核心混凝土缺陷对钢管混凝土构件徐变影响规律及预测模型研究

为了合理地预测含有缺陷的钢管混凝土构件徐变变化规律,进行了四种缺陷工况下钢管混凝土徐变试验,分析了国内外不同徐变预测模型对钢管混凝土缺陷构件的适用性.研究结果表明:受压过程中,空洞缺陷周围混凝土微裂缝不断产生与扩张,造成混凝土错位滑移,增大了钢管混凝土的附加变形;脱粘缺陷阻碍了钢管与核心混凝土之间的应力重分布作用,削弱了钢管与混凝土的相互作用效果,增大了核心混凝土的徐变变形;无缺陷及空洞缺陷时,ACI209模型计算所得理论值与钢管混凝土徐变实测值最为接近;脱粘缺陷时,B3模型计算所得理论值与钢管混凝土徐变实测值最为接近;针对不同的缺陷类型,提出了修正模型,大大提高了钢管混凝土缺陷构件的徐变预测精度.     

钢管混凝土柱的非线性振动特性分析与脱粘识别

钢管混凝土柱脱粘对结构受力性能有很大影响,脱粘检测成为研究者关注的问题。设计制作了5个不同脱粘状态的钢管混凝土悬臂柱试件,在锤击激励下记录试件表面6个测点的自由振动加速度信号。通过解析模式分解,分离出信号的一阶频率分量,再利用Hilbert变换,获得频率-振幅曲线。频率-振幅曲线表明无脱粘的钢管混凝土柱试件呈现出较强的非线性振动特性,与弱Duffing系统相似。脱粘的存在,使得试件的非线性特性减弱,脱粘面积越大,非线性系数绝对值越小。信号测点离脱粘位置越近,非线性特性越弱,非线性系数绝对值越小。非线性系数对脱粘敏感,且不易受构件制作和边界条件的影响,是识别钢管混凝土柱脱粘的良好指标。     

钢管混凝土轴心受压构件的徐变预测模型及其徐变性能分析

为研究混凝土徐变对钢管混凝土轴心受压构件长期受力性能的影响,考虑构件截面内力重分布,建立了钢管混凝土轴心受压构件截面应力和应变以徐变系数为参数的随混凝土龄期变化关系的理论模型,结合已有试验数据和国内外常用12种混凝土徐变预测模型对该模型进行验证,并找到了适用于钢管混凝土轴心受压构件的徐变预测模型--Huo模型;在此基础上,计算并分析了钢管混凝土轴心受压构件混凝土龄期为10000 d的截面应力和应变;通过对混凝土强度等级、环境年平均相对湿度、初始加载龄期、含钢率、构件长度、截面应力水平等因素的不同取值,分析了各因素对钢管混凝土轴心受压构件徐变性能的影响程度及规律。结果表明:当钢管混凝土轴心受压构件的轴力不大于其极限承载力的60%时,随着加载龄期的增长,钢管截面应力逐渐增大,最大变化量达61.4%,而混凝土截面应力逐渐减小,最大变化量达26.2%;加载初期构件应变增长迅速,1000 d以后应变增长速度减慢,构件最终应变是初始应变的1.61倍;在轴压比相同的条件下,钢管混凝土轴心受压构件的徐变应变终值随着混凝土强度等级的提高而逐渐增大,随着含钢率的增大显著减小,随着初始加载龄期、环境年平均相对湿度、构件长度的增大而逐渐减小,轴压比不大于0.6时,其徐变应变终值随轴压比增长。研究成果可为钢管混凝土轴心受压构件在正常使用阶段徐变计算以及徐变变形控制提供依据。     

钢管直径对T形截面钢管混凝土芯柱的抗爆性能影响研究

研究钢管直径这一参数的变化对T形截面钢管混凝土芯柱抗爆性能的影响。通过非线性有限元分析软件ABAQUS对钢管直径不同的T形截面钢管混凝土芯柱在爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模拟。比较了普通T形钢筋混凝土异形柱和T形钢管混凝土芯柱抗爆性能的差异。通过变化钢管直径,得到钢管直径的变化对T形钢管混凝土芯柱抗爆性能的影响。研究表明:T形钢管混凝土芯柱的抗爆性能优于普通T形钢筋混凝土异形柱;T形钢管混凝土芯柱的抗爆性能随钢管直径的增大而加强。     

