聚脲包覆混凝土的压缩和吸能特性研究

混凝土结构在受到远超其极限强度的准静态或者冲击载荷作用时,常常发生粉碎性的破坏,导致结构坍塌。采用高弹性材料包覆混凝土有可能减缓结构的灾难性坍塌。该文研究了聚脲涂层包覆的圆柱形混凝土试件在准静态和动态落锤压缩下的破坏过程和吸能特性。实验结果表明混凝土试样的抗压强度存在明显的应变率硬化效应,观察到聚脲包覆混凝土和无聚脲包覆混凝土破坏后期残余承压特性的明显差异。分析了有无聚脲包覆混凝土的破坏形态,结果表明聚脲包覆混凝土的压缩吸能效果远远优于无包覆混凝土,有可能承压吸能构件应用于工程实际。     

海水海洋骨料混凝土霍普金森压杆动态力学性能试验研究EI北大核心CSCD

为研究海水海洋骨料混凝土动态受压力学行为,采用155 mm大直径分离式霍普金森压杆(separated Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置开展了15个淡水河砂碎石混凝土、15个海水海砂碎石混凝土和15个海水海砂珊瑚混凝土在不同冲击气压下的动力荷载试验研究,并分别与各自混凝土(累计9个)在静力荷载作用下的受压性能进行对比分析。研究结果表明:淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的破坏面在于骨料与水泥浆体的界面区,而海水海砂珊瑚混凝土的薄弱点为珊瑚骨料本身;淡水河砂碎石混凝土和海水海洋骨料混凝土的破碎程度、峰值应力、峰值应变、能量吸收密度、动态强度放大系数均随应变率的增加而增大;在同级应变率下,海水海砂珊瑚混凝土的动态峰值应力最大、海水海砂碎石混凝土的次之、淡水河砂碎石混凝土的最小,而应变延性系数正相反;海水海砂珊瑚混凝土的动态峰值应变和能量吸收密度比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的大;基于欧洲混凝土规范CEB的预测曲线基本能反映海水海洋骨料混凝土动态强度放大系数与应变率之间的关系,而相应的吻合程度也体现了海水海砂珊瑚混凝土比淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的应变率效应更加显著。     

硅烷封端聚脲的制备与性能EI北大核心CSCD

以二官能度端氨基聚氧化丙烯和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为原料,合成了异氰酸根封端的聚脲预聚体,再用硅烷偶联剂KH550对预聚体进行封端,制备了硅烷封端聚脲。用红外光谱、热重分析、差示扫描量热分析、拉伸强度、吸水率、静态水接触角等手段对材料的结构和性能进行了表征,并讨论了NCO与胺基的摩尔比(R值)对材料性能的影响。结果表明,经过封端改性后,聚脲的力学性能、热稳定性、耐寒性和耐水性得到明显提高,R值为1.05时拉伸强度达4.14MPa,断裂伸长率为420%,在去离子水中放置96h吸水率仅为2.72%,静态水接触角达到78.2°。     

聚脲涂层对装甲钢板抗爆性能影响的试验与数值分析EI北大核心CSCD

为研究聚脲涂层喷涂位置及涂层厚度对钢板抗爆性能的影响规律。对4种不同类型喷涂结构及纯钢板结构进行2 kg TNT(trinitrotoluene)炸药爆炸试验,并采用LS-DYNA仿真软件对试验工况进行数值模拟,比对试验结果验证数值计算的可靠性,同时在理论层面对迎、背面喷涂结构中的应力波衰减特性进行计算分析;在此基础上,进一步研究涂层厚度对背面喷涂结构抗爆性能的影响规律。结果表明:相比于无喷涂、迎面、双面喷涂结构,背面喷涂展现出更显著的抗爆潜力,其形成的大阻抗比结构是有效衰减应力波峰值的重要原因;等钢板厚度条件下,增加涂层厚度能有效提升结构抗力,但提升程度随着聚脲/钢板厚度比的增加而不断降低;等面密度条件下,增加涂层厚度结构呈现加剧破坏趋势。     

