FRP约束混凝土关键问题综述

本文从国内外文献中选取了29个纤维布(FRP)约束混凝土峰值应力模型和19个峰值应变模型,并依据诸多同行研究结果中的相关实测数据,对上述模型的精度进行了验证。结果表明,这些模型对强约束构件的预测精度不足,在此基础上,我们通过分段拟合得到了精度较优且较为简洁的峰值应力及应变模型。同时,基于文献数据,我们对影响环向约束力的FRP弹性模量及撕裂应变这两个因素进行了探讨。我们认为：(1)相较于低弹性模量,高弹性模量FRP可延缓混凝土损伤,进而提高核心区混凝土的力学性能;(2)导致FRP撕裂应变降低的原因包括施工扰动、受力差异及材质非均质性;(3)对于碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRG),撕裂应变有效系数分别取0.723、0.774和0.774。本文旨在为FRP约束拓展运用提供参考。     

传感器测试FRP约束混凝土轴压短柱的核心区应力

提出了一种使用水泥基压电陶瓷传感器测试混凝土轴压短柱应力的新方法。将压电传感器埋入混凝土矩形短柱核心区,测试了纤维增强复合材料约束前后混凝土短柱的轴向动态疲劳载荷,建立了传感器输出信号与混凝土短柱核心区应力之间的数值模型,并将理论计算应力值与由模型推导出的应力值进行对比。结果表明:模型推导应力值与理论计算应力值基本吻合,验证了使用压电传感器测试动态载荷作用下混凝土短柱应力这一新方法的可行性。     

新型碳纤维增强复合材料-钢复合管海水海砂混凝土圆柱轴压试验

为研究原状海水海砂混凝土在复合管混凝土中的应用可行性,提出一种新型由内外壁纤维增强复合材料(FRP)和夹心钢管复合的碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢复合管海水海砂混凝土柱结构。对12个新型CFRP-钢复合管海水海砂混凝土圆柱试件进行了轴压试验,研究了CFRP层数和核心混凝土强度等级变化对其轴压性能的影响。试验结果表明,内外壁CFRP的包裹能够有效地提高结构承载力和变形能力;CFRP-钢复合管海水海砂普通混凝土圆柱破坏形态为混凝土压溃,而CFRP-钢复合管海水海砂高强混凝土圆柱破坏形态为剪切破坏;结构的极限应力与CFRP层数、混凝土强度呈正相关,而极限应变随着CFRP层数增加而提高,却随着混凝土强度提高而减小;核心混凝土和钢管对极限应力的贡献随着CFRP层数增加基本不变,且当包裹两层及以上CFRP时,CFRP对试件极限应力的贡献占主导地位。      

FRP管约束混凝土的轴压应力-应变关系研究

目前FRP约束混凝土轴压应力-应变关系大都只考虑FRP管环向受拉。针对FRP管约束混凝土的轴心受压性能进行分析,考虑其承受压力造成约束模量降低的影响,在现有约束混凝土模型的基础上,提出一种考虑FRP管在双向受力情况下的应力-应变关系分析模型,并与试验结果进行了分析对比,分析结果与试验结果吻合较好。还依据这一模型进行了参数研究。     

基于基因表达式编程的FRP约束混凝土极限轴向应变预测

纤维增强树脂复合材料(FRP)以其质量轻、强度高、耐腐蚀和施工方便等优势被广泛应用于混凝土结构性能提升和受损构件加固中。FRP约束混凝土的极限条件是选择FRP种类、选择FRP厚度及确定包裹层数等必须要考虑的因素,现有极限应力模型的预测结果能够较好反地映真实情况,而现有极限轴向应变模型的预测精度偏低,故本文对极限轴向应变进行了研究。由于影响FRP约束混凝土极限轴向应变的因素较多,许多研究人员提出的模型在输入参数的选择上存在较大差异,故本文在通过基因表达式编程建立极限轴向应变模型的同时还探讨了不同输入形式对模型预测精度的影响。采用决定系数及平均绝对误差等5种统计指标对模型预测结果进行评价,并将其与现有模型进行对比分析。研究结果表明:原始数据和新数据组合的输入形式对应的模型具有最高的预测精度,因此在模型输入参数的选择上不能仅考虑原始数据或者新数据;与其他研究人员所提模型相比,本文所提模型预测精度更高,其决定系数为0.893,平均绝对误差等指标均在0.35以下。      