钢管直径对T形截面钢管混凝土芯柱的抗爆性能影响研究EI北大核心CSCD

研究钢管直径这一参数的变化对T形截面钢管混凝土芯柱抗爆性能的影响。通过非线性有限元分析软件ABAQUS对钢管直径不同的T形截面钢管混凝土芯柱在爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模拟。比较了普通T形钢筋混凝土异形柱和T形钢管混凝土芯柱抗爆性能的差异。通过变化钢管直径,得到钢管直径的变化对T形钢管混凝土芯柱抗爆性能的影响。研究表明:T形钢管混凝土芯柱的抗爆性能优于普通T形钢筋混凝土异形柱;T形钢管混凝土芯柱的抗爆性能随钢管直径的增大而加强。     

钢管混凝土缺陷对徐变性能的影响

为了研究钢管混凝土缺陷试件的徐变性能，进行了7组徐变试验研究，得到了钢管混凝土缺陷试件补强前后徐变度随持荷时间的变化曲线。研究结果表明:相较于无缺陷钢管混凝土，存在缺陷的钢管混凝土徐变度均有不同程度增大，其中，脱黏缺陷钢管混凝土试件的徐变度增量远大于空洞缺陷试件；脱黏缺陷削弱了钢管与混凝土之间的界面黏结，致使钢管与混凝土的应力重分布作用减弱，协同变形能力下降；空洞缺陷处混凝土由于发生应力集中而加剧了裂缝的产生和扩张，混凝土因此而发生错位滑移，增大了钢管混凝土的附加变形；注浆补强后，钢管混凝土的徐变变形减小，但相较于无缺陷钢管混凝土，缺陷补强钢管混凝土的徐变性能仍存在一定程度的折减。      

FRP-混凝土三点受弯梁损伤粘结模型有限元分析

该文采用双线形损伤粘结模型研究带切口FRP-混凝土三点受弯梁(3PBB)I型加载下的界面断裂性能。通过有限元参数分析,详细讨论了界面粘结强度、界面粘结能、混凝土抗拉强度、混凝土断裂能对3PBB受力性能的影响。数值模拟表明,FRP-混凝土界面有两种破坏形式,包括FRP-混凝土界面的损伤脱粘和界面混凝土的损伤脱粘破坏,与实验所观察到的现象一致。两种破坏形式尽管在宏观上均表现为界面脱粘,但破坏机制却不同。FRP-混凝土界面的损伤粘结模型与混凝土的拉伸塑性损伤模型相结合,不但再现了3PBB的宏观力学性能,数值分析得到的荷载-位移曲线接近实验结果,而且还能详细展示FRP-混凝土界面的损伤、断裂破坏过程以及损伤在FRP-混凝土界面和界面混凝土之间的转移,能够预测构件的承载力,有助于界面优化设计,这是单纯以能量判据预测裂纹发展的经典断裂力学方法所无法做到的。     

高温下钢管混凝土SHPB动态力学性能试验研究

采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置和特制高温试验炉进行了高温下钢管混凝土的抗冲击性能试验研究,通过测试高温下钢管混凝土的动态强度和应力-应变曲线,揭示温度和冲击速度(应变率)对高温下钢管混凝土动态力学性能的影响规律。试验结果表明,高温下钢管混凝土仍具有良好的抗冲击性能、延性和耗能能力。在该文试验参数范围内,温度作用相比冲击速度的影响更加显著。高温下钢管混凝土动态强度受试件尺寸影响显著,后续研究工作应关注钢管混凝土动态冲击荷载作用下的尺寸效应研究。     

碳纤维复合材料补强混凝土界面温度应力分析

碳纤维片材的热膨胀系数与混凝土的热膨胀系数相差很大,因而,在环境温差作用下,补强碳纤维片材和混凝土界面处将产生界面温度应力.正确地分析界面温度应力,揭示界面温度应力的变化规律,对补强结构设计和安全评价具有重要意义.建立了碳纤维片材补强混凝土梁的界面温度应力定量计算公式,并通过实验测试验证了定量分析理论的合理性.研究结果表明:界面温度应力分布及大小与补强复合材料的刚度和作用温差有较大关系,与基底混凝土的刚度关系不大.     

