发展趋势、纵筋及腹筋应变等的影响机制与规律,重点明确了腹筋对深受弯构件抗剪承载力及尺寸效应影响的作用机理。为合理量化腹筋在传力机制中的贡献,建立以腹筋作为竖向拉杆的改进拉-压杆模型(STM),结合对典型压杆有效系数模型的分析和评价,验证了改进STM的有效性。试验结果表明：试件主要发生剪压破坏,其破坏形态与截面高度无关,腹筋可有效约束混凝土剥落;随腹筋配筋率增大,名义开裂/极限强度呈增大趋势,而最大斜裂缝宽度随之降低;腹筋可在抵抗斜截面内部分拉应力的同时对压杆形成有效侧向约束,削弱尺寸效应影响。计算结果表明：与简化STM相比,改进STM能够合理反映腹筋配筋率对受剪承载力的影响,基于ACI 318.19压杆有效系数的改进STM的预测值与试验值吻合良好。     

CFRP板加固混凝土宽缺口试验梁界面滑移量求取方法

FRP板-混凝土之间界面的黏结能力可通过FRP-混凝土界面黏结滑移曲线来考量。为寻求相对准确的界面黏结滑移模型,研究外贴CFRP板加固混凝土梁界面特性,将混凝土梁的纯弯段混凝土保护层部分切除形成宽缺口梁,对混凝土梁实施外贴CFRP板加固,并对其进行四点弯曲加载,通过外置的测试系统可以精确测量CFRP板指定截面的移动量。试验和分析计算表明,用所设计的试验及其测试系统能够较准确地研究混凝土-CFRP板界面上的黏结剪应力及滑移特性,截面移动量易测,CFRP板受力明确且平均剪应力求取方便,可准确获取CFRP板与混凝土界面的滑移量及黏结滑移曲线,获取界面滑移量不需在CFRP板上密贴应变片,试验方法和界面滑移计算方法可为CFRP板与混凝土界面的特性研究提供参考。     

以花纹钢板为上翼缘的钢-混凝土组合梁试验研究

为研究以花纹钢板为上翼缘的钢-混凝土组合梁的承载力和破坏机理,对花纹钢板-混凝土界面受剪试件进行了推出试验,对组合梁试件进行了受弯性能试验,分析了试件的破坏特征、应变分布和荷载-位移曲线。试验结果表明:扁豆型花纹钢板与混凝土界面的黏结强度介于光圆钢筋和螺纹钢筋混凝土黏结强度之间,混凝土对钢板的包裹作用对界面黏结强度有重要影响;组合梁受弯性能试件的最大挠度达到L/45(L为组合梁跨度),呈现明显的延性破坏特征;钢梁-混凝土翼板处于良好的共同工作状态,达到完全抗剪组合承载力;组合梁抗弯刚度组合作用系数约为0.4,界面滑移对变形的影响不可忽略。根据试验结果,给出组合梁的钢-混凝土界面受剪承载力和界面抗剪刚度计算方法。     

Non linear behaviour of steel-concrete epoxy bonded composite beams

The bonding connection in steel-concrete composite beams is investigated in the case of static loading and normal strength concrete. Two 3-point bending tests performed on 4 meter span beams confirm that bonding could be very efficient allowing a large plastic strain without any shear failure if the bonding joint is properly designed. The measurements are close to the numerical results provided by non-linear beam models or non-linear FE model. However all the studied beam models do not allow a very accurate prediction of the behaviour close to the interface at failure in the case of shear failure. A realistic shear failure criterion suitable for bonded composite beams may improve numerical results.     

Short and long-term bond performance of prestressed FRP sheet anchorages

This paper discusses experimental results of the short and long-term behavior of the anchorage zones of externally bonded prestressed fiber reinforced polymer (FRP) sheets. An experimental program was conducted to investigate seven beams bonded with prestressed FRP sheets including anchored or unanchored FRP sheet ends. Using different layers of FRP sheet, the prestress level of FRP sheets varied from 20% to 40% of the guaranteed tensile strength. The experimental observation was conducted in an outdoor environment and lasted about twenty months when temperatures were in the 7–30 ^°C range. This study provides significant data on the development of the effective bonding lengths, as well as the initiation and propagation of debonding along the FRP-concrete interface due to creep effect of the adhesive layer. Although adhesive creep leads to debonding propagation at higher shear stress, this creep is favored at low shear stress because it increases the effective bond length which improves the bond capacity of FRP-concrete interface and prevents premature failure of the anchorages. The effective bonding length was found to increase to 50% due to creep of the adhesive layer. The anchored end of the FRP sheets using steel plates and anchor bolts is an effective solution to enhance the bond capacity of FRP-concrete interface for short and long-term loading.     