纤维增强树脂复合材料约束超高性能混凝土轴压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA有限元分析软件建立纤维增强树脂(FRP)复合材料约束超高性能混凝土(UHPC)圆柱细观有限元模型,以研究其单轴受压性能。通过已有试验数据验证了模型的有效性,并建立了能准确反映FRP复合材料约束作用的K&C模型的剪切膨胀参数预测公式。在此基础上进行参数分析,研究FRP复合材料厚度、纤维缠绕角度和钢纤维掺量的影响。结果表明,本文模型不仅能模拟随机分布钢纤维对试件应力分布的影响,且能较准确反映FRP复合材料约束作用对核心UHPC强度和延性的提高效果。模型在轴压作用下的破坏模式和应力-应变曲线与试验结果基本一致。参数分析表明,随FRP复合材料厚度或纤维缠绕角度的增大,试件极限承载力和延性均增大,而增大钢纤维掺量虽可限制核心UHPC斜裂缝的开展,但对试件强度和延性影响较小。      

基于不同地域海砂的海水海砂混凝土力学性能试验研究

本研究选取山东、福建、广西三地原状海砂,测定了其物理和化学性质并与长沙本地河砂进行比较.结果表明,海砂的矿物组分、细度模数和压碎值与河砂基本相同,而不同地域海砂的氯离子和贝壳含量存在差异.采用不同地域的海砂和人工海水配制了C30、C40、C50强度等级的海水海砂混凝土(Seawater sea-sand concrete,SWSSC),测试了不同龄期海水海砂混凝土的抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度等关键力学性能,并与普通混凝土(Ordinary concrete,OC)进行了对比,采用XRD、SEM等手段研究了相关机理.结果表明,SWSSC早期(3 d和7 d龄期)抗压强度高于OC,但其后期(28 d龄期以后)抗压强度低于OC.两者抗拉强度的差异随着龄期增长不断减小,而SWSSC的360 d抗拉强度基本高于OC.最后通过1 H NMR分析比较了不同龄期的SWSSC和OC的孔结构,发现SWSSC和OC的孔结构发展规律与其力学性能发展规律一致.本研究成果可为海水海砂混凝土的配合比设计和工程应用提供重要依据.     

纤维增强聚合物复合材料-钢复合圆管约束混凝土轴压性能预测模型

纤维增强聚合物复合材料（FRP）-钢复合圆管约束混凝土由于具有很好的综合性能,近年来得到了广泛的研究,尚缺乏完整的应力-应变关系全曲线计算模型。本文在综合作者现有研究成果的基础上,广泛收集了96个FRP-钢复合圆管约束混凝土柱的轴心受压试验结果,系统分析了试件参数的影响规律,提出了FRP-钢复合圆管约束混凝土的应力-应变关系曲线的完整计算模型,包括峰值应力、峰值应变、极限应力和极限应变的计算方法,并建议了应力-应变关系全曲线预测模型,模型较好地预测了FRP-钢复合圆管约束混凝土的应力-应变关系曲线的特征,预测结果与试验结果吻合较好。建议模型具有较好的通用性和准确性。      

基于长短期记忆网络的FRP约束混凝土圆柱循环轴压应力-应变预测模型

纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer, FRP)已被广泛应用于既有混凝土结构的加固改造和新建结构中。FRP约束混凝土柱在地震作用下通常会受到轴压的往复循环作用,研究FRP约束混凝土在循环轴压作用下的应力-应变特性对于FRP在实际工程中的应用具有重要意义。该文提出了一种用于建模循环轴压下FRP约束混凝土柱应力-应变特性的神经网络预测模型,该模型采用长短期记忆(Long short-term memory,LSTM)单元对循环应力-应变曲线中的滞回特性进行建模,构件的物理参数被有效地集成在网络的输入中。该模型能以端到端的方式进行高效的训练且不依赖任何专家经验。制作了一个包含166个FRP约束普通混凝土柱的循环轴压数据库,在该数据库上对模型的准确性和鲁棒性进行了充分的评估,结果表明测试集平均预测误差仅为0.32 MPa。此外,对网络结构和超参数的影响进行了详细的讨论,结果表明该模型具有出色的预测性能。     