界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸性能的影响

建立了桥联纤维细观力学模型, 研究了界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸模量及强度的影响。分别引入纤维应力均匀系数和界面脱粘率作为界面完全脱粘和局部脱粘条件下界面性能的表征参数。研究表明, 应力均匀系数及界面脱粘率越大, 材料模量越低, 而断裂时纤维所承担的应力越高。基于混合率给出了拉伸强度表达式, 同时也分析了基体裂纹分布、界面脱粘和纤维拔出对强度的影响。计算结果表明, 本文强度模型给出的预测值与试验值吻合较好。      

钢管自应力自密实高强混凝土短柱轴心受压承载力试验研究

为提高钢管内混凝土（Concrete Filled Steel Tube）的密实度,减小混凝土的收缩,以保证钢管与混凝土更好地共同工作,满足实际工程需要,该文提出采用钢管自应力自密实高强混凝土柱,考虑套箍指标、自应力、混凝土强度等因素,设计制作17根柱试件,通过静力试验研究其轴心受压性能。研究表明:在钢管内浇筑自应力高强混凝土,不但可以补偿混凝土的收缩,而且钢管的侧向约束可以明显改善高强混凝土的脆性;当套箍指标从0.548增加到0.846,柱承载力提高13%~21%;当混凝土强度由C60到C80,柱承载力提高5%~12%;自应力对柱承载力的影响呈二次抛物线分布;基于试验结果建立的钢管自应力自密实高强混凝土柱轴心受压承载力计算公式,可供实际工程参考。     

基于超声能量扩散的CFST界面剥离损伤检测方法与验证

钢管混凝土(CFST)构件因其具有良好的抗压、抗弯、抗剪能力,近年来被广泛用于各类型工程结构之中。鉴于CFST施工过程中,钢管与内部混凝土之间可能出现离析、剥离等缺陷,会降低或破坏钢管与混凝土的协同作用,导致承载力降低等问题。在受到极端荷载下,严重时会导致较大安全隐患和失效可能。因此,开展CFST剥离损伤检测十分必要。该文试制了采用超声能量扩散进行构件损伤检测的测试平台;对一批预设界面剥离损伤的方形截面CFST柱进行了不同频率超声波、考虑不同剥离尺寸影响的实测研究,得到归一化扩散及耗散系数,并以此作为管壁与内部混凝土剥离的检测指标;基于最佳激发频率提出CFST界面损伤判定依据,并采用COMSOL软件进行数值模拟验证。结果表明：归一化扩散及耗散系数对剥离损伤尺寸较敏感,可作为探明损伤规律性的重要参数。提出的CFST界面损伤判定模型与仿真试验吻合良好,最小误差为3.03%,平均误差小于10%,表明损伤判定模型能准确、有效定量识别钢管与核心混凝土间的界面剥离损伤,可拓展应用于同类型构件的损伤诊断和预判。     

钢管混凝土内栓钉抗剪承载力试验研究

在钢管混凝土构件的钢管内壁上设置栓钉(内栓钉)可以加强钢管与核心混凝土的组合作用。以核心混凝土强度、栓钉直径和长度为主要参数进行了8个设置栓钉的钢管混凝土试件推出试验,并与1个不设置栓钉的钢管混凝土试件和4个设置栓钉的组合梁试件进行对比。结果表明,钢管混凝土内栓钉试件的受力由弹性段、弹塑性段、荷载下降段和荷载残余段四个阶段组成。栓钉剪断破坏时荷载达到最大,混凝土未出现开裂和压碎现象,钢管应力也很小。有栓钉钢管混凝土试件的极限荷载为673.3 kN~1356.9 kN,远大于无栓钉试件S4-1的85.7 kN,栓钉能极大改善脱粘后钢管混凝土构件的共同工作性能。有栓钉钢管混凝土试件推出过程中,处于管内的核心混凝土不会出现与钢管分离的现象,栓钉的作用得到较充分的发挥,其极限荷载是组合梁的1.69倍~1.73倍。钢管混凝土内栓钉的抗剪承载力随核心混凝土强度的提高而提高、随栓钉直径的增大而增大,而受栓钉长度的影响较小。在试验结果分析基础上,提出钢管混凝土内栓钉抗剪承载力计算公式。     