泡沫填充型蜂窝纸板面外压缩性能实验研究EI北大核心CSCD

对泡沫填充型蜂窝纸板的面外压缩性能及其影响规律进行了试验研究。将不同密度的聚氨酯泡沫以不同填充方式填充入不同边长的蜂窝胞元中,以不同的压缩速率对上述泡沫填充型蜂窝纸板进行准静态压缩试验,结果发现:蜂窝胞元边长显著影响泡沫填充型蜂窝纸板的面外压缩性能,初始峰值应力和平台应力均随着胞元边长的增大而减小;当使用低密度(高发泡倍率)的泡沫填充蜂窝纸板时,初始峰值应力和平台应力均优于高密度(低发泡倍率)泡沫填充型蜂窝纸板;部分填充和完全填充的泡沫填充型蜂窝纸板相对于未填充的蜂窝纸板的平台应力和吸能性能均有大幅提升,不但降低了初始峰值应力,还提高了平台应力,对面外压缩性能和缓冲性能改善明显;在2 mm/min^50 mm/min的压缩速率区间内,泡沫填充型蜂窝纸板面外压缩性能受压缩速率的影响不显著。本文的研究成果可为蜂窝纸板的合理使用及多目标优化提供依据。     

新型CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性研究EI北大核心CSCD

点阵夹芯结构因其优异的力学性能、出色的能量吸收能力、独特的功能性,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而,传统点阵夹芯结构在面外压缩载荷下存在应力分布不均匀、节点应力集中等缺点。为了解决上述问题,该研究基于体心立方结构(body-centered cubic,BCC)提出了一种新型的余弦函数单元基(cosine function cell-base,CFCB)点阵结构。为了研究CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性,制备了CFCB点阵夹芯结构,开展了准静态压溃试验,并与BCC点阵夹芯结构的试验结果进行对比。结果表明,CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下的承载与能量吸收能力明显优于BCC点阵夹芯结构。随后,基于有限元模型,系统揭示了芯子单胞直径、幅值、周期长度等胞元参数及厚度方向上的单胞层数对CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下吸能特性的影响。相关研究成果有望为新型CFCB点阵夹芯结构设计提供参考。     

铝粉动态压缩动力学特性研究EI北大核心CSCD

为得到韧性粉末在动态压缩下的力学行为,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对微米级铝粉进行了不同加载条件下的动态压缩实验。利用高速摄像机和红外测温系统(infrared temperature measurement system,ITMS)分别记录散斑场的发展和动态加载过程中铝粉试样的表面温度。从10^(-4) s^(-1)~3600 s^(-1)应变率范围内,铝粉应变率效应明显。数字图像相关法(digital image correlation,DIC)结果表明,试样整体变形不均匀,压缩前期试样压实由颗粒平动主导,后期转变为颗粒旋转和滑移主导。ITMS结果表明,与固体材料温升特性不同,加载后铝粉试样的辐射温度仍然上升。在铝粉试样中,由于有大量孔隙,颗粒在应力波驱动下加速运动,冲击能转化为颗粒动能,试样进一步压缩后,孔隙减少,颗粒运动受到限制,动能转化为颗粒内能,试样温度升高。     

基于静水压理论的混凝土冻融破坏演化模型EI北大核心CSCD

定量分析混凝土材料的抗冻性能是数字混凝土时代的基本要求之一,在全面分析混凝土抗冻性能影响因素和现有混凝土冻融破坏假说的基础上,推导了混凝土冻融破坏理论模型,该模型以内因和外因为自变量,以材料的微、细观结构演变为核心,实现了混凝土抗冻性能的定量分析。模型计算分析表明:水泥水化产物物理力学性能、引气泡含量及孔径分布、最低温度、降温速率、应力水平、材料溢出距离等内、外因素,从不同角度、不同程度影响水泥基材料的冻融损伤特性,合理设计引气泡含量及引气泡孔径,方能有效提高混凝土的抗冻耐久性。且上述分析结果同已有研究成果有较好契合。研究成果能为混凝土的抗冻设计提供参考。     

