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2022年  第39卷  第11期

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碳纤维增强树脂基复合材料及其拉索抗低速冲击性能综述
王安妮, 刘晓刚, 岳清瑞
2022, 39(11): 5049-5061. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220615.001
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer composite,CFRP)拉索具有轻质高强特性和优异的耐腐蚀疲劳性能,可替代钢拉索应用于桥梁结构中以应对桥梁更大跨度、更恶劣服役环境的需求。然而,CFRP拉索较差的抗低速冲击性能导致其在服役期间面临车辆、落石等撞击的威胁。为全面了解CFRP的抗冲击性能,促进CFRP拉索在工程结构中的应用,本文对CFRP及其拉索的基础动态力学性能、冲击响应及损伤失效研究现状进行了总结。现有研究表明:CFRP具有应变率敏感性,但CFRP的应变率效应尚不明确,需建立包含全应变率范围的力学性能数据库;CFRP层合板抗冲击性能研究较为全面,然而截面形式差异、较大的长细比、轴向应力耦合等因素导致CFRP层合板的研究结论不能完全适用于CFRP拉索;现有研究停留在冲击能量、锚固长度及温度对小吨位CFRP拉索抗冲击性能的影响,缺乏对大吨位CFRP拉索抗冲击性能及损伤失效机制的研究;CFRP拉索在车辆撞击下破断时的峰值索力远低于其轴向拉伸破断力,应对拉索进行严格的防撞设计。
钢板屈服对CFRP-钢界面粘接性能影响的试验研究
吴超, 余洋喆, 雷昕弋, 谭力豪
2022, 39(11): 5062-5073. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211202.001
摘要:
为研究钢板屈服对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)-钢粘接界面的性能影响,开展了一系列CFRP-钢双搭接粘接节点拉伸试验和有限元模拟。以钢板厚度和CFRP粘接长度为变量,通过拉伸试验得到了钢板屈服条件下的节点拉伸荷载-位移曲线、有效粘接长度和失效模式。试验结果表明,15 mm厚钢板的粘接节点在破坏之前表现为弹性状态,而8 mm厚钢板的粘接节点在破坏前钢板已经屈服并进入塑性状态。钢板屈服使得节点的荷载-位移曲线由线性变为非线性,且钢板屈服时节点的失效位移增加;随着钢板屈服,节点的失效模式由CFRP层离破坏变为CFRP层离和钢板-胶层界面脱粘混合模式,且随着钢板屈服程度的增大,钢板-胶层脱粘面积也在增大。根据本文所采用的节点试件及所选取的材料属性,当8 mm厚钢板节点在出现钢板屈服后,其最大失效位移约为15 mm厚钢板节点的4.2倍,但其承载力仅为15 mm厚钢板节点的69.92%。即节点由于钢板屈服所获得的延性是以节点承载力降低为代价的。从有限元结果可以发现,当钢板屈服程度增加,节点失效位置将会从接头处转移至粘接接头远端,有效粘接长度也随之减小。
配置新型封闭缠绕式GFRP箍筋混凝土梁的受剪性能试验
原野, 王震宇, 王代玉
2022, 39(11): 5074-5085. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220607.003
摘要:
对采用新型封闭缠绕式玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)箍筋的混凝土梁进行了三点加载试验,考察了箍筋形式、纵筋配筋率、剪跨比、箍筋间距对配置新型封闭缠绕式GFRP箍筋混凝土梁受剪性能的影响规律。试验结果表明,新型封闭缠绕式GFRP箍筋的弯曲段强度与平直段受拉强度之比达到0.81,是拉挤成型箍筋的2.07倍。剪跨比和箍筋间距相同时,新型封闭缠绕式GFRP箍筋混凝土梁的受剪性能更好,其材料利用效率显著高于拉挤成型箍筋。梁的抗剪承载力随纵筋配筋率增加的提高幅度不大,但梁的延性有较明显改善。当箍筋间距为75 mm,新型封闭缠绕式GFRP箍筋的应变显著增大,同时对剪压区混凝土产生一定的约束作用,提升了受剪承载力。采用中国(GB 50608—2020)、美国(ACI 440.1R-15)、加拿大(CSA S806-12)、英国(BISE—1999)和日本(JSCE—1997)五种纤维增强树脂复合材料(FRP)筋混凝土结构设计规范计算的受剪承载力显著低于试验值,建议适当提高新型封闭缠绕式GFRP箍筋的断裂应变限值。
混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料抗弯冲击性能
霍彦霖, 孙华阳, 刘天安, 和怡馨, 陈智韬, 吕承博, 杨英姿
2022, 39(11): 5086-5097. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220623.005
摘要:
首先研究了在准静态作用下不同纤维掺量及基体强度的混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料(SHCC)的抗压和抗弯性能。实验结果表明,混杂钢纤维可大幅提高SHCC材料的强度,其中抗压强度和抗弯强度分别提高了10.1%和13.9%。其次,采用落锤式冲击系统开展了混杂纤维增强SHCC在不同冲击高度下的动态抗弯性能试验。研究发现,混杂钢纤维的动态抗弯强度比单一纤维SHCC提高了10%~36%,具有明显的应变率效应。混杂纤维增强SHCC能量耗散与弯曲变形之间存在线性关系。最后,提出利用五维表征雷达图综合评估混杂纤维增强SHCC的成本和力学性能,并建议了最佳配合比。
玻璃纤维增强聚丙烯树脂复合材料索锚构件设计及力学性能
李承高, 张玉潭, 呼思乐, 吉启康, 郭正岳, 孙瑜泽, 咸贵军
2022, 39(11): 5098-5108. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220130.001
摘要:
桥梁拉索及预应力混凝土结构用纤维增强复合材料的可靠锚固是需要解决的关键难题。热塑性聚丙烯树脂具有优异的断裂韧性、耐湿热/抗疲劳性能及加工成型方便和可回收利用等优点,根据其加热熔化冷却成型原理,本文采用玻璃纤维增强聚丙烯预浸带制备了一种尺寸稳定、性能优异、具有自锁结构的复合材料索锚构件。采用拉伸测试及有限元模拟研究预浸带层数与圆弧段角度对索锚结构极限承载力、应力分布及破坏模式的影响。研究发现,索锚构件的极限承载力随圆弧段角度增加而降低,随缠绕层增加先增加后下降。有限元模拟与实验结果吻合性较好,验证了缠绕10层预浸带,圆弧段角度为13.5°的索锚构件应力分布均匀并取得最高的拉伸强度。最后,通过总结与分析,论证了一体化新型索锚构件在桥梁拉索、地锚结构及预应力混凝土结构中的应用前景。
FRP筋UHPC梁受弯承载力计算方法
薛文远, 胡翔, 薛伟辰
2022, 39(11): 5109-5121. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220809.001
摘要:
目前国内外尚未提出纤维增强树脂复合材料(FRP)筋超高性能混凝土(UHPC)梁受弯承载力的显式计算公式。基于ABAQUS中的塑性损伤模型,建立了FRP筋UHPC梁的受弯性能非线性有限元分析模型,通过已有试验结果验证了该模型的有效性。开展了40根UHPC梁的参数分析,重点研究了截面尺寸、UHPC强度、FRP筋抗拉强度和配筋率等因素对梁受弯性能的影响规律。基于目前国际上最常用的法国NF P 18-710规范,对UHPC受拉本构模型进行了简化,推导了UHPC受压区和受拉区等效矩形应力图块系数,提出了FRP筋UHPC梁平衡配筋率的计算方法,建立了受压破坏和受拉破坏模式下梁截面受弯承载力的理论计算公式。该公式计算值与试验结果、有限元分析结果和条带法计算结果均吻合良好。
海水浸泡与持续荷载耦合作用下GFRP筋的长期锚固长度
常宇飞, 王言磊, 王密锋, 周智
2022, 39(11): 5122-5134. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220720.001
摘要:
