基于多场耦合的PCCP管道力学性能研究

为了探究预应力钢筒混凝土管(PCCP)在多场耦合下的力学性能,通过ABAQUS建立了管土相互作用三维模型,利用已有试验数据对PCCP结构模型进行了评估。之后,通过FLUENT建立了流场模型,并基于MpCCI实现了埋地PCCP管线的多场耦合计算。通过耦合计算,对PCCP管道力学性能进行了分析,研究了管体各层结构应力应变沿管道环向分布规律。最后,探究了断丝率对管道服役性能的影响。研究发现,砂浆、混凝土外芯和钢丝的应力应变最大位置发生在管侧位置,而混凝土内芯和钢筒在管侧位置的应力应变则小于管顶和管底位置;断丝率小于15%时,管道仍能承受工作内压0.8 MPa。     

大口径PCCP管道断丝频谱响应现场试验研究(Ⅰ)

针对南水北调等大型水利工程中大口径PCCP管道在输水过程中容易受到多种外界及内部因素发生断丝时,不能快速准确地确定断丝位置是进行PCCP管道抢修的难点,对大口径PCCP管道结构断丝进行现场试验。提出一套基于光纤光栅检测PCCP管道断丝时的频率检测技术,开发出适用于大口径PCCP管线断丝检测的检测仪器及设备,形成一整套PCCP管道断丝检测系统,并通过PCCP管道断丝（内径2m）现场原位试验验证这一检测系统的可行性、可靠性及实用性,能够实现大型PCCP管道断丝的实时监测。通过对2m大直径PCCP管道在断丝前后传感器频谱发生变化的现场原位试验,认为管线发生断丝前后,同一物体在不同部位撞击时,传感器的频谱响应都相同,不同物体敲击,频谱不完全相同,但都在830Hz附近有一个频谱响应;无论断丝与否及不同的敲击方式、不同的敲击部位,均形成三个频谱峰值响应范围,断丝前后第一个和第三个频谱范围基本相同,但第二个频谱峰值范围,断丝前在290～380Hz,断丝后的则在500～650Hz。上述结论可以对PCCP管道是否发生断丝进行定性和定量判断,为下一步南水北调大口径PCCP管线断丝的检修提供技术指导。     

准东供水工程PCCP预应力钢丝完整性检测及结构评估

PCCP管道投入运行后,有多种原因会造成预应力钢丝断裂。通过检测PCCP中预应力钢丝的完整性并对出现断丝后的管道进行结构计算,可以评估失效风险,为制定维修方案提供依据。采用电磁法断丝检测技术,对准东供水"500"东延工程10#闸至五彩湾段PCCP管线进行了抽样检测,发现部分管道出现疑似断丝。利用三维非线性有限元模型,计算生成能够反映断丝影响的有限元性能曲线,得出了在工作压力及水锤压力的共同作用下,管道达到微裂缝极限、可见裂缝极限、屈服极限和强度极限时所允许的断丝数量,根据断丝最严重管道的实际断丝数量与极限允许断丝数量的关系确定维修方案,为类似工程提供参考。     

CFRP修复PCCP的内水压试验

为了验证CFRP的补强加固效果,采用2根内径2.6m的PCCP进行了内水压力试验,并通过集中断丝模拟了最不利断丝管的受力状况。结果表明,未粘贴碳纤维的断丝管,在设计内水压0.9MPa的状态下,断丝40根后管芯混凝土开裂。分部位粘贴1层、2层和3层环向碳纤维的加固管,在设计内压0.9MPa下,断丝70根后管芯混凝土开裂。CFRP在管芯混凝土出现微裂缝后参与应力重分布,一定程度上缓解了裂缝尖端的应力集中,延缓管芯混凝土开裂,同时,改善了非断丝区钢丝受力状态,延迟了钢丝和钢筒进入屈服状态。CFRP补强加固PCCP的效果明显。     