网格箍筋约束混凝土柱轴压受力性能试验研究

为研究使用网格箍筋强度不同、素混凝土轴心抗压强度不同的约束混凝土的轴压受力性能,完成了39个网格箍筋约束混凝土方柱的轴心受压试验。混凝土设计强度等级为C20、C30、C40、C50,箍筋分别选用HRB335、HRB400、HRB500、HRB600钢筋,体积配箍率范围为1.0%～2.2%。试验结果表明：约束混凝土压应力达到峰值时,受压试件的约束箍筋屈服;随着配箍特征值增大,网格箍筋约束混凝土峰值压应力和峰值压应变提高幅度增大,受压应力-应变曲线下降段变缓。根据试验结果,通过回归分析获得了网格箍筋约束混凝土峰值压应力、峰值压应变的计算公式;建立了相应的轴心受压应力-应变模型,与几种具有代表性的箍筋约束混凝土应力-应变模型的对比表明,建立的模型与试验结果吻合较好;提出了约束混凝土极限压应变计算方法。     

FRP约束混凝土的应力-应变关系

通过修正已有文献中提供的约束混凝土体积应变计算模型,并基于受定侧压力作用下混凝土的应力-应变关系模型,采用数值方法,全过程计算了具有被动约束特征的圆形截面纤维增强塑料(FRP)约束混凝土的应力-应变关系.结果表明,无论是对于具有强化特征还是具有软化特征的FRP约束混凝土,计算结果和实验结果及其他文献报道的实验结果均吻合良好.     

不同应变速率下CFRP约束混凝土方柱的力学性能

为研究不同应变速率下碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束混凝土方柱的力学性能,本文采用CFRP约束倒角半径为15 mm、45 mm、60 mm的方形试件,进行应变速率为3.3×10^-5 s^-1、3.3×10^-3 s^-1的加载试验,分析了试件倒角半径和应变速率对CFRP约束混凝土方柱的应力-应变曲线、轴向应变-环向应变曲线和抗压强度的影响。结果表明,试件的应力-应变曲线的第二段斜率和抗压强度均随着试件倒角半径与应变速率的增加而增大;轴向应变-环向应变曲线的斜率随着应变速率的增加而增大,随着CFRP的层数增大而减小。最后基于试验数据对现有文献的模型进行评估,结果表明Lin等模型的预测结果与准静态下FRP约束混凝土方柱的轴向应变-环向应变关系曲线比较吻合,魏洋等模型能够预测FRP强弱约束状态,Cao等模型可以用于预测不同应变率下CFRP约束混凝土方柱的抗压强度。研究成果为CFRP约束混凝土方柱的进一步应用提供了试验依据与理论基础。     

玄武岩纤维特征参数对混凝土单轴受拉性能的影响

考虑玄武岩纤维体积分数和长径比两个主要因素,通过直接拉伸试验,研究玄武岩纤维对混凝土轴心受拉破坏形态、应力-应变全曲线、受拉荷载变形性能和韧性的影响。结果表明：玄武岩纤维增强混凝土单轴受拉破坏呈明显的塑性特征,玄武岩纤维显著增强了混凝土在轴心受拉荷载作用下的韧性;与普通混凝土(NC)相比,随着玄武岩纤维增强因子的提高,轴心受拉应力-应变全曲线特征点和断裂能均呈先增大后减小的趋势;基于轴心受拉应力-应变全曲线分析,提出关于纤维体积分数和长径比的玄武岩纤维混凝土轴心受拉应力-应变本构模型,可供玄武岩纤维混凝土结构和构件的非线性分析和工程设计参考。对比分析拉压比、折压比和单轴拉伸破坏断裂能3种韧性指标,发现断裂能可以准确评价玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)受拉韧性,BFRC韧性较NC最大提升率为43.0%。     

