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。      

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。     

FRP约束混凝土强弱约束判断准则

基于数值模拟和以往研究,分析了不同强弱约束状态下的FRP约束混凝土行为.分析结果表明:(1)约束混凝土应力-应变曲线根据强弱约束状态不同而发生变化,处于强约束条件下的混凝土,极限强度大于无约束混凝土强度,对于加固量较小的弱约束混凝土,破坏时的应力值等于或者小于无约束混凝土的强度;(2)计算非圆形截面的约束应力、约束刚度、极限约束应力时要考虑形状等效系数kse,约束混凝土极限状态下的FRP断裂应变小于FRP极限拉应变,对于混凝土圆柱,FRP断裂应变可等效为环形劈裂试验值,对于非圆形截面,需计入形状等效系数kse的影响;(3)定义极限约束应力与无约束混凝土强度比值为约束比,约束比决定混凝土强弱约束状态.通过对收集到的试验数据进行回归,提出了强弱约束判断准则.     

混凝土帆布与CFRP条带联合加固方形截面混凝土短柱轴心受压力学性能

通过混凝土帆布(CC)与碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)条带联合加固混凝土方柱轴压试验,研究了纤维条带约束率、CFRP宽度与间距、层数对混凝土方柱轴压力学性能的影响,分析加固后混凝土方柱的破坏形态、承载力、耗能能力及变形能力。研究结果表明：CC的加入可以缓解角部应力集中,明显提高试件的变形能力,改善柱的破坏形态;条带宽度与间距对试件承载力和耗能能力的影响归结于纤维条带约束率,随着纤维条带约束率与CFRP层数的增加,试件的承载能力与耗能能力不断提高;当纤维条带约束率为0.5、宽度与间距为50 mm时,承载力与耗能能力最大。在试验研究的基础上,对有效约束面积变化进行理论分析,得出CC在联合加固中起到的作用,并建立联合加固混凝土方柱轴心受压承载力模型,通过误差分析可知,该模型具有较高的预测精度。     

FRP配筋混凝土路面结构力学性能试验分析

为了判断纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer,FRP）配筋混凝土路面结构的力学性能差异,确定其应力关系,需要进行FRP配筋混凝土路面结构力学性能试验分析。以某混凝土路面的核心试件为例,首先使用特征分析法分析FRP配筋混凝土路面结构试件特征,其次使用对比法判断混凝土试件的承载力,最后使用变形约束法确定试件的力学性能,得出FRP配筋混凝土路面结构的力学性能关系。力学性能试验分析结果表明,随着FRP层数的增加,混凝土的抗压强度、极限应变、初始刚度均受到不同程度的影响,证明FRP配筋混凝土路面结构符合应力-应变力学性能关系。     

CFRP约束钢管-活性粉末混凝土短柱轴压性能

为研究圆碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束钢管-活性粉末混凝土(RPC)短柱的轴压性能,以CFRP粘贴层数和钢管壁厚为参数进行了12根CFRP约束钢管-RPC短柱、4根钢管-RPC短柱及4根钢管短柱的轴压力学性能试验。通过荷载-位移曲线分析了CFRP层数和钢管壁厚对试件极限荷载和变形能力的影响,探讨了提高系数、CFRP应变效率和延性系数等相关性能指标,最后通过提高系数关联套箍率提出了CFRP约束钢管-RPC短柱承载力模型。结果表明:CFRP约束能有效地增强钢管-RPC短柱的承载能力和变形能力。与CFRP约束钢管-混凝土相比,CFRP约束钢管-RPC表现出CFRP应变效率的下降,并且其延性不如CFRP约束钢管-混凝土。在钢管-RPC承载力的基础上提出了实用的CFRP约束钢管-RPC短柱轴压承载力计算模型。      

海水浸泡对FRP筋-珊瑚混凝土粘结性能的影响

开展了30℃海水浸泡条件下玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）筋、碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）筋与珊瑚混凝土粘结性能的试验研究,分析了纤维增强树脂基复合材料（FRP）筋-珊瑚混凝土粘结滑移曲线特征、破坏形态及粘结强度变化。试验结果表明,海水浸泡后FRP筋力学性能和粘结性能均表现为不同程度的降低。随浸泡时间增加,GFRP筋表层树脂与纤维间的孔隙率明显增大,并逐渐出现脱粘现象,纤维本身遭受到侵蚀,而CFRP筋仅表面基体有少许损伤,其耐久性明显优于GFRP筋;FRP筋-珊瑚混凝土粘结强度呈现出先增加后减小的趋势,且后期下降速率逐渐变小,部分GFRP筋-珊瑚混凝土试件的破坏模式逐渐由筋被拔出转变为筋材断裂;增加保护层厚度能有效地减缓海水对GFRP筋的侵蚀,有利于保持GFRP筋-珊瑚混凝土间的粘结性能。     