基于AHP法的大口径PCCP管道断丝安全风险管理

如何有效地对大口径PCCP管道断丝后管道结构的安全进行合理地评价,以便采取积极有效的维修措施,是减少南水北调大口径PCCP管道运营期间断丝安全风险的有效途径。提出利用层次分析方法(AHP)建立PCCP管道安全风险层次分析数学评价模型,对影响南水北调地下大口径PCCP管道断丝的各种可能因素进行专家打分,同时,通过数值模拟计算,建立PCCP管道安全失效的判断准则及判断标准,实现大口径PCCP管道安全风险评价的定量化。在此基础上,开发出一款专门针对南水北调中线PCCP管道工程安全运行风险实时监测的管理软件。该软件系统采用自动化实时监测技术和基于Web-GIS的风险管理系统。该系统能完成监测数据的实时采集、数据档案的电子化管理以及安全风险的动态评估与预警预报。     

PCCP断丝的电磁法检测技术研究及其应用

基于远场涡流检测的基本原理,给出了PCCP断丝检测的硬件检测系统,并通过搭建PCCP断丝检测平台,解决了PCCP断丝在检测中的灵敏度问题、断丝位置与检测信号相位之间的关系、断丝数目与检测信号幅度之间的关系等关键技术。为进一步进行PCCP断丝检测工程化应用,给出了PCCP断丝检测仪器标定曲线的标定标准。通过被测管道数据曲线与标定曲线的比较,可以定量判断管道内钢丝断丝的数量。     

某供水工程倒虹吸PCCP状态评估、风险评价及运行管理

某供水工程三个泉倒虹吸全长10.93km,所采用的PCCP管径大,内水压力高,综合难度指数(管径与压力的乘积)高。该工程存在多个影响PCCP安全运行的因素。2010年首次采用电磁法检测了全部2400节管道的钢丝完整性,2年半后再次进行了检测。前后两次检测对比表明,管道断丝数量基本未增加,管道当前的劣化速度较低。尽管运行环境较恶劣,但PCCP断丝数量处于较低水平,目前总体处于良好状态。风险分析表明,目前PCCP处于中等风险。     

内嵌CFRP板条加固混凝土梁的抗弯性能试验研究

通过6根足尺混凝土梁的抗弯加固试验,对内嵌CFRP板条加固梁的破坏过程、受力性能、截面应变分布和挠度变形规律进行了研究。试验结果表明,内嵌CFRP板条加固梁跨中截面应变分布和挠度变形规律与外贴CFRP加固梁相似,但内嵌加固能有效避免板条的剥离破坏,其抗弯加固性能优于相应的外贴加固梁;预载加固将会降低内嵌板条的加固效果。基于混凝土结构加固理论,并考虑预加荷载的影响,对内嵌CFRP板条加固梁3种弯曲破坏形态(钢筋屈服前混凝土压碎、钢筋屈服后混凝土压碎和钢筋屈服后FRP拉断)下的抗弯承载力进行理论分析,并建立开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩的计算公式,其计算结果与作者及国内外已有的试验实测值吻合较好,可用于实际工程加固设计。     

碳纤维复材布加固不锈钢圆管短柱轴心受压试验研究

为研究碳纤维复材(CFRP)布加固不锈钢圆管短柱轴心受压性能,对外贴CFRP布加固不锈钢圆管短柱进行轴心受压试验。试验共制作了20根构件,4根未粘贴CFRP布的控制试件,8根环向外贴CFRP布的加固试件和8根正交(环向和纵向)外贴CFRP布加固试件。试件破坏形式主要分为两种:第一种是试件底部产生"象足式"屈曲破坏,第二种是外贴CFRP布加固(环向和纵向)后的试件在中间高度处产生向内局部屈曲变形;同时,在粘贴层数相同的情况下,环向粘贴效果优于正交粘贴效果;在相同的粘贴方式下,粘贴层数越多加固效果越好;纵向碳纤维布的存在反而会降低试件的极限承载能力,但可以略微提高试件的轴向刚度;并且在壁厚一定的情况下,直径越大的不锈钢圆管在CFRP布加固后增强效果越明显。     