为了获得海水浸泡与持续荷载耦合作用下玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber-reinforced polymer,GFRP)筋的长期锚固长度计算公式,首先搜集了81个拔出破坏的GFRP筋混凝土梁式试件的数据,提出了GFRP筋的短期锚固长度计算公式。然后测试了在海水浸泡与持续荷载耦合作用下GFRP筋拉拔试件的粘结强度,结合强度预测理论,得到了粘结强度折减系数。采用粘结强度折减系数及基于他人试验获得的GFRP筋抗拉强度折减系数修正了短期锚固长度计算公式,最终建立了海水浸泡与持续荷载耦合作用下适用于拔出破坏的GFRP筋长期锚固长度计算公式。研究结果表明:GFRP筋的长期锚固长度变化主要是由粘结强度和抗拉强度的减小造成的。经过海水浸泡与持续荷载耦合作用50年后,当环境的年平均温度为8℃、13℃、18℃、23℃和28℃时,GFRP筋的粘结强度折减系数分别为0.60、0.60、0.56、0.56和0.52。相应的GFRP筋抗拉强度折减系数分别为0.63、0.56、0.49、0.42和0.35。
张弦式预应力CFRP板加固钢-混凝土组合梁的抗弯试验
强旭红, 陈龙龙, 姜旭
2022, 39(11): 5135-5147. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220629.004
摘要:
为研究张弦式预应力碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板加固方法的加固效果,进行了4根5.2 m长的钢-混凝土组合梁试件的四点弯曲试验。使用自主研发的顶升装置横向张拉CFRP板,配合可转动的端部锚具共同完成加固。试验结果表明:钢-混凝土组合梁均呈现出典型的弯曲破坏特征;加固梁的极限承载能力显著提高,分别提高31.5%、28.8%和47.9%,其中150CFRP(10)-S-C组由于锚具不当而导致CFRP板提前发生破坏;加固对梁的破坏时挠度影响很小,100CFRP(10)-S-C和150CFRP(15)-S-C梁的极限挠度仅降低了0.4%和1.6%;增大CFRP板截面面积对梁的抗弯刚度贡献较大,而提高初始预应力水平更有助于延缓钢梁屈服;加载全过程,CFRP板应力沿全长分布均匀,破坏时材料强度利用率达80%以上。为期约90 h的预应损失监测表明,张弦式加固方法的预应力损失不超过2.5%,且损失预应力补偿方便。但是,值得注意的是该方法对端部锚具的可靠性要求很高。
海洋大气环境对CFRP-钢界面粘结性能的影响
余倩倩, 赵翊舟, 高瑞鑫
2022, 39(11): 5148-5157. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220915.003
摘要:
为研究长期海洋大气环境作用对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢界面粘结性能的影响,设计并制作了36个CFRP-钢板双搭接试件,采用盐雾沉降量1~2 mL/80 (cm2·h)的盐雾箱来模拟海洋大气环境。对试件进行了疲劳加载后的静力拉伸试验,分析了环境作用时间(30、180、360天)、长期持续荷载和硅烷表面处理方式对CFRP-钢界面破坏模式和承载力的影响。研究结果表明:随着海洋大气环境作用时间增加,CFRP-钢双面搭接节点由胶层内破坏伴随CFRP层离破坏逐渐向钢-胶界面粘结失效转变。暴露360天后极限承载力最大下降了15.72%。硅烷表面处理对CFRP-钢界面耐久性提升作用较小。持续荷载导致短期环境作用下(30天)极限承载力下降了18.39%,但对长期环境作用影响很小,高应力预加疲劳导致CFRP-钢界面极限承载力最大下降了26.6%。采用Hart-Smith模型对CFRP-钢界面极限承载力进行计算,发现长期环境作用后的承载力预测值和试验值误差超过了30%。在考虑破坏模式变化对界面极限承载力的影响下进行了修正,将误差减小到最大为14.04%。
再生砂超高性能混凝土力学性能
张智, 蔡自伟, 李凌志, 俞可权
2022, 39(11): 5158-5169. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220507.001
摘要:
超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)因其优异的力学性能而广受关注。传统混凝土制备消耗了大量天然砂,导致天然砂供应短缺和价格上涨,增加了UHPC的制备成本,不利于UHPC保持稳定的力学性能。由建筑垃圾破碎生产的再生砂因其来源丰富、体量巨大、绿色环保,具有取代天然砂制备UHPC的潜力。为验证再生砂替代天然砂制备UHPC的可行性,本文研究了再生砂取代率、粒径和砂胶比等因素对UHPC的拉伸和压缩性能的影响。结果表明:再生砂UHPC仍具有较好的力学性能,随着再生砂取代率增大,再生砂UHPC的抗压强度、弹性模量和抗拉强度均逐渐减小;再生砂粒径与砂胶比对力学性能的影响甚微,当砂胶比从0.6增大到0.9时,弹性模量仅下降5.5%。本文建立了考虑再生砂掺量的UHPC静弹性模量计算公式,提出了再生砂UHPC棱柱体抗压强度与弹性模量的经验公式。再生砂UHPC具有成本低、性能高、绿色环保等特点,通过对其基本力学性能的表征,并建立相应的计算公式,为后续再生砂UHPC的结构应用奠定了基础。
碳纤维织物增强水泥基复合材料拉拔过程力阻响应和等效分层破坏模型
陶冶王之, 张大伟, 陈冠浩
2022, 39(11): 5170-5180. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220719.001
摘要:
碳纤维织物增强水泥基复合材料(CFRCM)被广泛研究并应用于混凝土结构加固和性能自监测,但目前碳纤维的力阻响应机制尚不明确。本文通过CFRCM纤维束的拉拔试验发现其荷载-位移曲线符合典型的粘结滑移三阶段特征,拉拔过程中的电阻变化也呈现出波动缓慢上升-快速增长-缓慢增长的三阶段特征,碳纤维束脱粘阶段的电阻增长率与极限拉拔力呈现中高度的正相关性。进一步基于拉拔过程碳纤维束的力阻响应建立了纤维等效分层破坏模型及计算方法,为电阻信息与受荷状态的相互转化提供了新思路。
纤维增强混凝土氯离子扩散系数的多尺度预测模型
童良玉, 刘清风
2022, 39(11): 5181-5191. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220422.003
摘要:
纤维增强混凝土材料属于多相非均质复合材料,其宏观耐久性能由微观和细观的组分占比和夹杂关系共同决定。为考虑纤维增强混凝土材料不同尺度下的非均质性对整体氯离子扩散系数的影响,本文基于从微观到宏观的多尺度方法选取了不同层级代表单元,建立了纤维增强混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。模型在充分考虑微观水泥水化过程和阈值效应的基础上,分析了细观尺度下纤维、骨料及其与水泥浆体的结合界面对混凝土宏观扩散性能的共同影响,并探究了纤维尺寸、纤维-浆体界面过渡区厚度等因素与扩散系数之间的影响关系,且通过第三方试验对模型的可靠性进行了验证。参数化分析的结果表明,当水灰比大于一定限值(约为0.45),水泥浆体的氯离子扩散系数与水灰比呈指数增长,而在细观层级上,纤维-浆体界面过渡区是影响混凝土整体扩散性能的主要因素:纤维掺量的增加和纤维直径的减小都会增大界面过渡区的体积,而较高的纤维过渡区体积占比和纤维界面扩散系数都会增大纤维增强混凝土的宏观氯离子扩散系数。结果还表明混凝土扩散系数与纤维掺量之间并无直接关系,而需要综合考虑纤维直径、界面过渡区厚度等各种因素的影响。本文所提模型能够有效预测纤维增强混凝土的扩散系数,进而更高效的评估纤维掺入对混凝土耐久性的影响,并基于预测结果为工程实践提供理论指导和技术参考。
CFRP加固紧凑拉伸钢试件的疲劳试验研究
郑元鹏, 陈涛, 黄诚
2022, 39(11): 5192-5205. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220622.003
摘要:
