高应力率下混凝土动态黏结性能试验技术与数据处理方法

在分离式霍普金森压杆装置基础上开发了一套钢筋与混凝土动态黏结性能试验加载装置;该装置由反力框、承力装置及固定支座等组成,该装置能够实现高应力率下钢筋与混凝土的黏结性能试验。利用该装置对冲击气压为1.0 MPa,混凝土强度分别为C30,C40和C50的3组共15个试件进行动态拔出试验;试验结果发现:黏结应力率越高,钢筋与混凝土之间的极限黏结强度越大,且达到极限黏结强度对应的滑移量越小;混凝土强度越大,极限黏结强度增大,但极限黏结强度对应的滑移量无明显变化。得出了合理的试件安装、荷载施加、数据采集和处理方法,最终形成了规范的动态黏结性能试验操作步骤,并得到了高应力率下黏结应力-滑移全过程曲线。     

高温后单向侧压作用下混凝土与钢筋黏结-滑移性能研究

高温后混凝土与钢筋间的黏结性能影响钢筋混凝土结构的安全评估,实际工程中钢筋混凝土常承受侧向约束作用。为此,该文以高温温度和侧压力为参数,完成了48个钢筋混凝土试件的中心拉拔试验,分析侧压力对高温后试件破坏形态、峰值黏结应力、峰值滑移、残余黏结强度的影响规律,建立了峰值黏结应力随高温温度和侧压力变化的经验公式。将侧压下钢筋-混凝土黏结应力场简化为肋前混凝土挤压力和侧压力的线性叠加,并基于微观传力模型及高温后混凝土的多轴强度破坏准则推导计算了无侧压及单向侧压下的黏结强度理论。研究结果表明:侧压作用和高温温度直接影响试件破坏形态;随着侧压力增加,高温后混凝土与钢筋间的峰值黏结应力、残余黏结强度、峰值滑移逐渐增大,但温度达到500 ℃后,有侧压试件峰值滑移较无侧压试件小;黏结强度理论计算值与实测值较为吻合,能较好地预测高温后混凝土与钢筋间的黏结强度。     

黏结长度对锈蚀钢筋与混凝土间黏结性能的影响

为研究黏结长度(L=2d、5d,d为钢筋直径)对锈蚀钢筋与混凝土间黏结性能的影响,通过电化学加速锈蚀方法,获得六组不同钢筋锈蚀率(0. 0%、1. 0%、2. 0%、5. 0%、8. 0%、10. 0%)的中心拉拔试件,并使用裂缝测宽仪记录试件锈蚀后的最大裂缝宽度。通过中心拔出试验,分析了在黏结长度、锈蚀率等影响因子的作用下钢筋与混凝土间黏结性能的退化规律。结果表明,随着锈蚀率的增加,黏结长度较长的试件(L=5d)锈胀裂纹出现越早,且最大锈胀裂纹越宽。各试件的黏结强度、黏结刚度均随混凝土的劣化及锈蚀率的增加呈现先增长后逐渐下降的趋势,黏结能量则随锈蚀率的增加而逐渐减小。相比于L=2d的试件,L=5d试件的黏结强度、黏结刚度更低。基于试验结果,建立了最大锈胀裂缝宽度、黏结强度与锈蚀率的关系式。     

高温效应对钢筋-混凝土动态黏结性能的影响：精细化模拟

为研究高温效应对钢筋-混凝土动态黏结性能的影响,建立了考虑带肋钢筋表面特征和混凝土材料非均质性的三维细观模型,与试验的破坏模式和黏结应力-滑移曲线进行对比,验证了细观模型的合理性。在此基础上,分析了高温下和冷却后钢筋-混凝土动态黏结应力-滑移行为的变化规律。结合数值模拟结果,建立了考虑高温效应的动态黏结强度预测公式。结果表明：细观模型能够反映变形钢筋与混凝土界面的开裂过程和黏结破坏机理;随着应变率的增加,高温下或冷却后的混凝土损伤区域逐渐减小;应变率相同时,高温下混凝土的损伤区域明显大于冷却后;随着温度的升高,高温下或冷却后试件的极限黏结强度均线性下降;相同温度环境下,应变率增加使得极限黏结强度非线性提高;预测结果与试验结果的良好吻合,说明本文提出的经验公式可以合理反映钢筋-混凝土动态极限黏结强度的高温效应。     