双区域断丝PCCP极限内水压力及破坏模式研究

为研究腐蚀断裂对预应力钢筒混凝土管（PCCP）失效的影响,建立了PCCP双区域断丝三维非线性管-土相互作用有限元模型,得到了不同间距轴向双区域断丝情况下管道的损伤演化、失效模式和极限承载能力。结果表明,断丝区域间距越大,相互影响越小,当间距大于150 cm后,两个区域之间基本没有相互作用,其极限内水压力与单区域断丝的结果差别显著。研究结果可为PCCP实际工程中的双区域断丝损伤评价及承载能力分析提供参考。     

中强钢丝预应力砼结构的试验研究

本文介绍了中强钢丝的机械性能、应力松弛及拔丝工艺的试验结果。同时,对中强钢丝预应力构件的应力传递和粘结锚固性能以及受弯构件最小配筋率等进行了试验研究。中强钢丝标准强度为800MPa,极限延伸率(δ_100)为4.0％,松弛损失(1000小时、20±1℃)不超过7％与冷拔低碳钢丝相比,这种钢丝强度较高、延性好,能显著地改善构件的结构性能,可节省预应力钢丝15％左右。     

预应力碳纤维板加固钢结构预应力损失研究

预应力碳纤维板加固钢结构是具有明显加固效果和广阔应用前景的加固技术,碳纤维板在张拉及使用阶段的预应力损失研究是预应力加固技术的一个重要课题。在分析总结现有预应力碳纤维张拉设备及施工工艺的基础上,借鉴预应力混凝土结构预应力损失的分析方法进行分项计算,并提出各项预应力损失的计算方法。利用自主研发的一套碳纤维板张拉及锚固装置对3根钢梁进行加固试验,试验结果表明,提出的计算方法可行。建议预应力碳纤维板加固钢结构的预应力损失估算值取为张拉控制值的15%。     

西江引水工程预应力钢筒混凝土管的质量控制

预应力钢筒混凝土管(PCCP)是由钢筒、预应力钢丝、混凝土管芯和水泥砂浆保护层等构成的复合管材,具有优越的性能。广州市西江引水工程输水干线主管材采用PCCP管,管径为3 600 mm,总管长为50.7 km。大口径PCCP管首次在南方地区应用,为确保PCCP管质量,管道设计采用美国供水协会标准,结合工程实际确定了主要设计参数,并从原材料、管材制作和成品管材检测等方面提出了PCCP管的质量控制措施。     

CFRP与钢材的粘结性能试验研究

与传统的钢结构加固方法相比,粘贴CFRP加固钢结构具有明显的优势。CFRP与钢结构之间的粘结性能直接影响加固效果,但是目前国内对这方面的研究还很少。从众多的粘结材料中优选出适合于粘贴CFRP加固钢结构的粘结剂,设计相应的试件,对CFRP与钢材之间的粘结强度和粘结耐久性进行试验。试验结果表明:选用的3种粘结剂可以作为粘贴CFRP加固钢结构的粘结材料,性能满足设计要求。对粘贴碳纤维布加固钢板进行静力拉伸试验,测量碳纤维布的应变分布,得到碳纤维布与钢板之间的粘结应力分布和碳纤维布的有效粘结长度。并与理论公式的计算结果进行了对比,二者吻合较好。     

预应力碳纤维加固钢筋混凝土梁的二次受力性能研究

预应力CFRP加固技术是近年来得到重视的新型加固方法,但目前国内外关于预应力碳纤维CFRP加固混凝土受弯构件的二次受力性能方面的研究较少.通过2根长7.2m的大型钢筋混凝土梁试件预应力CFRP二次受力加固的试验研究,考察预先加载至钢筋屈服后再采用预应力CFRP加固的钢筋混凝土梁的力学性能,比较非预应力CFRP加固构件的...     