以紧凑拉伸试件(Compact-tension specimen,CT试件)为研究对象,针对未补强及不同碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)粘贴补强工况的CT试件开展疲劳试验。以CFRP材料类别、单/双面粘贴与CFRP材料用量作为变量,运用沙滩纹加载制度与非接触式全场应变测量(Digital image correlation,DIC)技术记录测量疲劳裂纹扩展长度与试件CFRP表面应变场,分析CFRP粘贴延长疲劳寿命的作用,从疲劳寿命与疲劳裂纹扩展速率入手,比较疲劳试验结果用以指导CFRP粘贴加固疲劳损伤钢构件。结果表明粘贴CFRP发挥其抗拉和抗压作用可以减小乃至抑制疲劳裂纹扩展速率的增长,从而有效推迟试件疲劳破坏,在特定工况下可最多延长试件疲劳寿命至未补强状态下的3.14倍。其中,双面粘贴的加固效果明显优于单面粘贴;增加碳纤维布的铺贴层数对疲劳寿命的增长具有一定的贡献;碳纤维复材板与试件粘接边缘的脱胶导致其补强效果不及刚度相似的碳纤维布;粘接界面是补强体系破坏过程中的薄弱环节,碳纤维复材板加固试件的破坏模式主要为胶层破坏与复材板脱胶,碳纤维布加固试件的破坏模式为以最内层碳纤维布脱胶与分层主导,含有小范围胶层破坏的混合状态。含裂纹钢构件CFRP粘贴加固的材料与工艺值得进一步改良研究。
GFRP开孔板连接件双剪试验及受剪承载力计算
薛伟辰, 严大威, 张士前, 王永生
2022, 39(11): 5206-5215. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220915.001
摘要:
玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)开孔板连接件是GFRP-混凝土组合梁中一种常用的抗剪连接件。开展了5组共15个GFRP开孔板连接件试件的双剪试验,试验参数包括与GFRP开孔板连接件粘结的GFRP型材接触面打磨深度(0.5 mm/1.0 mm)、孔中横向贯通GFRP筋(无/配置)、贯通GFRP筋直径(9.5 mm/13.0 mm)和混凝土强度等级(C30/C50)。试验表明:打磨深度0.5 mm和1.0 mm的试件分别发生开孔板与GFRP型材之间的粘结层破坏和板肋剪切破坏,孔中横向贯通GFRP筋和混凝土榫均完好;开孔板连接件的剪力-滑移曲线可分为微滑移段和滑移段;与打磨深度0.5 mm开孔板连接件相比,相应的打磨深度1.0 mm开孔板连接件的受剪刚度较高;配置横向贯通GFRP筋、提高混凝土强度可显著提高开孔板连接件的受剪刚度;打磨深度1.0 mm开孔板连接件受剪承载力比相应的0.5 mm开孔板连接件高44.82%,配置横向贯通GFRP筋的开孔板连接件受剪承载力比相应的未配置横向贯通筋的开孔板连接件高20%左右,而横向贯通GFRP筋直径和混凝土强度对开孔板连接件受剪承载力的影响不显著。基于最大剪应力失效准则,推导了GFRP开孔板连接件的受剪临界破坏面,提出了板肋剪切破坏下开孔板连接件受剪承载力计算公式,计算值与国内外已有试验结果对比吻合良好。
基于梁理论的ECC拉伸应变硬化与开裂行为的数值模拟
吴畅, 王欣汝, 许铭纹, 姚杰, 陈明糠, 金辰华
2022, 39(11): 5216-5227. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220215.003
摘要:
基于描述超高延性水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)中单根纤维拔出行为的等效弹性地基梁模型,通过纤维-基体系统切面的平面应变有限元分析,提出了等效连续梁弹簧约束刚度的显式计算方法,建立了改进的等效弹性地基梁模型,并将模型应用于ECC单轴拉伸应变硬化与多缝开裂行为的数值模拟分析。分别基于摩擦滑轮模型和等效弹性地基梁模型计算ECC应力-应变关系曲线,并与试验结果进行对比。结果表明:对于聚乙烯(PE)/ECC,大部分情况下基于等效地基梁模型的计算结果与试验结果相比于聚乙烯醇(PVA)/ECC更加吻合。表明本文提出的改进的等效地基梁模型能够很好地描述抗弯刚度无法忽略的纤维的拔出行为,对于此类ECC材料和结构的受力机制和设计理论具有一定的参考价值。
疏水改性玄武岩纤维增强树脂复合材料筋的力学性能及耐久性
周傲, 李烁, 刘铁军, 邹笃建, 杨光
2022, 39(11): 5228-5238. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220419.003
摘要:
玄武岩纤维增强树脂复合材料(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋因其绿色环保、耐腐蚀性强等特点,广泛应用于海洋工程。但在长期服役过程中BFRP筋会出现吸水和被碱腐蚀导致的溶胀裂解等现象,树脂基体发生膨胀破坏,导致玄武岩纤维和基体脱粘。基体膨胀后海水中侵蚀离子加速入侵,进一步加剧BFRP筋性能退化。为了阻碍水分入侵,延长BFRP筋在海洋工程中的服役年限,通过制备氟化纳米 SiO2 改性自固化环氧树脂疏水涂层,并将其喷涂于筋表面对BFRP筋进行改性。疏水涂层使BFRP筋表面接触角从63°提高到106°。之后将BFRP筋放入25℃、45℃、60℃水和海水中进行耐久性实验,探究改性前后BFRP筋吸水率、拉伸性能在长期浸泡龄期下的变化规律。试验结果表明,疏水改性后的BFRP筋吸水率降低,其中45℃水环境中浸泡60天后,疏水改性BFRP筋吸水率比未改性筋降低40%。采用阿伦尼乌斯模型对改性前后BFRP筋的拉伸强度进行长期性能预测,疏水改性BFRP筋在长期服役过程中有更高拉伸强度保留率。通过制备氟化纳米 SiO2 改性自固化环氧树脂的疏水改性方法能够降低BFRP筋吸水率,提高强度保留率,延长服役寿命。
螺旋缠绕挤压肋FRP筋与混凝土间的粘结性能
董恒磊, 李东风, 王代玉
2022, 39(11): 5239-5250. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220419.001
摘要:
纤维增强树脂复合材料(Fiber-reinforced polymer,FRP)筋的粘结性能是影响FRP筋混凝土构件力学性能的关键性因素,而目前有关带肋FRP筋表面处理工艺、几何特征等因素对粘结性能影响的研究还不足,当前主要设计规范也缺乏此方面的规定。本文以螺旋缠绕挤压肋FRP筋(简称螺旋肋FRP筋)为研究对象,通过搜集大量粘结性能试验数据,分析各主要研究变量对粘结损伤模式和粘结强度的影响规律,重点关注筋表面几何特征造成的影响,明确了螺旋肋FRP筋的粘结机制。结果表明,增大混凝土强度使粘结破坏的薄弱区域逐渐从筋与混凝土间咬合层的界面1(混凝土损伤为主)转移到界面2(纤维树脂损伤为主),同时粘结强度也增大,并且混凝土肋宽比CLR越大,增加混凝土强度对粘结强度的提升越明显;增大相对肋高hrd和混凝土肋宽比CLR导致筋与混凝土间咬合层的损伤程度加大,二者的机械咬合作用增强,粘结强度也相应增加;采用多元非线性回归的方式提出了适用于螺旋肋FRP筋的粘结强度计算公式,其预测结果与试验吻合较好,预测精度远高于目前的主流设计规范,究其根本原因在于本文所提公式准确考虑了FRP筋表面几何特征对粘结强度的影响规律。
工程水泥基复合材料与发泡式聚苯乙烯保温板的界面粘结性能
李雨珊, 尹世平, 徐世烺, 侯向明, 王宇清, 李传秀
2022, 39(11): 5251-5263. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220215.002
摘要:
随着国家对节能减排的倡导,因建筑围护结构隔热性能不足导致的建筑高能耗问题日益突出。对此,采用一种以工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)为面层、发泡式聚苯乙烯(EPS)板为保温层的夹芯(Sandwich)结构墙体来改善围护结构的隔热性能。这种结构不仅能够有效降低能量的耗散,还具有良好的变形和控制裂缝的能力。然而,界面粘结性能是决定其能否充分发挥各自材料优势并满足使用要求的重要前提。于是,对夹芯结构进行了双面剪切试验,研究了制作方式、保温层厚度、有无连接件及插入连接件的角度对ECC面层与EPS保温层界面粘结性能的影响。试验结果表明,EPS预制试件的粘结性能最差,并且其极限荷载的平均值仅为现浇试件的1/4。保温层厚度越大,试件的粘结性能则越差。连接件的加入有助于提高试件的承载能力和界面粘结性能,其中嵌入45°连接件的试件的增强效果最明显。同时,通过对各试件韧性指数的分析发现,有连接件的试件的韧性均较好,无连接件且保温层厚度为50 mm的试件在试验后期也具有较好的界面间粘结性能。此外,还基于Teixeira的分析理论推导了试件的抗剪承载力公式,并与试验结果进行对比,结果表明该计算公式可以用于预测试件的抗剪承载力。