加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响

为探究加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响,开展16根RC梁(质量损失率0%～8.7%)在不同加载速率(0.5～300 mm/min)下的粘结性能测试,据此提出考虑加载速率和钢筋锈蚀影响的粘结强度计算公式,并开展锈蚀钢筋混凝土梁粘结力学行为的数值模拟,分析高加载速率(30～30 000 mm/min,应变率10^-4～10^-1s^-1)下锈蚀梁的粘结滑移力学行为。研究表明：(1)加载速率对锈蚀钢筋混凝土梁式试件的粘结应力-滑移曲线形状以及粘结强度与残余粘结强度的比值影响不大;(2)随着加载速率的增加,锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度和残余粘结强度显著增加,粘结区应力峰值显著增加并逐渐向加载端靠近;(3)本工作提出的考虑加载速率和钢筋锈蚀影响的粘结强度计算公式在0.5～30 000 mm/min的加载速率范围内有很好的适用性。     

钢筋锈蚀率对钢筋与混凝土黏结性能的影响

为研究锈蚀对钢筋与混凝土黏结性能的影响,制作了24个200 mm×200 mm×200 mm的中心拉拔试件及6个标准立方体试块。通过电流诱导钢筋锈蚀并控制其锈蚀量,得到理论锈蚀率为0%、0.3%、0.5%、1%、2%、5%、8%、15%的拉拔试件并完成拉拔试验。通过割线刚度的方法研究了锈蚀率对黏结刚度的影响,分析了峰前拉力功随锈蚀率变化的规律。通过对已有研究中拔出试件的黏结强度退化数据进行统计,得到了三段式黏结强度退化试验模型及保守模型。提出了简化的三段式黏结-滑移本构模型并考虑了锈蚀率对残余黏结强度的影响。试验结果表明:钢筋与混凝土的黏结刚度达到峰值后,随着锈蚀率的增大,其退化速率可划分为2个阶段。峰前拉力功随锈蚀增大呈现先减小后增大再减小趋势。     

高延性混凝土与带肋钢筋黏结性能试验研究

为研究高延性混凝土(HDC)与带肋钢筋的黏结性能,设计制作了20组试件。通过中心拔出试验,研究单调和重复荷载作用下试件的破坏形态及黏结滑移破坏机理,分析了HDC的抗压强度、纤维掺量、纤维种类及保护层厚度对带肋钢筋与HDC黏结性能的影响。结果表明：单调与重复荷载作用下,普通混凝土试件发生了脆性劈裂破坏,HDC试件发生劈裂和拔出破坏;试验结果表明,带肋钢筋与HDC的黏结强度随HDC抗压强度增加而提高;相同HDC抗压强度时,纤维掺量的增加可改善带肋钢筋与HDC的黏结性能;相比PP纤维,相同体积掺量的PE纤维与PVA纤维可有效限制混凝土内部径向裂缝的开展,提高带肋钢筋与HDC的黏结强度;依据破坏形态和黏结强度,得出临界相对保护层厚度为2.0;单调与重复荷载作用下,试件黏结强度比由纤维种类和相对保护层厚度主导,残余黏结强度比由抗压强度和纤维掺量主导;根据试验结果,建立了带肋钢筋与HDC的黏结强度计算公式和黏结-滑移本构模型。     

冻融损伤后钢筋与再生混凝土黏结滑移性能试验研究

对经过0次、25次、50次、75次、100次冻融循环作用后的再生混凝土(粗骨料取代率100%)进行拉拔试验研究,得出不同冻融循环次数、保护层厚度和锚固长度下钢筋与再生混凝土间黏结性能的变化规律。结果表明:随着冻融循环次数的增加,钢筋与再生混凝土间的黏结强度逐渐降低,而滑移值逐渐增加;黏结强度随着相对保护层厚度的增加而增大且呈线性关系,随着相对锚固长度的增加,黏结强度却随之减小,当相对保护层厚度和锚固长度增加到一定值后,黏结强度基本保持不变。基于试验结果给出黏结-滑移曲线,曲线分为微滑移线性阶段、滑移阶段、滑移加速阶段、非线性下降段和残余阶段等5个阶段。通过分析试验数据提出不同影响因素下各阶段黏结锚固特征值的拟合计算公式,为我国冻融环境下再生混凝土结构的耐久性设计提供参考。     