界面剥离钢-混凝土组合结构应力波传播谱元法模拟研究

建立钢-混凝土组合结构截面二维谱元法模型,针对钢-混凝土界面完好以及存在界面剥离时模型在单点激励下弹性应力波场进行模拟分析,探究弹性应力波的传播规律。采用去除混凝土单元的方法反映组合结构中钢板与混凝土之间的界面剥离。通过对比分析表明界面剥离的存在对弹性应力波场以及模型上不同位置的位移响应产生影响。通过改变界面剥离程度,得到测点位移的变化规律。通过模拟,谱元法可以有效模拟钢-混凝土组合结构中弹性波的传播规律,为研究基于应力波测量的钢-混凝土组合结构界面缺陷检测机理提供帮助。     

Static strength tests of steel plate strengthened concrete beams

The behaviour of damaged concrete beams strengthened by externally bonded steel plates is experimentally investigated. The study includes an investigation of the mode of failure, including flexural failure and the interface separation of the steel plate. Simply supported beams under monotonically increasing loads are considered exclusively. A total of five plain concrete beams externally reinforced with bonded steel plates were tested under static loads to determine their strength and behaviour. The variables tested were the thickness of the external steel plate, length and location of the interfacial crack, and the degree of surface preparation of the steel plate. In all five beams the thickness of adhesive was kept constant. The results indicate that (i) the behaviour of a damaged open sandwich beam is similar to that of a singly reinforced concrete beam when no debonding occurs between the concrete and the adherent steel plate; (ii) when debonding occurs, the failure is sudden and at loads smaller than for a case where failure is either by yielding of steel or crushing of concrete; (iii) the case with an interfacial crack between the steel and the adhesive is more critical than the case when the interfacial crack is between the adhesive and the concrete; and (iv) the failure load and the mode of failure are dependent on the degree of surface preparation of the steel plate. Analytical investigation to predict the interfacial debonding is summarized, and the results suggest that linear elastic fracture mechanics is suited for predicting the failure load for open sandwich beams which fail by interface debonding.     

钢管混凝土拱肋徐变研究

根据钢管混凝土拱桥的特点,从变形协调条件出发,通过引入混凝土换算弹性模量,推导了钢管混凝土拱肋应力重分布计算公式。根据相似比的原则制作了钢管混凝土拱桥节段模型,在正常使用极限状态下,将试验结果与基于现行规范的计算结果比较分析证明公式正确可行,同时得出由于徐变导致混凝土承担的荷载逐渐转移为钢管承受的量值,混凝土的应力最大变化量达到52.7%,而钢管应力变化达到27.3%。并对荷载水平、含钢率和矢跨比等参数对结构长期力学性能影响规律进行研究。接着跟踪了钢管混凝土拱肋在承载能力极限状态下的徐变发展规律。     

基于广义Kelvin链钢管混凝土徐变研究

混凝土徐变是混凝土材料本身固有的一个时变特性,是结构响应中一个重要组成部分,其计算方法通常是建立在单轴试验和理论基础上。为探讨钢管混凝土徐变特性,该文采用自制的压力自平衡混凝土徐变试验装置对混凝土圆柱和圆钢管混凝土柱进行了徐变试验,结果表明:钢管混凝土柱徐变变形要比普通混凝土柱的徐变变形小,在该文试验中两者相差接近50%,这可能是密闭钢管内核心混凝土无法与外界发生水分交换而不发生干燥收缩和干燥徐变以及钢管围压所致。根据粘弹性理论,引入多参数Kelvin链粘弹性元件模型,建立了求解单轴应力状态下混凝土徐变的Volterra型积分方程,模型参数近似表示为连续粘滞谱。通过离散时间变量t和分步积分,进一步得到了单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型。依据徐变叠加原理,考虑Poisson效应,进一步将单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型拓展到三轴应力状态,用于钢管混凝土徐变分析。对有限元商用软件Ansys进行二次开发,将反映三轴应力状态下混凝土徐变性能的本构方程引入Ansys提供的用户子程序Usermat中,并采用Fortran语言编程,从而实现了钢管混凝土徐变长期性能的有限元分析计算。将有限元数值解与试验结果进行对比分析,发现该文提出的模型是科学的和有效的。该文提出的方法将为混凝土徐变计算提供了另一条有效途径。     