基于修正混凝土塑性损伤模型的大应变FRP约束混凝土有限元分析

精确的有限元分析(FEA)依赖于材料的准确定义。通过编写用户子程序UMAT实现了大断裂应变纤维增强聚合物(LRS FRP)在纤维方向上拉伸特性的定义。基于Abaqus中混凝土塑性损伤模型的理论框架,提出了一种改进的混凝土塑性损伤模型用于定义LRS FRP约束混凝土的材料特性。这些改进包括：通过LRS FRP约束混凝土的实验数据校准了与屈服准则相关的参数K;硬化/软化准则与约束刚度相关;流动法则与轴向塑性应变相关。采用修改后的材料模型进行FEA,结果表明：FEA预测的应力-应变曲线与实验结果吻合。基于FEA的结果,讨论了矩形柱截面上应力分布的不均匀性,根据约束效果可分为有效约束区域和弱约束区域,且在约束有效区域上应力分布不均匀性随着截面比(长边/短边)的增加而增加。     

预应力钢绞线网加固混凝土圆柱的轴压性能

开发了一种预应力钢绞线(钢丝绳)网加固混凝土柱新技术, 对24根预应力加固混凝土圆柱和2根未加固对比柱进行了试验, 研究在单调轴向荷载作用下, 钢绞线间距、预应力水平对混凝土柱加固效果的影响。试验结果表明：较对比柱, 预应力加固柱的轴向峰值应力和应变最大提高幅度为83%和95%, 加固效果随预应力水平的提高而提高;随钢绞线间距的减小, 加固效果大幅度提高;钢绞线间距对加固效果的影响大于预应力水平的影响。建立了预应力钢绞线加固混凝土柱峰值应力和应变计算式, 提出了两种应力-应变全曲线关系模型, 计算结果与试验吻合良好, 可为相关研究提供理论支持。预应力钢绞线网加固混凝土柱技术是一种主动、高效、无损加固新技术, 具有推广和应用价值。     

玄武岩纤维布约束高温损伤混凝土方柱轴压力学性能试验

对36个玄武岩纤维布增强聚合物基复合材料（BFRP）约束的高温损伤混凝土方柱和15个不同高温损伤的对比试件进行了轴压试验。试验表明,玄武岩纤维布横向约束能改变高温损伤后混凝土方柱的破坏形态,显著提高混凝土方柱的轴压强度和变形能力。其中三层玄武岩纤维布包裹的200℃、400℃、600℃和800℃高温损伤混凝土方柱轴压强度分别提高了48%、130%、206%和389%,轴向变形分别提高了433%、344%、319%和251%。采用典型的纤维增强聚合物基复合材料（FRP）约束常温未损伤混凝土轴压力学性能的设计模型预测FRP约束高温损伤混凝土的轴压强度和变形时存在较大的偏差。通过构建柱状膜结构静水压力平衡模型和约束混凝土方柱与FRP体积应变能平衡模型,分别改进了FRP约束混凝土方柱轴压极限应力和极限应变计算模型的基本形式。基于该基本形式和试验数据,分别确定了BFRP约束高温损伤混凝土方柱轴压极限应力和极限应变计算中与温度相关的参量,提出了适用于高温损伤混凝土方柱的轴压极限应力和极限应变的设计模型。      

增强纤维约束混凝土柱应力-应变模型RBFNN改进计算方法

为提高增强纤维约束混凝土柱应力-应变模型中特征点(峰值应力、应变)的计算精度,针对已有文献资料提出的特征点近似计算公式的不足,引入径向基函数,以混凝土轴心抗压强度、FRP抗拉强度、FRP环向约束体积比、拐角半径与截面短边比值及截面长宽比为输入参数,峰值应力比、峰值应变比为输出参数,建立特征点的径向基网络模型.模型计算结...     

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。