超高性能混凝土与普通混凝土的黏结抗冻性能

对147个超高性能混凝土与普通混凝土的100mm×100mm×100mm立方体黏结试件进行了冻融循环后的黏结性能研究,测量了冻融后试件的相对动弹性模量、质量损失率以及劈裂抗拉强度,研究了超高性能混凝土中的钢纤维掺量、普通混凝土的强度等级、黏结面形式、试件的浇筑方向等因素对黏结试件抗冻性能的影响。结果表明,冻融循环结束后,所有黏结试件中的超高性能混凝土部分都没有出现损伤,超高性能混凝土可以作为普通混凝土结构的理想外围护材料;随着冻融循环次数的增加,黏结试件的相对动弹性模量逐渐减小,质量损失率先降低后增加,黏结试件的劈裂抗拉强度线性下降;影响黏结试件冻融后劈裂抗拉强度下降速度的关键因素是超高性能混凝土中的钢纤维掺量和黏结面的形式。     

高温后圆钢管再生混凝土界面黏结滑移性能及本构方程研究

为了揭示高温作用后钢管再生混凝土的界面黏结性能,以试件的最高经历温度(T)、再生粗骨料取代率(γ)为变化参数,设计并完成了20个高温后试件的静力推出试验。通过试验观察了试件的受力破坏过程及形态,获取了试件加载端和自由端的荷载滑移曲线,分析了各变化参数对界面黏结性能及黏结损伤演变过程的影响规律,并提出了高温后钢管再生混凝土的界面黏结强度计算方法及黏结滑移本构方程。结果表明:荷载-滑移曲线的形态可以分为T≤400 ℃和T=600 ℃两类,加载端和自由端的曲线形态相似但加载端的初始滑移发生得相对较早;界面黏结性能整体上与钢管普通混凝土相差不大(各取代率下性能差值的均值在11%以内);界面黏结强度随经历温度和再生粗骨料取代率的升高呈现先减小后增大的变化趋势;随着经历温度的升高,界面黏结抗剪刚度先减小后增大再减小,界面黏结耗能能力则逐渐增大;随着再生粗骨料取代率的升高,界面黏结抗剪刚度和耗能能力均呈现先增大后减小再增大的变化趋势;界面黏结损伤发生的早晚随经历温度的升高呈现先提早而后变晚的变化规律,而再生粗骨料取代率对其影响不大;界面黏结损伤发展速度随经历温度和再生粗骨料取代率的升高呈现先增大后减小的变化趋势。     

GFRP筋与自密实混凝土黏结性能的试验研究

为了研究玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋与自密实混凝土(SCC)的黏结性能,制作了66个GFRP/SCC试件进行中心拉拔试验,研究SCC混凝土保护层厚度、GFRP筋直径和黏结长度以及SCC中添加纤维种类等因素对两者黏结性能的影响,并对试件的破坏形式进行分析。结果表明:试件主要出现了三种破坏形式,即劈裂破坏、拔出破坏、拔出带缝破坏;通过电镜扫描发现SCC浇筑方向对GFRP筋与SCC黏结界面的结构有一定影响,GFRP筋上部界面与SCC黏结更紧密。当SCC保护层厚度由4D增大至7D时,黏结强度提高了约44.05%;当GFRP筋黏结长度由5D增大至15D时,黏结强度降低了约65.43%;当GFRP筋直径由12 mm增大至16 mm时,黏结强度降低了约22.57%;SCC中添加聚丙烯纤维、钢纤维、聚丙烯纤维+钢纤维的试件黏结强度比不添加纤维的试件黏结强度分别提高12.80%、15.16%、15.09%。可以通过适当增加SCC保护层厚度、在SCC中添加纤维等措施来提高GFRP/SCC试件的黏结强度。      