胞元结构准静态压缩力学行为及吸能特性研究

为探究结构构型和规格参数对胞元结构综合力学特性的影响,设计了7种体积相等、结构构型不同的胞元结构,开展了准静态压缩试验,得到了各胞元结构的变形破坏过程和应力应变关系,分析了胞元构型和壁厚变化对结构承载能力及能量吸收性能的影响,结果表明：内凹鼓形、内凹六边形、内凹弧形胞元结构均呈现出宏观负泊松比特性,外凸六边形、外凸鼓形、正方形胞元结构呈现出宏观正泊松比特性,外凸弧形胞元结构呈现出近似零泊松比特性;胞元结构的直立壁面和曲面(折线面)共同承担压缩载荷,直立壁面主要发生失稳变形,曲面(折线面)主要发生弯曲外张变形或弯曲回缩变形,直立壁面的失稳临界载荷和屈曲模式对结构承载力和平台应力起主导作用;在各个宏观正泊松比胞元中,外凸六边形胞元的结构承载能力较强,外凸鼓形胞元的结构吸能特性较好,在各个宏观负泊松比胞元中,内凹弧形胞元的结构承载能力和结构吸能特性均较好。     

ECC冲击压缩力学特性及耗能机制的试验研究EI北大核心CSCD

基于分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)在14.8~16.3 s^(-1),31.8~36.5 s^(-1),57.8~65.5 s^(-1),167.3~200.2 s^(-1)4个应变率范围下进行冲击压缩试验,探究ECC在不同应变率下的动态力学特性及耗能机制。试验表明:ECC的动态抗压强度和动态峰值应变呈现出显著的应变率增强效应,在低应变率下纤维掺量对ECC动态抗压强度和峰值应变的增加作用较强,在高应变率增强作用不明显;纤维掺量对ECC在不同应变率的应力应变曲线具有类似的影响,在低应变率下纤维掺量对ECC应力应变曲线形态的影响大于高应变率;ECC的耗能能力与破坏形态有关,在能耗比达到90%以上时,纤维掺量为2.00%和2.30%的ECC的完整度是基体材料的4倍,充分体现了ECC在抗爆加固领域的优势,为ECC在抗爆抗冲击领域的应用提供技术参考。     

大跨度钢管混凝土系杆拱桥吊杆索力分析EI北大核心CSCD

针对大跨度钢管混凝土系杆拱桥吊杆索力问题,在基于能量法推导不同约束条件索力公式的基础上,结合工程实例,从吊杆设计阶段索力的优化、成桥阶段索力的实测、运营阶段索力抗弯刚度的影响三个方面进行系统分析并给予相应优化建议。研究结果表明:应用能量法推导的索力公式是可行的;设计阶段优化后吊杆索力更为均匀、系梁位移更加合理;应用频率法测试吊杆索力时,测试点位宜放在吊杆L/6~L/4处,尽可能远离吊杆两端并避免放在阵型的模态节点处,以减少端部低频信号对基频的影响及出现“漏频”现象;吊杆计算抗弯刚度与运营阶段实际抗弯刚度存在差异,导致索力测量值与结构实际索力存在较大差异,针对这一问题提出成桥阶段应测量吊杆实际抗弯刚度的方法,可有效减小索力测量误差,为桥梁运营阶段索力的准确测试提供计算依据。     

瓦楞复合材料静态压缩吸能性能研究

基于4种不同结构瓦楞复合材料的静态压缩试验,用单位体积单位质量材料的最大变形能来表征其缓冲吸能效率,比较了4种材料的吸能性能.折叠型瓦楞复合材料的承载性能最高,其静态压缩吸收的最大变形能也较大;0/90/0交叉叠置瓦楞复合材料和0/0/0平行叠置瓦楞复合材料的缓冲性能非常相似,其承载能力不高,但回弹性较好;瓦楞/蜂窝/瓦楞以很少的材料大大提高了复合材料的厚度,且其缓冲吸能效率比单纯的瓦楞叠置有所提高.该研究成果为缓冲用瓦楞复合材料的选用提供了数据支持.     