Proposal for design rules of axially loaded CFRP strengthened cold formed lipped channel steel sections

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites are considered to have high performance and potential for use in strengthening , retrofitting and for the rehabilitation of structural sections. In this paper, design procedures are proposed for the axial load capacity of cold formed steel lipped channel columns strengthened with carbon fiber reinforced polymer (CFRP). For the purpose of validation, the results are based on the proposed design equation from the North American specification for the design of cold-formed steel structural members (AISI-2007) and Euro code for cold-formed members and sheeting (EC3-EN1993-1-3:2006) are compared against the experimental test data. The test results showed that the capacity of the columns are close to the theoretical values predicted by the AISI-2007 and EC 3 provisions. Some tested specimens showed reduced capacity and premature failure due to peeling and debonding of the CFRP from the steel. Various experimental investigations are suggested for future work to further validate and update the design equations. From the experimental studies, it has been observed that there is significant increase in strength due to CFRP strengthening.     

预应力碳纤维板加固受弯构件的延性控制方法

碳纤维增强复合材料是一种脆性材料,其变形能力远低于钢材,应用于建筑及桥梁结构加固有可能削弱原结构的延性。预应力碳纤维加固技术具有充分利用材料性能,改善结构应力分布的优点,但对碳纤维施加预应力将伴随产生初始应变,碳纤维的剩余变形更少,对加固结构延性的影响也更大。本文对碳纤维面积、初始应变等参数与结构屈服曲率、破坏曲率之间的关系进行推导,通过确定延性系数来设计碳纤维的加固参数,以达到控制结构延性的目的。在此基础上根据推导的结果进行实例分析,并将延性控制的计算结果与已有的试验研究结果进行对比,试验结果与理论计算结果吻合良好,表明提出的延性控制方法正确有效。     

受弯钢构件碳纤维增强复合材料加固理论的研究进展

钢结构出现损伤可以采用替换和加固两种方式改善其受力性能。工程加固经济效益好、不耽误建筑正常使用,属于首选的修复措施。传统的加固方法一般采用粘贴、焊接、螺栓连接的方式将钢板附加到受损区域,不但增加自身质量,而且导致应力集中。碳纤维增强复合材料(CFRP)具有良好的力学性能和化学稳定性,用于加固修复受损钢结构能够改善其工作性能,延长疲劳寿命。通过对国内外关于CFRP加固钢梁课题研究成果的总结,着重介绍CFRP加固钢梁的抗弯承载力与界面应力分布,循环荷载作用下CFRP加固钢构件的疲劳性能等研究成果,供工程应用和进一步研究参考。     

Design of short CFRP-reinforced steel tubular columns

This paper presents the design and experimental evaluation of externally bonded carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) sheets for strengthening circular steel tubular short columns. In addition to its ease of handling due to its light weight, the high-strength CFRP sheet can provide a degree of restraint to delay buckling of the thin steel wall. Ten short cold-formed steel circular hollow section (CHS) columns, with externally bonded orthogonal (hoop and longitudinal) CFRP sheets, were tested under axial compression. The experimental results indicate that enhancement of the axial section capacity is possible by fibre-reinforcing the steel tube. The design variables investigated to evaluate the strengthening efficiency include the steel yield strength, the modulus of elasticity of the hoop fibre, and the amount and configuration of the fibre reinforcement. Design curves predicting the section capacity of composite steel-CFRP tubular short columns are calculated based on current design guidelines for steel columns. The results highlight the ease of the use of such curves in the FRP strengthening or retrofitting design of tubular columns for section capacity enhancement.     

预应力碳纤维布加固一次二次受力梁抗弯试验研究

就CFRP布加固RC梁的未加预应力、施加顸应力以及施加预应力后梁的未有初始应力(一次受力)、有初始应力(二次受力)等不同工况共八根梁进行了对比试验,同时进行了锚固端不同锚固方式共五种工况的加固效果的对比试验。试验结果分析表明：CFRP布预应力施加方法简便且易在加固施工实践中应用;CFRP布施加预应力在加固效果上明显优于不加预应力的加固方法;施加预应力加固时必须在端头锚固且锚固效果良好。