钢-混凝土组合梁加宽混凝土旧桥技术中组合横梁界面受力性能研究

在钢-混凝土组合梁加宽旧桥技术中,旧桥混凝土边梁与新加宽的钢-混凝土组合梁间的横向连接采用钢-混凝土组合横梁的形式,这种横梁形式较为新颖,目前相关试验研究尚未有报道。对6个钢-混凝土组合横梁进行试验研究,通过采用目前已有的新老混凝土植筋界面承载力计算方法对试验结果进行对比计算。研究结果表明:组合横梁界面的破坏模式为新老混凝土界面破坏,钢-混凝土界面没有任何破坏特征;新老混凝土界面黏结破坏以前,新老混凝土之间几乎没有滑移,整体性很强;新老混凝土界面黏结破坏以后,界面剪力主要由植筋承担,试件延性良好。针对钢-混凝土组合梁加宽旧桥技术中组合横梁的破坏模式,采用合理的材料本构关系,提出三阶段界面受力模型,理论方法计算结果与试验值吻合良好。通过理论分析确定界面的破坏机理:新老混凝土界面的极限抗剪强度由混凝土强度,界面粗糙程度和摩擦系数共同确定,界面正应力的存在有利于极限抗剪强度的提高;新老混凝土界面的残余抗剪强度主要由界面植筋提供,植筋率和植筋屈服强度是主要影响因素。最后,提出适用于实际工程的设计方法。     

钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下抗剪性能的试验研究

通过3根钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下的试验,研究了其变形发展及破坏过程,得到了组合梁的跨中剪力-挠度曲线、交界面滑移曲线和沿截面高度分布的应变变化曲线,分析了剪切连接程度、截面尺寸、剪跨比、材料强度、钢筋配置等因素对组合梁承载力和延性的影响。对钢梁进行了塑性分析,得出在负弯矩作用下钢-混凝土组合梁抗剪承载力的提高不是由于钢梁腹板的硬化效应所致,而是由于混凝土翼板的贡献,并提出了考虑混凝土翼板影响的组合梁在负弯矩作用下抗剪承载力计算公式。将计算结果与实测结果进行了比较,二者吻合良好。     

UHPC-NC叠层梁界面黏结性能的试验研究与数值模拟

对3根不同厚度比的超高性能混凝土-普通混凝土(UHPC-NC)叠层梁的静力行为与界面黏结性能进行了试验研究,观测到试验梁的最终破坏发生在界面处,说明UHPC-NC界面处的性能对叠层构件整体受力行为有显著影响,为此改进了现有的界面斜剪试验,使之更加准确地测量UHPC-NC界面的抗剪力学性能; 建立了可靠的UHPC-NC叠层梁二维有限元模型,采用局部损伤梯度模型模拟UHPC和NC材料的损伤,并创新性地将胶结作用力与摩擦作用力平滑地结合起来,开发了胶结和摩擦耦合模型来模拟UHPC-NC界面的破坏行为。结果表明:基于微观力学的胶结力与摩擦耦合模型可以有效模拟叠层梁的界面行为,且正则化操作能够有效提高模型计算过程中的稳定性; 有限元模型所得到的分析计算结果与叠层梁的加载试验结果接近; 有限元模型的分析计算结果体现了界面法向与切向应力的变化,为相关的界面行为研究提供了参考; UHPC-NC的界面强度性能至关重要,在某种程度上将决定叠层构件的受力行为,值得进一步地探讨与研究。     

植筋参数对UHPC-石材界面抗剪性能的影响研究

在桥梁结构的加固工程中，植筋是最常用的界面连接增强措施。为明晰UHPC加固石砌结构植筋界面的力学性能，通过30个UHPC-石材组合试件推出试验，研究不同界面植筋率、植筋深度和植筋间距对UHPC-石材界面抗剪性能的影响，分析不同植筋参数下组合试件的裂缝开展及分布情况和荷载 滑移曲线特征。结果表明：①未植筋UHPC-石材组合试件的破坏模式均为脆性破坏，而植筋试件则主要表现为以界面滑移和石材局部劈裂为主要特征的延性破坏模式，石材表面裂缝形态均呈现“八”字形的斜向裂缝；②当植筋率小于0.29%时，组合试件的界面抗剪强度和延性随植筋率的增大而逐级提升，植筋率为0.09%、0.19%和0.29%的抗剪强度分别是未植筋组合试件的1.54倍、1.98倍和2.66倍；当植筋率继续增大时，UHPC-石材界面强度却出现降低的趋势；③植筋深度和植筋间距对组合试件界面抗剪强度影响较小，而对UHPC-石材界面延性影响较大；④基于试验结果和有限元分析，建议UHPC加固石砌体结构中带肋钢筋的最大锚固长度为10d(d为钢筋公称直径)，植筋间距取50～100mm较为合理；考虑安全和经济等因素，建议UHPC与石材的界面最优植筋率为0.29%，而UHPC加固层厚度以50mm为宜。     