周期性轻质多孔结构在能量吸收和振动方面的研究进展EI北大核心CSCD

周期性多孔结构以其轻质、高强等优异的力学性能和减振、能量吸收等多功能特性引发诸多学者越来越多的关注。该研究对近年来周期性超轻多孔结构及其填充混杂复合结构在能量吸收和振动性能方面的研究情况进行了综述。首先,概述了超轻多孔结构在减振和抗冲击性能方面优势明显的胞元及结构形式;其次,对于能量吸收方面,重点从准静态载荷、冲击载荷和应用三个角度评述了研究成果;然后,针对振动特性,介绍了振动分析、减振隔振和振动特性应用方面的研究工作;最后,展望其后续的发展方向,包括基于增材制造的多孔结构的动态力学模型研究、超轻多孔结构的疲劳及损伤容限性能研究、多孔结构在多场及多种载荷下动态力学性能研究、面向吸能和减振的多孔结构胞元设计和填充材料组集优化方法、面向工程应用的多孔结构材料功能一体化设计等。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管多胞填充结构吸能特性的准静态压缩试验

针对现有研究对复合材料多胞结构吸能特性研究的不足,提出了一种由多根小尺寸的单根碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管(Single CFRP tube,SCT)填充进大尺寸碳管组成的多胞填充结构(Multicellular filling structure,MFS),并分别对SCT和MFS进行了单次全行程加载和多次分段加载的准静态压缩,分析了其压缩破坏模式和吸能特性。研究结果表明:MFS最外侧碳管破坏模式与SCT破坏形式相似,且单次全行程压缩与多次分段压缩的破坏模式没有明显区别,但MFS最外侧碳管由于内部碳管及碎屑的挤压呈现出明显的径向变形;相对于单次全行程压缩过程,SCT及MFS多次分段压缩时的总耗能量更多;本次研究的SCT试件最大比吸能为86.0 J/g,最小比吸能为59.3 J/g,然而由于MFS最外侧管件的比吸能低,导致其比吸能在69.8~75.9 J/g之间,小于单管根碳管的最大比吸能,但进一步研究可知,合适的外部约束形式和内部碳管数量可使MFS比吸能高于SCT的最大比吸能。      

BFRP筋增强海水海砂混凝土梁的抗冲击性能EI北大核心CSCD

为研究玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋增强海水海砂混凝土(seawater sea-sand concrete,SSC)梁的抗冲击性能,利用落锤冲击装置研究了不同冲击能量(1818 J,2727 J,3636 J,4848 J)作用下,不同混凝土强度(30 MPa,50 MPa)和配筋率(0.23%,0.48%)的BSFP-SSC梁冲击响应,并测试了冲击后梁的残余承载力。结果表明,随着冲击能量的增加,BFRP-SSC梁的破坏模式由弯曲破坏转变为剪切破坏,梁的残余承载力系数逐渐降低。提高配筋率或海水海砂混凝土强度,均可有效降低梁的最大跨中位移,提升初始峰值冲击力和抗冲击性能。该研究可为BFRP筋增强海水海砂混凝土梁的抗冲击设计提供重要依据。     

一种箍筋约束混凝土峰值应力的概率模型EI北大核心CSCD

该文首先基于多轴受力情况下混凝土材料的极限强度面和Willam-Warnke五参数破坏准则,结合144组箍筋约束混凝土棱柱体的试验数据,建立了箍筋约束混凝土峰值应力的确定性模型;然后综合考虑主观不确定性和客观不确定性的影响,结合贝叶斯理论和马尔科夫链蒙特卡洛法,建立了箍筋约束混凝土峰值应力的概率模型;最后通过与试验数据和传统确定性模型的对比分析,验证了该概率模型的有效性和适用性。分析结果表明,该概率模型不仅能够合理描述箍筋约束混凝土峰值应力的概率特性,而且能够校准确定性模型的置信水平和预测精度,还可以确定具有预定置信水平的箍筋约束混凝土峰值应力的概率特征值。     