硫酸盐环境中CFRP约束劣化混凝土柱的力学性能

为研究碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固经硫酸盐腐蚀劣化后混凝土柱的力学性能,构建CFRP约束劣化混凝土的力学模型,采用CFRP约束普通混凝土后腐蚀和CFRP约束劣化混凝土两种工况进行试验,在试验研究基础上,引入损伤率及强度保持率作为损伤的量化指标,建立两者之间的关系;通过对CFRP约束混凝土强度及应变规律的回归分析,建立适用于硫酸盐环境下CFRP约束劣化混凝土的极限强度、应变模型及应力-应变关系模型。结果表明:随侵蚀时间增长,两种工况下CFRP约束混凝土极限强度和应变的变化规律及劣化速度均不同。预劣化的混凝土柱虽然进行了表面处理,但内部已经存在损伤,在侵蚀环境中采用CFRP加固混凝土柱时,应该考虑混凝土初始损伤的影响。      

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。      

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。      

武器间接命中条件下FRP约束混凝土抗多次打击能力

在3种约束比下FRP约束混凝土圆柱体试件准静载和快速加载试验的基础上,进行多次打击试验及多次打击后的准静载试验 。结果表明:FRP约束混凝土是一种抗多次打击能力较好的抗压复合材料,经每次打击后的刚度虽逐渐衰减,但有收敛趋势,其残余刚度随约束比ξ及最大应力比η的增加而减小。经受多次打击后的FRP约束混凝土与未经受多次打击的试件相比,其准静载下的初始弹性模量降低,强度基本不变,极限应变提高,其中弱约束混凝土延性提高得尤其显著,强约束混凝土应力-应变曲线中线性强化段的斜率随刚度衰减程度的增加而增加,最终FRP强约束混凝土有变成线弹性材料的趋势,为进一步研究FRP约束混凝土在防护结构中的应用提供条件。      

FRP约束混凝土力学性能影响因素分析

FRP作为一种新型人工复合材料,因其强度高、密度小、施工简便、耐腐蚀性高、不增加构件截面尺寸等优点,被广泛应用于土木工程结构加固中.FRP约束混凝土本构关系、极限抗压强度、极限应变等力学参数是进行结构强度补强和延性加固的前提和基础.为使FRP约束混凝土更好地应用于工程实践,基于有限元分析手段和国内外近10年来关于FRP约束混凝土的试验研究与分析成果,深入分析和研究了约束比、混凝土柱截面形状、尺寸、强度、FRP用量、模量、FRP强度以及延伸率对FRP约束混凝土力学性能的影响.     

CFRP复合材料加固钢筋混凝土柱偏心受压性能尺寸效应的试验

碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料是一种具有轻质、高强和抗腐蚀等优点的新型高性能材料,为了研究尺寸效应对CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱偏心受压性能的影响,本文进行了相关的试验研究。试验共制作了15根尺寸成比例的钢筋混凝土柱试件,试验考虑了构件尺寸、偏心距和CFRP复合材料布加固层数三种因素的影响。试验结果表明:CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱的破坏形态、相对挠度、CFRP复合材料布峰值应变、钢筋峰值应变都存在明显的尺寸效应; CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱的极限荷载随偏心距的增大而减少,尺寸越大,减小趋势越平缓;在相同偏心距下,随着CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱试件截面尺寸的增加,安全储备系数逐渐减小。      

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。      

CFRP筋与海水海砂混凝土粘结性能试验与机制分析

通过碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)筋与海水海砂混凝土的中心及偏心拉拔试验,对比了CFRP筋在不同条件下拔出时的粘结应力及滑移值大小,得到完整的CFRP筋/海水海砂混凝土粘结-滑移曲线,同时分析了CFRP筋在混凝土中发生滑移时会产生的若干破坏模式,在此基础上对粘结-滑移曲线不同受力阶段特点进行了分析。同时,采用正交试验的方式,获得了不同因素对CFRP筋/混凝土粘结强度的影响程度。试验表明,CFRP筋/混凝土粘结力中摩擦力的占比较大,且粘结强度最主要的影响因素是混凝土的强度等级。除了传统拉拔试验中会出现的受力筋拉出破坏和混凝土劈裂破坏外,CFRP筋还会由于自身的外形、工艺及力学性能的影响,发生自身破坏。对不同破坏模式、受力筋外形的三种CFRP筋/海水海砂混凝土粘结-滑移曲线,采用多种理论表达式进行对比,最终得到不同条件下CFRP/海水海砂混凝土的粘结-滑移本构关系表达式。     

玄武岩纤维布增强树脂基复合材料约束高温损伤混凝土轴压力学性能

对36个玄武岩纤维布增强树脂基复合材料（BFRP）约束加固的高温损伤混凝土圆柱体和15个不同高温损伤的对比试件进行了轴压试验。试验表明,BFRP侧向约束能显著改变混凝土圆柱体的破坏形态,提高混凝土圆柱体的轴压强度和变形能力。其中二层BFRP包裹的200℃、400℃、600℃和800℃高温损伤混凝土圆柱体的轴压强度分别提高了56%、82%、234%和250%,轴向变形分别提高了328%、198%、232%和136%。采用典型的纤维增强复合材料约束常温未损伤混凝土轴压强度和变形计算模型预测纤维增强复合材料约束高温损伤混凝土轴压极限强度和极限变形时存在较大的偏差。基于本文试验数据,确定了BFRP约束高温损伤混凝土极限应力和极限应变计算模型中与温度相关的参量,建议了适用于预测纤维增强复合材料约束高温损伤混凝土的极限应力计算模型和极限应变计算模型。     