钢桥面-薄层CRRPC组合结构栓钉连接件抗剪疲劳性能研究

采用推出试验和弯曲疲劳试验,研究钢桥面板与薄层CRRPC铺装层间栓钉连接件抗剪疲劳性能。基于Von Mises材料破坏准则和双线性本构关系,对 推出试验模型进行有限元分析、静力试验和疲劳试验,得到不同加载比和界面联接方式下的滑移-加载循环次数曲线,以及栓钉连接件抗剪承载力;开展足 尺组合梁弯曲疲劳试验,考察组合桥面系统中栓钉整体抗剪疲劳性能。研究结果表明：加载比是影响栓钉抗剪疲劳寿命关键因素之一,对于推出疲劳试验, 加载比建议取0.4;钢板与CRRPC间的黏结效应是影响疲劳寿命另一重要因素,对于存在黏结效应的推出试件,在0.5的加载比下等效疲劳寿命可以达到92.2 万次,但无黏结时,疲劳寿命仅为16.9万次;控制栓钉间距是提高组合桥面抗剪疲劳性能的有效方式,在等效实桥应力幅下,即使钢板-CRRPC间不存在黏结 效应,栓钉布距为125mm×125mm,经过8888.9万次疲劳加载,组合梁界面仍没有发生疲劳破坏。     

长期荷载作用后钢-竹界面黏结性能分析

为研究钢-竹组合构件长期荷载作用后的整体工作性能,针对纯胶结型界面与复合胶结型界面共27个钢-竹界面试件进行了长期荷载作用后的推出试验,以界面形式、长期持荷水平以及持荷时间为基本参数,对钢-竹界面的承载力、黏结应力及相对滑移进行了分析。研究表明：钢-竹界面构造形式合理,具有较高的承载能力,长期荷载作用后试件界面完整性良好,复合胶结型界面试件的破坏具有显著的延性特征;2组纯胶结型界面试件在长期荷载作用后承载力发生衰减,衰减系数分别为0.91与0.81;纯胶结型界面的剪应力与相对滑移分布具有“两端大、中间小”的特征,2组试件界面最大剪应力分别为1.41MPa和1.25MPa,与短期荷载作用后试件相比,约衰减10%和20%,界面的相对滑移则略有增长;长期荷载作用后复合胶结型界面的承载力、黏结应力及相对滑移与短期荷载作用后试件相比,未发生显著变化,自攻螺钉可有效提高界面抗剪能力,按间距80mm加设自攻螺钉后,界面最大剪应力可达到1.7MPa。提出了长期荷载作用后的钢-竹界面黏结承载力计算方法,其计算结果与试验结果吻合较好。     

矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区受力性能试验研究

矩形钢管混凝土组合桁梁由混凝土板和矩形钢管混凝土桁架组成,在竖向荷载作用下,其正弯矩区可充分发挥混凝土板和桁架的组合作用,但负弯矩区的力学性能较为薄弱且受拉混凝土板容易开裂。针对这一问题,提出了在负弯矩区混凝土板施加预应力以及布置局部释放剪切作用的剪力钉相结合的组合桁梁结构形式。采用跨中施加反向集中荷载模拟连续梁支点反力的方法,对2榀承受负弯矩的矩形钢管混凝土组合桁梁进行了静力加载试验,对其荷载-位移关系、裂缝发展规律、混凝土板应变分布、桁梁荷载-应变关系、钢与混凝土界面滑移及承载力进行了分析。还根据组合桁梁的简化力学模型对不同加载阶段的结构特征荷载进行了讨论。结果表明：采用局部释放剪切作用的剪力钉和混凝土板施加预应力的组合桁梁结构形式可有效提高其抗裂性能,但对受弯承载力影响较小;在加载过程中混凝土板的开裂和杆件的屈服导致结构塑性变形增大,最终节点处焊缝撕裂,组合桁梁丧失承载力;由简化力学模型计算得到的结构特征内力与实测值吻合较好,可为矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区的设计和计算提供参考。