斜向载荷下多胞方管结构的压溃特性研究EI北大核心CSCD

建立了计算多胞方管能量吸收特性的有限元模型,利用双胞管的轴向压溃变形试验验证有限元模型的准确性。利用建立的有限元模型,研究了在斜向加载下多胞方管结构的压溃特性,结果表明:在大角度的斜向加载下,多胞方管会发生全局弯曲,导致能量吸收能力的显著下降。提出了分层多胞方管结构,在斜向加载下分层多胞方管结构有较大的能量吸收能力和压溃力效率。此外,在大角度的斜向加载下,分层多胞方管可以避免发生全局弯曲。通过复杂比例评价方法,评价了传统方管、多胞方管和分层多胞方管的斜向综合碰撞性能,确定了分层多胞方管L5具有最优的斜向碰撞性能。     

新型非对称惯容NES减震控制性能研究EI北大核心CSCD

为提高控制装置的减震性能及减小附加阻尼器的质量,基于非对称非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)提出一种附加惯容器的新型控制装置——非对称惯容NES。根据非对称惯容NES系统的工作原理推导出运动方程;在脉冲型荷载作用下进行控制参数数值优化,分析非对称惯容NES的能量鲁棒性和频率鲁棒性。分析地震作用下结构与控制装置响应,研究主体结构刚度变化前后的控制性能。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析,从能量的角度研究控制装置的减振机理。研究结果表明,非对称惯容NES具有极强的能量鲁棒性和频率鲁棒性,在地震作用过程中能有效减小顶层加速度峰值且所需行程更小,能在更广频域内与主体结构发生共振,因而其减震效率更高。非对称惯容NES减震控制性能与已有的非对称NES相当甚至更优,并能够减小40%阻尼器质量,在实际应用中具有更广阔的前景。     

考虑初始应力的混凝土重力坝水下爆炸毁伤特性研究EI北大核心CSCD

水下爆炸冲击荷载由于持续时间短、峰值大,对大坝结构的冲击毁伤破坏往往在短时间内完成,故已有的大坝抗爆防护研究中均忽略了大坝初始应力的影响。采用显隐转换技术,实现了大坝初始应力状态从隐式静力分析到显式动力分析的平稳过渡;通过建立考虑初始应力的混凝土重力坝水下接触和非接触爆炸全耦合模型,分析了不同初始应力状态下大坝动态响应特性,分别探讨了重力和静水压力等初始应力对混凝土重力坝水下爆炸毁伤特性的影响,给出了考虑初始应力状态后的大坝水下接触和非接触爆炸毁伤破坏模式。研究结果表明:初始应力会加重坝身冲切破坏,而减轻上游坝面爆炸成坑破坏和坝踵拉伸破坏。     

脲醛树脂包覆聚硫密封剂微胶囊的制备和性能EI北大核心CSCD

以脲醛树脂为壁材、聚硫密封剂为芯材,采用原位聚合制备出聚硫密封剂微胶囊,并使用红外光谱、扫描电镜等手段表征了微胶囊的结构和形貌。为了研究微胶囊化过程对密封剂固化胶膜力学性能的影响,将聚硫密封剂微胶囊与一定比例的硫化剂均匀混合分别制备成标准螺母试件或胶膜试片,依据相关标准系统考察了聚硫密封剂包覆前后破坏力矩、拆卸力矩和拉伸性能以及硬度的变化。结果表明,基于脲醛原位聚合可制备出形貌规则、粒径均一、表面相对粗糙、包覆膜致密的聚硫密封剂微胶囊,与未包覆密封剂相比包覆后聚硫密封剂胶膜的力学性能大幅度提高。