基于STC-SMA层间性能的沥青混合料设计与评估

为研究高韧性混凝土组合桥面沥青面层对层间黏结性能的影响，开展超高韧性混凝土（STC）-沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）复合试件斜剪试验和拉伸试验，探究矿料级配、胶结料类型和环境温度等因素对层间力学性能的影响规律；经过多次冻融循环，评估水损害对层间黏结性能的劣化影响。结果表明，合理的混合料级配能提高STC-SMA黏结性能，SMA-13A级配层间黏结性能最佳；高弹高黏沥青胶结料有利于增强STC-SMA黏结性能，常温25℃和高温60℃条件下，相比SBS-SMA-13A,PG100-SMA-13A复合试件的层间剪切强度分别增加33.7%、55.9%，剪切断裂能分别增加41.2%和27.4%；层间拉伸强度分别增加15.5%、23.1%，拉伸断裂能分别增加27.0%、17.0%；环境温度对层间性能有显著影响，与常温相比，高温下STC-PG100-SMA-13A复合试件的层间剪切强度、拉伸强度的降幅分别为64.2%、77.5%。经过12次冻融循环后，PG100-SMA-13A复合试件的剪切强度、拉伸强度分别为1.75 MPa、1.00 MPa。PG100-SMA-13A无论是层间力学性能还是水稳定性均...     

钢筋混凝土梁动态试验与数值模拟

试验研究、数值模拟地震作用范围内加载速率对钢筋混凝土梁影响。考虑混凝土强度、钢筋强度、剪跨比、加载速率及加载模式等对钢筋混凝土梁力学及变形性能影响;基于ABAQUS有限元软件建立钢筋混凝土梁计算模型,考虑钢筋、混凝土的率敏感性,对梁试件在不同工况下动态性能进行数值模拟;模拟结果与试验结果吻合较好。     

键槽构造UHPC-NC界面黏结性能试验研究

采用超高性能混凝土(UHPC)加固桥梁,UHPC与既有普通混凝土( NC)结构界面间的黏结性能是保证加固效果的关键.为研究界面构造对UHPC-NC界面黏结性能的影响,以键槽布置和形状为变量,开展键槽构造UHPC-NC单面直接剪切试验,并与界面黏贴处理试件进行对比.结果表明:UHPC-NC黏结界面的破坏形态主要可分为四种,其中c、d类破坏(黏结界面与NC出现破坏)占总破坏形态的80% ;键槽构造组的界面黏结性能优于黏贴组,其界面黏结抗剪强度比黏贴组高2倍左右;当键槽口宽度较小(10～20 mm)即体积损失率低于0. 09时,UHPC-NC界面黏结抗剪强度随键槽口宽度的增大而增大;正梯形键槽试件的界面黏结抗剪强度比直角形键槽试件高25%左右,倒梯形键槽试件的界面黏结抗剪强度比直角形键槽试件高13% ～15% ;键槽构造UHPC-NC界面黏结-滑移曲线包含弹性上升阶段、屈服阶段和破坏下降阶段,部分曲线无屈服阶段,其极限滑移值均在0. 8 mm以下.本工作提出了键槽构造UHPC-NC界面黏结-滑移模型,并给出了黏结刚度建议值.     

CFRP-火灾后混凝土界面快速剥离试验

该文完成了72个快速荷载下CFRP加固火灾后混凝土试件单面剪切试验,基于Dai模型对界面应变分布进行拟合,并探讨了混凝土强度、应变率和过火温度三种因素对界面剪切黏结强度、应变分布、黏结剪应力、界面黏结滑移关系和界面断裂能等黏结性能参数的影响。试验表明:界面剪切黏结强度、峰值剪应力和界面断裂能随着混凝土强度和应变率的提高而提高,但随着过火温度的升高而下降,在500℃以后下降尤为显著,过火温度为700℃的试件界面平均峰值剪应力相比于常温试件下降33.0%,界面断裂能下降83.8%;有效粘结长度随着混凝土强度和应变率的提高略有减小,但随着过火温度的升高而显著增大。常温试件的有效粘结长度在70 mm～90 mm之间,而过火温度为700℃的试件有效粘结长度达165 mm左右。     