风电叶片新型拉挤夹芯梁帽弯曲性能试验
赵东晖, 杨家琦, 孟鑫淼, 张东坡, 张展诚
2022, 39(11): 5264-5274. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220619.001
摘要:
采用玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)拉挤条板制造风电叶片夹芯梁帽可以克服传统纤维布铺设工艺中存在的褶皱、气泡等制造缺陷,提升材料模量和强度,减少纤维缝编工序和节约材料成本,是未来风电叶片梁帽发展的趋势之一。以GFRP双轴布为面层、GFRP拉挤条板和方格布为夹芯层的叶片主梁梁帽局部梁段作为研究对象。为研究面层厚度及剪跨比对新型拉挤夹芯梁帽承载能力和破坏模式的影响,开展四点弯曲试验。结果表明:随着面层厚度的增加,拉挤夹芯梁帽的破坏模式从无面层试件的拉挤条板拉裂破坏,发展为单层面层试件的面层拉裂或拉断破坏及多面层试件的下面层剥离破坏。合理设计面层和夹芯的比例,能够控制夹芯结构的破坏模式;拉挤夹芯梁帽的初始刚度随着面层厚度增加及剪跨比减小而增加;面层厚度的增加可以大幅提升结构的承载能力,延缓胶缝的开裂,减小破坏时的承载力损失,并在一定程度上改善结构的脆性行为。
冻融循环对FRP片材-砌块界面粘结性能的影响
王作虎, 王江北, 申书洋, 陈礼
2022, 39(11): 5275-5286. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220110.003
摘要:
研究了冻融循环对纤维增强树脂复合材料(FRP)加固砌块界面粘结性能的影响,分别采用碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)片材和玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)片材对烧结黏土砖和页岩砖进行了加固,通过试验研究了不同冻融次数条件下砖、砂浆、FRP片材和树脂各种材料性能的变化及FRP片材与砌体间的正拉粘结强度和单面剪切强度的变化规律。研究结果表明,冻融循环对黏土砖、页岩砖、砂浆块、CFRP片材、GFRP片材和粘贴环氧树脂的力学性能产生了显著的影响,均随着冻融次数的增加而明显降低;FRP片材与砖砌块界面间的正拉粘结强度和单面剪切强度随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,经过30次冻融循环后FRP片材加固单砖的正拉粘结强度最大会降低45.49%,单面剪切强度最大可降低42.26%;FRP片材的种类对不同冻融次数条件下FRP片材-砌体的正拉粘结强度几乎没有影响,但对单面剪切强度有一定的影响。
冲击作用下CFRP筋粘结式锚固系统力学性能的试验研究
方志, 奉礼鑫, 方亚威, 王志伟, 蒋正文
2022, 39(11): 5287-5299. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220811.001
摘要:
为明确纵向冲击作用下碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber-reinforced polymer,CFRP)筋粘结式锚固系统的力学性能,以锚固长度(50 mm、100 mm、150 mm、200 mm)为参数,对8组共计24个采用超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)作为粘结介质的CFRP压纹筋及其粘结式锚具组装件进行了静力拉拔和纵向冲击试验。试验结果表明:较短锚固长度(50 mm、100 mm和150 mm)下,静力和冲击试件均发生CFRP筋拔出的滑移破坏,但静力作用下试件的滑移破坏由筋材表面肋的剪切破坏导致,而冲击作用下试件的滑移破坏是CFRP筋材整体滑出所致。当锚固长度提高至200 mm时,静力试件发生CFRP筋拉伸爆裂破坏,而冲击试件仍发生滑移破坏。随着锚固长度由50 mm提高至100 mm和150 mm,锚固系统的静态平均粘结强度分别提高27.1%和47.5%,动态平均粘结强度分别提高27.4%和37.8%;当锚固长度增大至200 mm时,试件的动态平均粘结强度较锚固长度为50 mm试件增大48.3%。相比于静力拉伸试件,冲击作用会显著降低锚固系统的粘结强度,在应变率为1.62~2.03 s−1时,动态平均粘结强度较相应的静态强度降低约53%。此外,建立了冲击作用下CFRP筋粘结式锚具动态平均粘结强度及临界锚固长度的实用计算公式。
高温下CFRP筋及其粘结型锚固系统的力学性能
苏捷, 李权浩, 方志, 蒋正文, 方川, 王志伟
2022, 39(11): 5300-5310. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211214.003
摘要:
为明确高温下碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)筋及其以活性粉末混凝土(RPC)为粘结介质的粘结型锚固系统的力学性能,以处理温度为试验参数,完成了12个筋材试件的高温轴拉试验和8个锚固性能试件的高温拉拔试验。揭示了处理温度对高温下CFRP筋及其粘结型锚固系统力学性能的影响规律,建立了适于分析高温下CFRP筋轴向拉伸性能、以RPC为粘结介质的粘结型锚固系统粘结强度及临界锚固长度的实用计算公式。结果表明:对于筋材轴拉试件,100℃、210℃和300℃下筋材的抗拉强度、弹性模量较常温试件分别下降了(2.3%、11.4%)、(29.8%、35.6%)和(40.9%、45%),高温下筋材的弹性模量较抗拉强度受处理温度的影响更为显著;100℃、210℃和300℃下筋材的极限拉应变较常温试件分别增大了18.5%、17.3%和14.8%,高温下筋材的极限拉应变随处理温度升高而呈先增大后减小的变化趋势;对于锚固性能试验,试件的粘结强度随处理温度升高而线性衰减,处理温度为100℃、210℃与300℃试件的粘结强度较常温试件分别下降了20.4%、52.6%和85.1%。文中所建立的高温下CFRP筋与粘结型锚固系统力学性能的实用计算公式均具有较高精度。
高性能水泥基复合材料的压剪性能和破坏准则
谢发祥, 韩旭, 蔡定鹏, 陈徐东
2022, 39(11): 5311-5320. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220126.002
摘要:
高性能水泥基复合材料 (High-performance cement based composite,HPCC)是建筑领域的一种前沿性材料,其强度高、韧性强,具有很好的应用前景。高强度钢纤维通常以适当的混合比例加入HPCC中。设计并浇筑了4种不同钢纤维体积分数(0.0vol%、0.5vol%、1.0vol%、2.0vol%)的HPCC,对不同纤维含量的试件的压剪复合性能进行了深入研究。通过试验首先给出了HPCC复合应力作用下基于莫尔-库仑的压剪强度模型。研究结果表明,纤维掺量对HPCC的压剪界面摩擦系数影响较小,其平均值为2.8826,不同纤维掺入量的HPCC的摩擦系数与均值相比的差异在–1.44%~8.51%之间;黏聚力则与钢纤维体积掺量呈二次抛物线关系。而HPCC压剪位移峰值与钢纤维掺入量之间呈现先增加后减小的现象。其次,对HPCC破坏界面进行SEM形貌分析,研究钢纤维影响HPCC基体的微观机制,从SEM形态出发解释了材料压剪强度和位移变化的微观机制。最后,结合试验结果和已有文献研究,提出了基于Ottosen模型的HPCC破坏准则,并给出了具体的拟合参数,表明HPCC八面体剪应力高于普通混凝土材料。试验数据与理论分析结果吻合较好,能够反映HPCC的破坏包络面特征。
橡胶地聚物混凝土力学性能及阻尼特性试验研究
孙杰, 陈国珍, 吕康琪, 王安宁
2022, 39(11): 5321-5332. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211201.002
摘要:
为了研究橡胶地聚物混凝土的力学性能及阻尼特性,基于橡胶颗粒替代体积分数为试验参数,进行了混凝土力学性能试验和悬臂梁在低周反复作用下的自由振动试验,分析了橡胶地聚物混凝土的力学性能随橡胶颗粒替代体积分数变化的影响规律,研究了橡胶地聚物混凝土悬臂梁在不同损伤控制位移下和不同橡胶颗粒替代体积分数下的阻尼性能,建立了悬臂梁阻尼比与损伤指数之间的关系。结果表明:少量的橡胶颗粒能够提高地聚物混凝土抗折强度,改善混凝土的韧性;相同损伤指数的橡胶地聚物混凝土悬臂梁的阻尼比随着橡胶颗粒替代体积分数的增大而增大;随着损伤指数的增大,同一橡胶颗粒替代体积分数下的橡胶地聚物混凝土悬臂梁阻尼比均呈现先增大后减小的趋势;通过分析不同替代体积分数下的橡胶地聚物混凝土的弯曲动刚度、损伤指数及阻尼比和损伤指数之间的关系,采用替代体积分数为10vol%的橡胶颗粒不仅可以增强橡胶地聚物混凝土悬臂梁的阻尼特性,而且其刚度退化规律具有可控性。
新型FRP-UHPC组合筋的横向剪切性能
叶玉仪, 周捷凯, 曾俊杰
2022, 39(11): 5333-5342. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220902.001
摘要:
纤维增强树脂复合材料(FRP)-超高性能混凝土(UHPC)组合筋是一种新型无钢组合筋(简称“组合筋”),由外FRP管、中心FRP筋及两者之间填充的UHPC组成。该组合筋解决了 FRP筋受压易屈曲问题,同时因其不含钢材等易腐蚀成分而具有良好的耐久性。因其亦具有较好剪切性能,本文对组合筋的横向剪切性能进行了试验研究,关键变量为外FRP管纤维缠绕角,对照试件为FRP管约束UHPC试件和FRP裸筋。研究结果表明,在横向剪切荷载作用下,组合筋的两个峰值荷载均比对照试件的峰值荷载大58%以上,变形能力比FRP管约束UHPC对照试件的变形能力大220%以上,因此组合筋各组分之间良好的协同工作使其具有良好的抗剪性能。最后,提出了一种组合筋剪切强度的计算方法,并用试验结果验证了该方法的准确性。
FRP约束型钢混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点震后轴压性能评估
田时雨, 任凤鸣, 伍峻磊, 莫金旭, 赖楚麟
2022, 39(11): 5343-5354. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220822.001
摘要:
对2个具有不同环梁配筋率的纤维增强树脂复合材料(FRP)约束型钢混凝土(FCSRC)柱-钢筋混凝土(RC)梁节点震损试件进行轴压试验,结合有限元模拟和理论分析,对震损试件的轴压性能进行分析和评估。结果表明:震损试件在轴压荷载下的破坏均由玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)管破裂引起,表明所设计的两个试件在震损后依然满足“强节点,弱构件”的设计原则;当环梁配筋率由1.4%增大到2.5%时,试件的屈服荷载和初始刚度变化不大,而峰值荷载和屈服后刚度分别增加了7.3%和60.2%,极限变形和延性系数分别减小了10.4%和8.5%;所建立的有限元模型可以较好地模拟震损试件的轴压行为;所提出的理论计算公式能够较准确地预测震损试件的轴压承载力,同时具有一定的安全储备。
悬索桥轻质复材人行道板的研制及其受力性能
韩娟, 方海, 吴鹏
2022, 39(11): 5355-5366. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220804.001
摘要:
为满足大跨悬索桥主梁减重的需求,研制了新型轻质复材人行道板,并将其成功应用于武汉杨泗港长江大桥。采用试验、理论和有限元的方法研究了轻质复材人行道板的受力性能并设计了快速拼装工艺。采用配重砝码块进行重力分级均布加载模拟人群荷载下复材人行道板的受力响应,在规范人群荷载下,复材板跨中挠度仅为挠度限值的 9.14%;对3种跨度的复材人行道板进行三点弯曲试验研究,3 种试件的破坏形式均为面板屈曲破坏,跨度最大的试件YSG-TB-960的极限承载力最小为14.79 kN;复材人行道板剪切试验的极限承载力为28.68 kN。采用ANSYS/Multiphysics软件建立了复材人行道板的三维模型并进行有限元分析,模拟复材人行道板在人群荷载和跨中集中荷载下的响应,有限元计算结果与试验值吻合较好。采用一阶剪切变形理论计算受弯复材人行道板在极限承载力时下面板跨中挠度,理论结果和试验结果最小误差仅为–7.73%,总体吻合良好。对研制的复材人行道板进行了性能评估,轻质复材人行道板的最小安全系数为10.42,均满足设计要求。
聚乙烯纤维增强赤泥-碱矿渣复合材料的力学性能
阚黎黎, 朱嘉伦, 王飞, 李卓燃
2022, 39(11): 5367-5374. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220104.003
摘要:
为开发赤泥(RM)的资源化利用,采用RM混合矿渣与硅灰并掺加聚乙烯纤维制备中高强、高延性碱激发复合材料,研究其单轴拉伸及抗压性能,结合三点抗弯与单裂缝拉伸等细观试验探究材料的高延性机制,并通过XRD及FTIR分析水化产物。结果表明:聚乙烯纤维增强赤泥-碱矿渣复合材料的抗拉强度可以达到2.4 MPa,同时拥有3.5%的高拉伸应变性能;抗压强度可以达到近50 MPa的较高水平;细观试验得出的较大应变硬化性能指数PSH对应较高拉伸应变;除水化硅酸钙(C-S-H)或水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶外,水化产物中还包含碱性硅铝酸盐(N-A-S-H)凝胶。
混杂纤维增强砂浆高温后单轴受压本构关系
李黎, 陶佳诚, 曹明莉, 李宗利
2022, 39(11): 5375-5385. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211222.001
摘要:
为建立高温和CaCO3晶须(CW)影响下混杂纤维增强砂浆(HyFRM)的单轴受压本构关系,对不同CW掺量的钢-聚乙烯醇(PVA) HyFRM开展25℃、200℃、400℃、500℃、800℃、900℃六个温度水平的单轴受压性能试验。结果表明:随钢-PVA混杂纤维的引入,高温后砂浆的轴压峰值应力显著提高;随CW的引入,轴压峰值应力进一步提高:800℃以下,1.5vol%钢纤维+0.5vol%PVA纤维+2vol%CW的HyFRM轴压峰值应力均为最优。随温度升高,轴压应力-应变曲线由陡峭趋于扁平,HyFRM轴压峰值应力、弹性模量、应变能总体下降。但500℃以下下降缓慢,甚至还有所提高,以1.5vol%钢纤维+0.5vol%PVA纤维+2vol%CW的HyFRM提高最为明显;800℃及以上,受压性能则急剧劣化。建立了考虑温度和CW掺量的HyFRM受压应力-应变损伤本构模型。损伤本构模型和损伤变量不仅可以较好地体现出多尺度纤维体系在砂浆单轴受压破坏的不同阶段多尺度阻裂、延缓砂浆损伤扩展的作用,而且可以反映高温对砂浆初始损伤的影响。光学显微镜和SEM观测揭示了高温对HyFRM轴压性能的影响机制。
钢-塑钢混杂纤维再生混凝土单轴压缩动态力学性能试验
冯俊杰, 尹冠生, 刘柱, 梁建红, 张云杰, 牛志强, 王鹏博
2022, 39(11): 5386-5402. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211221.002
摘要:
为探究钢-塑钢混杂纤维再生混凝土的压缩动态力学性能,设计了A、B和C 3个系列混杂纤维再生混凝土包含3种再生粗骨料取代率和5种体积分数1.5vol%的钢纤维和塑钢混掺纤维组合,采用了4种加载应变率。试验表明:随应变率增加,混杂纤维再生混凝土峰值应力、弹性模量和压缩韧性增大,峰值应变减小。相较于基准组,在相同应变率下3个系列中的含纤维组峰值应力最大增幅分别为23%、16%和16%;峰值应变最大增幅分别为19%、12%和13%;弹性模量最大增幅分别为15%、14%和35%;压缩韧性最大增幅分别为46%、32%和37%。在试验应变率范围内,再生粗骨料显著提高峰值应力、弹性模量和压缩韧性的应变率敏感性,对峰值应变的应变率敏感性并无明显影响;掺入纤维降低混凝土峰值应变和弹性模量的应变率敏感性,提高普通混凝土峰值应力和压缩韧性的应变率敏感性,降低再生混凝土峰值应力和压缩韧性的应变率敏感性。提出的动态损伤本构模型考虑了纤维增强系数、再生粗骨料取代率和应变率,计算结果与试验结果吻合较好。