正交异性钢桥面构造细节的日照温度次应力分析

为研究正交异性钢桥面板构造细节的日照温度次应力行为,多次在高温和强日照天气下现场实测了某自锚式悬索桥钢箱梁外周和实腹式横隔板上温度场,基于观测到的最大顶底板温差拟合了横隔板竖向温度梯度表达式;在ANSYS中建立了钢箱梁节段有限元模型并施加外周温度,计算其24 h温度场,并与横隔板实测竖向温度的对比校验了温度场模拟的合理性;开展了钢箱梁节段和子模型的精细化热应力分析,得到了纵肋-横隔板和弧形切口共4个构造细节的温度应力时程曲线。研究表明：在强太阳辐射和高温环境下,钢箱梁横向温差不明显,但存在明显的竖向温度梯度,横隔板竖向温度梯度可拟合为四折线形式,最大温差明显小于欧规值。正交异性钢桥面板产生热变形并在构造细节处产生明显热应力集中,特别是弧形切口热应力大。仅日照竖向温度梯度作用,或仅桥面货车通行加载,弧形切口均为无限疲劳寿命;但二者共同作用产生的应力幅,大于构造细节的常幅疲劳极限,可能是该构造细节出现疲劳开裂的原因。     

Width effect in the interface fracture during shear debonding of FRP sheets from concrete

The increasing use of carbon fiber reinforced polymer (FRP) sheets for strengthening existing reinforced concrete beams has generated considerable research interest in understanding the debonding mechanism of failure in such systems. The influence of the width of the FRP on the load-carrying capacity is investigated in this paper. The interfacial crack propagation and strain distribution during shear debonding are studied using a full-field optical technique known as digital image correlation. The results indicate the development of high stress/strain gradients at the interface as a consequence of the relative slip between the FRP and the concrete. The interface stress transfer between the FRP and concrete produces axial strain gradients in the FRP along its length. In the vicinity of the edges along the width of the FRP, edge regions comprising of both FRP and concrete are established. The edge region is characterized by high strain gradients in a direction perpendicular to the length and is of fixed width throughout the debonding process. The size of the edge regions is also found to be quite independent of the width of the FRP. Mode-II fracture condition exists in the interface directly below the FRP away from the edge regions. The interfacial crack is shown to be associated with a cohesive stress transfer zone of fixed length. During debonding, the stress transfer zone is shown to propagate in a self-similar manner at a fixed load. The interface fracture properties obtained from the portion of FRP away from the edge regions are shown to be independent of the FRP width. It is shown that when the width of concrete is larger than that required for establishing the edge regions, the nominal stress at debonding increases with an increase in the width of FRP. The scaling in the load carrying capacity during shear debonding is shown to be the result of the edge regions which do not scale with the width of the FRP.     

Cohesive zone model for the prediction of interfacial shear stresses in a composite-plate RC beam with an intermediate flexural crack

In this paper, an analytical method is developed to predict the distribution of interfacial shear stresses in concrete beams strengthened by composite plates. Accurate predictions of such stresses are necessary when designing to prevent debonding induced by a central flexural crack in a FRP-plated reinforced concrete (RC) beam. In the present analysis, a new theoretical model based on the bi-linear cohesive zone model for intermediate crack-induced debonding is established, with the unique feature of unifying debonding initiation and growth. Adherent shear deformations have been included in the present theoretical analyses by assuming a parabolic shear stress through the thickness of the adherents, verifying the cubic variation of the longitudinal displacement function, whereas all existing solutions neglect this effect. The results obtained for interfacial shear stress distribution near the crack are compared to the Jialai Wang analytical model and the numerical solutions are based on finite element analysis. Parametric studies are carried out to demonstrate the effect of the mechanical properties and thickness variations of FRP, concrete and adhesive on interface debonding. Indeed, the softening zone size is considerably larger than that obtained by other models which neglect adherent shear deformations. However, loads at the limit of the softening and debonding stages are larger than those calculated without the thickness effect. Consequently, debonding at the interface becomes less apparent and the lifespan of our structure is greater.