CFRP约束高温后混凝土力学性能试验研究

以混凝土经历的最高温度和CFRP布层数为参数进行了CFRP约束高温后混凝土力学性能试验研究。通过实测应力-应变曲线,研究温度和CFRP布层数对CFRP约束高温后混凝土抗压强度、极限应变和初始刚度等力学性能指标的影响规律。试验结果表明,CFRP约束显著影响了高温后混凝土受压破坏形态,并大幅度提高了高温后混凝土强度,说明CFRP约束可作为火灾后混凝土结构的一种有效的抢修与加固措施。同时,综合分析温度软化效应和CFRP约束强化效应对混凝土抗压强度的影响,CFRP约束强化效应处于主导地位。此外,在现有模型的基础上,提出了评估CFRP约束高温后混凝土力学性能的简化模型,经试验结果验证,该简化模型具有良好的精确性与实用性。     

侵蚀环境下FRP条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压试验

通过侵蚀环境下碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料条带和玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱试验,分析了侵蚀环境对混凝土强度、纤维增强聚合物基复合材料加固锈蚀柱的极限荷载和荷载-轴向位移曲线的影响。结果表明,混凝土强度受冻融环境影响较大,受干湿环境影响较小;纤维增强聚合物(FRP)复合材料加固锈蚀柱的轴向极限荷载与冻融循环次数、钢筋锈蚀率及FRP复合材料种类有关,随冻融循环次数分别增加到25次、50次、75次,GFRP复合材料条带和CFRP复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱的轴向极限荷载分别降低了10.97%、13.37%、16.04%和5.95%、4.66%、4.33%;FRP复合材料加固锈蚀柱的刚度和耗能受侵蚀环境种类、侵蚀环境作用次数、锈蚀率及FRP复合材料种类的影响。在试验研究的基础上,通过理论分析侵蚀环境下混凝土强度损伤系数和锈蚀钢筋强度退化方程,提出了侵蚀环境下FRP复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压承载力计算方法。      

新型CFRP-UHPC组合管混凝土圆柱轴压性能

为研究超高性能混凝土(UHPC)管替代碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土组合柱中钢管的可行性,提出一种外部缠绕CFRP的UHPC预制管、内部现浇填充普通混凝土的新型CFRP-UHPC组合管混凝土(Concrete-filled CFRP-UHPC tube,CFFUT)柱。对10个CFFUT圆柱(包含2个对比柱)进行了单调轴压试验,研究了UHPC管壁厚度、CFRP环向包裹层数和核心混凝土强度等的影响规律。结果表明：CFRP-UHPC管可以有效提高组合柱的承载力、变形能力和延性;CFFUT圆柱破坏形态为核心混凝土压溃、UHPC管开裂和CFRP拉断,破坏后整体性较好,属延性破坏模式;CFFUT圆柱的极限承载力与UHPC管壁厚度、CFRP层数和核心混凝土强度呈正相关;延性系数随UHPC管壁厚度、CFRP层数增加而提高,随核心混凝土强度增加先提高后降低。揭示了CFFUT柱的界面增强作用机制,CFFUT柱极限承载力与同等截面普通混凝土柱相比提高93.9%～203.5%,且CFFUT柱极限承载力一定程度上与CFRP-钢管混凝土柱相当。建立了CFFUT圆柱轴压极限承载力理论计算模型,并通过有限...     

PVC-CFRP管钢筋混凝土柱的偏心受压性能

通过24根聚氯乙烯-碳纤维增强树脂(PVC-CFRP)管钢筋混凝土柱的偏心受压试验,分析了CFRP条带环箍间距和偏心距对PVC-CFRP管钢筋混凝土柱的破坏形态、承载力、应变及荷载-位移关系的影响。试验结果表明:小偏压试件发生混凝土和PVC管的压碎破坏,大偏压试件发生钢筋受拉屈服和PVC管的拉断破坏。随着偏心距和CFRP条带环箍间距的增加,与PVC管钢筋混凝土柱相比,PVC-CFRP管钢筋混凝土试件的承载力逐渐减小,小偏压试件延性系数有不同程度的提高,大偏压试件延性系数基本保持不变。纵向钢筋和混凝土应变发展基本一致,截面受压侧CFRP条带的应变较小,试件截面的应变基本符合平截面假定。试件的荷载-挠度关系和弯矩-曲率关系分为两阶段,CFRP条带环箍间距和偏心距对第一阶段基本没有影响,第二阶段为直线强化段,随着偏心距和CFRP条带环箍间距的增加,强化段的斜率逐渐减小。