钢管混凝土-FRP管海水海砂混凝土组合柱轴压模型
缪坤廷, 魏洋, 朱超, 丁明珉, 郑开启
2022, 39(11): 5403-5414. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211206.003
摘要:
提出一种钢管混凝土-纤维增强复合材料(FRP)管海水海砂混凝土(SWSSC)组合柱新型结构,其由外侧钢管、夹层普通混凝土、内侧FRP管和核心SWSSC构成。在轴向荷载作用下,夹层普通混凝土受到钢管的约束,而核心SWSSC受到钢管和FRP管的共同约束,考虑到两部分混凝土的不同约束机制,在现有的FRP-钢复合管约束混凝土的计算模型的基础上,本文提出了钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的峰值点和极限点的计算模型;并利用FRP-钢复合管约束混凝土的应力-应变曲线模型,得到了钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的应力-应变预测曲线;在72个钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的轴压试验结果的基础上,对建议的模型进行了验证与评估。结果表明,提出的模型可以较好地预测钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的应力-应变曲线。最后,利用提出的应力-应变曲线模型对钢管混凝土-FRP管SWSSC组合柱的轴压性能进行了参数化分析。
风积沙与再生复合微粉对超高性能混凝土力学性能的影响
刘超, 林鑫, 刘化威, 胡天峰
2022, 39(11): 5415-5422. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211119.003
摘要:
以废弃砖和混凝土制成再生复合微粉部分取代水泥作为辅助胶凝材料,以风积沙部分取代河砂协同制备超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC),采用修正的Andreasen-Andersen (MAA)颗粒堆积模型设计配合比。建立了考虑风积沙和再生复合微粉火山灰活性的抗压强度增长预测模型。研究了风积沙和复合微粉对UHPC力学性能的影响。结果表明:风积沙等质量取代河砂的取代率为30wt%、复合微粉等质量取代水泥的取代率为10wt%时,UHPC力学性能最优。颗粒材料的粒径分布最佳,形成了较高密实度的基体。同时,风积沙和复合微粉活性成分的水化贡献改善了UHPC的微观结构,进而提高其力学性能。
膨胀珍珠岩内养护混凝土抗压强度增长机制及数学模型的建立
刘玮, 张玉, 李珠, 赵福垚, 王廷俊
2022, 39(11): 5423-5435. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210930.001
摘要:
采用膨胀珍珠岩(EP)作为内养护材料,进行了混凝土抗压强度试验和EP-混凝土界面SEM试验,研究了EP的体积外掺率、预湿率和粒径对混凝土抗压强度增长的影响,最后经过公式推导,得到了EP的体积外掺率、预湿率和粒径三种因素影响下内养护浆体体积分数和水化反应程度的表达式,并结合Powers模型和混凝土抗压强度与孔隙率模型,建立了EP内养护混凝土抗压强度的数学模型。抗压强度试验结果表明,EP的内养护作用可以提高混凝土抗压强度及其增长速率。EP体积外掺率为30%的混凝土在90天强度会超过同龄期下普通混凝土(NC)的13%;EP预湿率为30%和50%的混凝土90天强度分别超过同龄期NC的6.3%和5.3%,强度增长速率呈先下降后上升的趋势;EP粒径为0.2~0.5 mm的混凝土90天强度超过同龄期NC的6.4%,强度早期增长缓慢,后期增长较快;EP粒径为1.5~3.5 mm和0.5~1.5 mm的混凝土抗压强度在前期增长较快,后期速率逐渐降低、稳定。SEM试验结果表明,EP的内养护作用可以促进水泥继续水化,产物水化硅酸钙(C-S-H)和钙矾石(AFt)数量增加,排列方式更加密集,对EP-混凝土界面微裂缝有填补的作用;EP的孔洞为水化产物提供了生长空间。数学模型验证结果表明,EP内养护混凝土抗压强度的数学模型曲线与90天强度试验值吻合良好,理论值与试验值误差小于12%。
落锤冲击下碳纤维增强混凝土梁的动态响应与损伤
马钢, 郭栋才, 李国强, 王卓然
2022, 39(11): 5436-5452. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220214.002
摘要:
普通混凝土在冲击载荷作用下断裂耗能能力差,而采用单丝态碳纤维掺入混凝土中制备的碳纤维增强混凝土(Carbon fiber reinforced concrete,CFRC)不仅可使混凝土衍生出多种功能性,同时可大大改善混凝土的抗冲击性能。利用落锤试验机对CFRC梁在低速冲击下的动态力学响应进行研究,在此基础上建立基于纤维随机分布的混凝土细观力学模型,研究不同纤维掺量和冲击速度对CFRC梁在低速冲击下力学响应、断裂耗能及破坏形态等的影响规律。结果表明:力学响应方面,基于随机纤维混凝土细观模型的仿真结果与试验结果符合较好;随着碳纤维体积掺量的增大,支座反力峰值变化不大,碳纤维掺量0.4vol%的混凝土梁跨中竖向位移较大,抗冲击韧性最佳。断裂耗能方面,当冲击速度低于6 m·s–1时,增大掺量有利于碳纤维于基体中发挥桥接作用,提升CFRC梁的断裂耗能能力;随着冲击速度的增大,为保证基体非裂缝区碳纤维与混凝土之间协同耗能,进一步提高碳纤维混凝土的纤维掺量是提升冲击下CFRC耗能的关键。破坏行为方面,碳纤维掺量0.8vol%的混凝土梁在冲击下在跨中主裂缝附近呈现数量较多的斜裂纹弥散开裂行为;当冲击速度达到12 m·s–1时,CFRC梁的破坏呈现弯剪破坏形态。本文的研究结果可为CFRC在工程中的推广应用提供参考。
ECC轴拉循环加载变形与疲劳寿命
霍海峰, 杨雅静, 李长辉, 刘汉磊, 陈宇, 吴堃
2022, 39(11): 5453-5464. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220225.003
摘要:
高延性水泥基复合材料(ECC)多用于结构的抗震补强,其疲劳性能是工程中关注的重点。为研究其疲劳性能,通过疲劳试验机进行单轴拉伸循环加载试验,利用数字图像相关(DIC)技术实时监测位移发展与开裂行为。分析ECC试件的动力变形、疲劳规律并建立疲劳方程。结果表明:ECC试件的应变和轴向位移发展规律相似,分为初始阶段、稳定发展阶段、加速变形阶段和破坏阶段;动应力比越小,应变发展越快,破坏发生时的累积轴向应变越大;刚度比发展曲线分为三部分:快速下降阶段、稳定下降阶段和破坏阶段;其疲劳寿命可较好服从双参数Weibull分布;通过建立两种形式的疲劳方程:S-lgNS-lgN-F疲劳方程,将极限疲劳寿命带入平均寿命疲劳方程,针对本文配合比得到疲劳极限应力水平为70.80%,对应的疲劳极限强度为2.69 MPa。
纤维增强树脂复合材料-钢界面缺陷涡流热成像检测
邹星星, 马浩, 解社娟, 仝宗飞, 胡黎俐, 王辰昕, 王立彬
2022, 39(11): 5465-5473. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220829.001
摘要:
纤维增强树脂(Fiber reinforced polymer,FRP)复合材料已在钢结构加固中得到有效应用,但FRP-钢界面脱粘可能触发结构破坏,需无损检测以保证安全运营。基于自研涡流热成像(Eddy current thermography,ECT)系统对FRP-钢界面缺陷成像规律进行试验,并通过多物理场数值模拟揭示其内部生热和传热机制。试验测试了1个带缺陷试件在ECT下的温度响应,同时模拟了多个不同形状、位置和深度的界面缺陷对热成像的影响。试验表明:ECT系统能在80 s内精确检测试件中328 mm2的界面缺陷;边缘效应影响试件边缘和角部在加热阶段的检测精度,但在冷却阶段由于热量重分布而影响变小;热量沿深度方向传导造成的模糊效应降低了深层缺陷检测精度。本文的多物理场数值模型与试验结果吻合较好,并重现了ECT的边缘效应和模糊效应。基于数值模型的参数化分析,揭示了变化加热速率在一定范围内可克服边缘效应和模糊效应,提高FRP-钢内部缺陷探测精确度。