中低加载速率下BFRP筋-混凝土粘结性能研究

BFRP(basalt fiber reinforced polymer)筋是一种取代钢筋用于土木工程领域的新型纤维复合材料,中低加载速率下BFRP筋-混凝土粘结性能是保证其协同作用承受动荷载的重要前提。该文根据正交试验方法设计了16组粘结试件,利用MTS试验系统对不同加载速率(0.005 mm/s~5 mm/s)下的BFRP筋-混凝土试件进行了中心拉拔试验,研究了加载速率、混凝土强度及BFRP筋直径等因素对粘结性能的影响。在现有粘结强度计算模型的基础上,对粘结特征参数进行了修正,提出了中低加载速率下的BFRP筋-混凝土动态粘结强度计算公式,进一步建立了BFRP筋-混凝土粘结滑移本构关系模型。结果表明:BFRP筋-混凝土粘结试件主要发生拔出破坏与劈裂破坏,粘结滑移过程可分为滑移段、下降段和残余段;粘结强度随加载速率和混凝土强度的增大而增大,而随纤维筋直径的增大却显著减小;理论计算结果与试验结果吻合良好,为预测中低加载速率下BFRP筋-混凝土粘结性能提供了一种有效手段。     

玻璃纤维增强聚合物复合材料筋与工程水泥基复合材料黏结性能

为了研究玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料筋和工程水泥基复合材料（ECC）黏结性能的影响因素,对42个GFRP/ECC试件进行了拉拔试验,分析了GFRP复合材料筋表面形式、直径、ECC基体强度及保护层厚度等因素对GFRP复合材料筋与ECC基体黏结性能的影响。结果表明:GFRP/ECC试件的破坏形式主要有拔出破坏、筋剥离剪切破坏、劈裂破坏三种形式。表面带肋GFRP复合材料筋黏结强度比光滑GFRP复合材料筋高约66%;当ECC保护层厚度由1.5D（D为GFRP筋直径）增大至4D时,GFRP/ECC黏结强度提高了约58%;当GFRP复合材料筋直径为12~18 mm时,GFRP/ECC黏结强度随着GFRP复合材料筋直径的增大而降低;ECC强度由33.7 MPa增大至73.3 MPa时,GFRP/ECC黏结强度增大约3倍。增加GFRP复合材料筋表面形式复杂程度,或一定程度上提高ECC基体保护层厚度、提高ECC强度等级,有助于提高GFRP复合材料筋与ECC的黏结强度。      

高温后圆钢管高强混凝土界面黏结性能试验研究

为揭示历经高温作用后圆钢管与高强混凝土界面间的黏结滑移性能,设计17个试件进行推出试验,试验考虑了高强混凝土强度等级、历经最高温度和界面黏结长度3个变化参数,通过试验,观察了试件的破坏过程及形态,得到试件加载端及自由端的荷载-滑移曲线,基于试验实测数据深入分析各变化参数对黏结强度、界面耗能及损伤的影响规律,提出了高温后圆钢管高强混凝土界面黏结强度的计算式以及黏结滑移本构方程。结果表明:随历经温度的升高,圆钢管与高强混凝土界面黏结强度呈现先增大后减小的变化规律;随着历经温度的升高,黏结强度随混凝土强度等级的提高而增大的影响程度逐渐减弱;界面黏结损伤随历经温度的升高有所推迟;界面黏结耗能能力随历经温度与混凝土强度等级的提高而下降。     

一向侧压混凝土在不同加载速率下的受压试验及其破坏准则

本文利用大连理工大学的大型混凝土静、动三轴试验系统，完成了4种侧应力等级和4个数量级加载速率的混凝土受压试验试件共63个。系统地探讨了侧应力和不同加载速率下的受压强度规律。在此基础上，建立了相应的混凝土破坏准则。为地震区受动态双轴压作用的混凝土结构、海上混凝土采油平台等重要结构的动态分析，奠定了可靠的基础。     

双向应力状态下混凝土的动态压缩试验研究

利用大连理工大学自行研制、改造的液压伺服静、动态三轴试验系统对71个立方体混凝土试件进行双轴应力状态下的动态压缩试验,侧压比例为0∶1、0.25∶1、0.5∶1、0.75∶1、1∶1五个级别,加载速率为10-5s-1、10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1四个量级。系统研究了不同应变速率以及不同应力比例条件下混凝土的破坏模式以及极限强度变化规律。试验表明:在双向应力状态下,极限强度随着应变速率有一增加的趋势;侧向压力的大小是影响破坏模式和极限强度的最重要因素。提出了综合考虑应力组合与应变速率影响的统一强度准则。