偏高岭土-矿渣地聚物宏观性能试验及Lasso回归模型
钟卿瑜, 粟淼, 彭晖
2022, 39(11): 5474-5485. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211230.001
摘要:
设计120组偏高岭土-矿渣地聚物净浆试验,探讨了碱激发剂浓度、模数、液固比这三个变量对地聚物净浆抗压强度、流动度和凝结时间的影响规律。基于获得的试验数据,建立Lasso多元回归模型预测了偏高岭土-矿渣地聚物净浆7天和28天抗压强度、流动度、初凝及终凝时间。试验结果表明:(1) 抗压强度随碱激发剂浓度的增大而提高,随液固比增大而降低,随模数的增大先提高后降低;(2) 液固比增大,凝结时间延长;而模数和浓度对凝结时间的影响由碱激发剂的硅含量和碱含量决定;(3) 流动度主要与碱激发剂的黏稠程度和液固比有关。模型验证结果表明:采用Lasso算法对回归模型进行正则化,避免了回归系数过大而导致的过拟合现象,提出的回归模型能准确预测偏高岭土-矿渣地聚物净浆各项宏观性能,测试集数据中的预测值与试验值的相关性系数均大于0.92。
有机染料辅助分散氧化石墨烯及其对水泥砂浆强度和耐久性的影响
盛况, 杨森, 毕俊峰, 袁小亚
2022, 39(11): 5486-5498. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220113.001
摘要:
研究了采用有机染料罗丹明B (RhB)辅助聚羧酸减水剂(PCE)分散氧化石墨烯(GO)及其对水泥砂浆强度和耐久性的影响。通过吸光度试验、Zeta电位及AFM表征研究了RhB对GO在饱和氢氧化钙(CH)溶液中的分散性能,结果表明在掺入少量RhB情况下可以大幅度提升GO在CH溶液中的分散性,且当GO与RhB质量比为1∶2时,GO的分散效果最佳。力学强度测试表明,在RhB的辅助分散下,当GO掺量为水泥质量的0.03wt%时,28天抗折、抗压强度相较于不掺入RhB的GO砂浆试件提升最大分别为14.78%、33.29%。耐久性试验表明RhB能促进GO在水泥水化产物的模板作用,使结构更为致密,减少受冻融与硫酸盐的侵蚀,耐久性能显著提高。微观测试表明RhB的加入可以促进GO调控水化产物生长的作用,明显减少内部结构孔洞、裂缝等缺陷。本文提供了一种引入低成本的有机染料来提升GO在水泥孔隙液中的分散性能,具有许多潜在的应用价值。
PVA-钢纤维对高强再生骨料混凝土梁抗弯性能的影响
牛海成, 高锦龙, 李博涵, 范玉辉, 王永贵
2022, 39(11): 5499-5511. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211110.003
摘要:
为研究纤维对高强再生骨料混凝土梁抗弯性能的影响,以粗骨料类型、纤维种类、纤维掺入方式和纤维体积掺量为变化参数完成了8根混凝土梁的四点弯曲试验,分析了不同参数对高强再生骨料混凝土梁破坏特征、裂缝宽度、挠度、开裂荷载、抗弯承载力和延性的影响。试验结果表明:掺入纤维的高强再生骨料混凝土梁和未掺入纤维的高强再生骨料混凝土梁破坏特征与高强天然骨料混凝土梁相似,均经历了弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段;高强再生骨料混凝土梁的开裂荷载、刚度和变形性能较高强天然骨料混凝土梁均有所降低,且裂缝较宽,挠度较大;掺入聚乙烯醇/钢纤维有效抑制了裂缝的产生和进一步扩展,提高了开裂荷载,增强了变形性能;单掺聚乙烯醇纤维可使开裂荷载和延性显著提高,但抗弯承载力基本没有变化;单掺钢纤维与混掺聚乙烯醇-钢纤维均使再生骨料混凝土梁力学性能有所提高;与未掺纤维的再生骨料混凝土梁相比,混掺0.1vol%聚乙烯醇-1.5vol%钢纤维后,开裂荷载、抗弯承载力和延性分别提高了60.0%、4.2%和20.1%;利用规程对纤维增强再生骨料混凝土梁进行抗弯承载力计算,计算结果与实测结果吻合较好。
固化与试验温度对环氧树脂及表层嵌贴CFRP-混凝土界面粘结性能的影响
龚爽, 林福宽, 粟淼, 张建仁, 彭晖
2022, 39(11): 5512-5524. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220801.001
摘要:
表层嵌贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固混凝土结构中的环氧树脂粘结剂具有一定的温度敏感性,试验研究了不同固化温度和试验环境温度下环氧树脂力学性能及其在加固结构中的粘结性能,结果表明:(1) 固化温度的升高大幅缩短了环氧树脂固化时间,对其拉伸强度和剪切强度的影响较小,拉伸强度仅在固化温度超过80℃时小幅下降,降幅在10%以内;试验环境温度的升高会引起环氧树脂软化,导致其拉伸强度和剪切强度显著降低;固化温度更高的环氧树脂在60℃甚至更高试验环境温度下剪切性能更稳定;(2) 固化温度对表层嵌贴CFRP加固构件的界面粘结性能影响较小,但界面粘结性能随着试验环境温度的升高而显著下降,最大降幅约为58.89%,破坏模式也由混凝土内聚破坏转变为环氧树脂-混凝土界面破坏和CFRP-环氧树脂界面破坏;固化温度更高的试件在高试验环境温度下表现出更高的粘结强度。在试验基础上拟合了加固试件界面的粘结-滑移本构曲线,并建立了曲线特征参数与试验环境温度的关系。
锚固的双向纤维布约束加固钢筋混凝土柱抗震性能
高鹏, 袁大明, 王田宇, 王敬棠, 陈涛
2022, 39(11): 5525-5536. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220803.004
摘要:
双向纤维增强聚合物(Fiber reinforced polymer,FRP)复合材料布具有良好的两向正交抗拉性能,与传统单向布相比,使用其约束加固柱时能使构件获得抗剪、抗弯承载力和抗震延性的同时提高。开展了基于纤维锚钉锚固的双向布约束加固钢筋混凝土柱低周反复加载试验,参数包含布种类、层数和锚固方式,研究了加固柱的破坏模式、抗震性能和材料应变。 结果表明,柱在约束加固前后的破坏形态由剪切转变为弯曲破坏,构件延性大幅度提高;同层数的双向纤维布在环向应变值发挥少于单向布;使用锚钉可显著提升双向布纵向纤维应变,其应变值比未锚固前的提高了约1.5倍;并进一步提高约束柱抗弯承载力,较未加锚固前的约束柱承载力提高了2.9%~7.1%。成果可为双向纤维布在既有结构加固领域的应用提供指导。
玄武岩纤维对3D打印水泥基材料可打印性的影响
赵宇, 武喜凯, 朱伶俐, 杨章, 王有凯
2022, 39(11): 5537-5547. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211201.004
摘要:
玄武岩纤维是一种具备良好力学性能、优异耐腐蚀性且高性价比的纤维材料,将其掺入3D打印水泥基材料中可以起到抑制塑性收缩开裂的作用。而玄武岩纤维的掺入会显著改变3D打印水泥基材料的流变性能,从而对3D打印水泥基材料可挤出性及可建造性产生影响。通过改变纤维的掺量、直径及长度,研究了玄武岩纤维特性对3D打印水泥基材料流变性能、可挤出性及可建造性的影响,明确了流变性能与可挤出性和可建造性之间的关系。研究结果表明,玄武岩纤维的掺量对3D打印水泥基材料流变性能参数的影响权重最大,其次是直径。动态屈服应力与单位时间挤出量呈负相关,静态屈服应力与打印试件倾角呈正相关。打印试件横截面积比受动态屈服应力和静态屈服应力等综合因素影响。综合来看,优良的可挤出性需要适中的动态屈服应力,约为280 Pa。而优良的可建造性不仅需要适中的动态屈服应力,还需要静态屈服应力大于950 Pa。
荷载-温度耦合影响下混杂纤维/混凝土三轴压缩渗透行为
薛维培, 范红君, 高聪, 张瀚文, 申磊
2022, 39(11): 5548-5556. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211119.001
摘要:
为了研究荷载-温度耦合作用对仿钢纤维(Imitation steel fiber,ISF)和聚乙烯醇纤维(Polyvinyl alcohol fiber,PVAF)混掺的混凝土三轴压缩渗透性能影响及ISF-PVAF混杂纤维/混凝土渗透率演化与应力状态的关系,开展固定围压和渗透水压条件下的三轴压缩渗透试验,获得应力-变形曲线、峰值强度及各应力点处渗透率,结合SEM从内部微观结构变化角度揭示宏观性能改变机制。结果表明:荷载与温度耦合作用使混杂纤维/混凝土孔隙率呈现出先略微降低后大幅上升的趋势,最大增幅达到80.48%,不利于三轴压缩渗透强度的发展;初始渗透率增加尤其是受温度因素影响增幅更加明显,200℃和300℃作用时初始渗透率相对于100℃分别提高了144.60%、291.55%。根据应力-变形曲线特征,三轴压缩渗透过程可分为初始压密阶段、弹性阶段、裂纹发展阶段、软化阶段,应力状态的改变使混杂纤维/混凝土内部微裂纹及残余纤维通道随之变化,直接影响到孔隙水渗流路径,相应地渗透率在各应力阶段表现出大幅下降、相对平稳、急速上升、增幅最大等特征。
圆截面CFRP-钢管混凝土在弯-扭荷载作用下的性能
王庆利, 彭宽, 邵永波
2022, 39(11): 5557-5573. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220301.002
摘要:
为了研究圆截面碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土的弯-扭性能,设计了9个试件进行弯-扭静力性能试验。设计试验对试件的扭矩-转角(T-θ)曲线、剪应力-剪应变(τ-γ)曲线的特点进行了研究。采用ABAQUS模拟了试件的T-θ曲线和变形模态,并与试验结果进行对比。结果表明:模拟与试验结果吻合较好,所提出的模拟方法能够合理、准确地预测圆截面CFRP-钢管混凝土(CFRP-ST/C)的弯扭性能。同时通过参数分析对CFRP层数、材料强度、弯矩比和含钢率等参数对构件弯-扭性能的影响进行研究。最后,以试验与有限元结果为基础,提出了CFRP-ST/C的弯-扭承载力的计算表达式,通过计算可知,构件抗扭承载力计算结果/抗扭承载力试验结果(Tftc/Tftt)的平均值为0.998,均方差为0.038;构件抗扭承载力计算结果/抗扭承载力有限元结果(Tftc/Tftf)的平均值为0.973,均方差为0.051。
循环荷载作用下钢纤维再生混凝土力学性能试验
陈宇良, 李浩, 叶培欢, 陈宗平, 徐鸿飞
2022, 39(11): 5574-5585. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220310.002
摘要:
为研究钢纤维再生混凝土在地震荷载作用下的力学行为,考虑了再生粗骨料取代率、钢纤维体积分数和加载速率3个变化参数,设计了52个圆柱体试件进行单轴循环受压试验。试验观察了钢纤维再生混凝土的破坏形态,获取了应力-应变全曲线及峰值应力、峰值应变、塑性应变等重要指标,深入分析了不同变化参数对其力学性能指标的影响规律。结果表明:循环荷载作用下钢纤维再生混凝土主要发生斜向劈裂破坏,随着钢纤维体积分数的增加,试件表面主裂缝宽度明显减小;钢纤维的掺入提高了再生混凝土的峰值应变和残余强度,但峰值应力有所下降;钢纤维体积分数为1.0vol%时再生混凝土峰值应力降低最小为5.9%,峰值应变增幅最大为15.9%,改性效果最好;采用了幂函数对归一化塑性应变与卸载点应变的关系进行了拟合,效果良好。最后,提出了钢纤维再生混凝土在循环受压作用下的应力-应变本构关系计算式。
FRP-ECC复合约束混凝土圆柱反复受压力学性能
惠迎新, 王文炜, 朱忠锋
2022, 39(11): 5586-5598. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220516.004
摘要:
考虑核心柱混凝土强度等级、碳纤维增强树脂复合材料(FRP)网格层数、反复荷载形式等因素,对FRP网格与工程水泥基复合材料(ECC)复合增强混凝土圆柱进行了轴向受压试验,研究约束圆柱的承载力和变形能力。试验结果表明,约束柱的破坏形态表现为FRP柔性网格断裂;随着网格层数的增加,约束柱的极限荷载和变形性能分别提高2%~35%和77%~145%;随着核心混凝土强度等级的提高,复合约束柱的极限承载力提高幅度降低。此外,根据试验结果并结合FRP约束混凝土的应力-应变关系模型,本文针对FRP-ECC复合约束圆柱在反复荷载作用下提出了相应的强度模型和应力-应变关系包络线模型。分析结果表明,模型所得轴向应力-轴向应变及轴向应力-环向应变关系曲线均与试验值吻合良好。
钢纤维沙漠砂混凝土梁受弯力学性能试验
秦拥军, 张亮亮, 渠长伟, 罗玲
2022, 39(11): 5599-5610. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211206.002
摘要:
适量沙漠砂作为细骨料制备混凝土可有效提高混凝土的抗压强度,而钢纤维的掺入对混凝土抗拉性能有显著的提升作用。为探究钢纤维沙漠砂混凝土梁受弯力学特性,设计11根试验梁,分别研究钢纤维体积掺量、沙漠砂替代率和配筋率对受弯梁的影响规律。试验研究表明,钢纤维沙漠砂混凝土梁相对于普通混凝土梁其受弯承载力提高了4%~22%,受弯梁裂缝数量随钢纤维掺量增加呈现降低趋势,钢纤维减小了混凝土表面的弹塑性变形,而“桥架作用”抑制了裂缝的产生和提高了试验梁的承载力;随着配筋率的增加,主裂缝宽度呈减小的趋势,但极限荷载则逐渐增加,表明配筋率是影响受弯梁承载力主要因素之一;沙漠砂的“填充作用”密实了混凝土,使构件整体性能呈现良好的状态。试验梁的开裂荷载、修正后的极限弯矩理论计算值和试验值吻合效果良好,误差均小于5%。沙漠砂替代工程用砂制备混凝土,可以充分发挥当地资源优势,节约河砂资源,保护河湖生态环境,达到绿色建筑目标。
CFRP布均匀约束煤圆柱轴压性能
李庆文, 胡露露, 曹行, 曾杏钢, 高森林, 祝青云, 刘艺伟, 禹萌萌, 黄筱
2022, 39(11): 5611-5624. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211201.001
摘要:
为扩大纤维增强树脂复合材料(FRP)加固组合结构的应用范围,改善煤矿采空区煤柱的承载能力和变形能力,对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)均匀约束煤圆柱的轴压性能进行了研究。试验结果表明:因CFRP的均匀约束,致使煤圆柱破坏时基本保持原状,断口位置约为0.25~0.5倍煤样高度范围,轴向变形能力至少提高1.5倍;单、双层CFRP约束煤圆柱的峰值强度分别提高了3.56~6.34倍、6.33~11.21倍;相同CFRP布层数时,随加载速率的增大,CFRP约束煤圆柱的强度增强比则逐渐降低,且CFRP层数越多,降低趋势越显著;CFRP层数对峰值强度的影响要比加载速率对峰值强度的影响更显著,加载速率对破坏时间的影响要比CFRP层数对破坏时间的影响更显著。获得了兼顾加载速率与CFRP层数的强度增强比三维可视化映射函数;建立了CFRP布约束煤圆柱的修正Richart强度分析模型,整体绝对误差评价指标表明模型性能优越,精度较高。
纤维增强树脂复合材料布约束不同强度混凝土配筋柱抗震性能
黄镜渟, 高鹏, 周安, 马翠玲, 姚军
2022, 39(11): 5625-5636. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220811.002
摘要:
为了研究纤维增强树脂复合材料(FRP)布约束不同强度混凝土配筋柱的抗震性能,对4根约束柱及2根对比柱进行了低周反复荷载作用下的拟静力试验研究,探讨了混凝土强度和FRP种类等参数对加固柱抗震性能的影响。试验结果表明,加固构件均发生弯曲破坏,其承载、延性和耗能能力均有提高。且当柱混凝土强度大幅提高时,其延性和耗能指标较未加固前的提高率上升明显。在等围压条件下,玄武岩纤维布(BFRP)和碳纤维布(CFRP)约束柱的承载力相近,对于加固普通强度混凝土柱,使用BFRP较CFRP会得到更高的延性和耗能能力提升,但对于混凝土强度等级高至C50的柱,CFRP约束后柱的抗震性能略好。最后分别提出了针对不同FRP加固钢筋混凝土柱的骨架曲线模型,且基于更广泛混凝土强度、纵筋配筋率和轴压比范围下的数值计算结果也验证了试验结论。
少层石墨烯对水泥净浆流动性能及力学性能的影响
何威, 许吉航, 焦志男
2022, 39(11): 5637-5649. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211112.001
摘要:
系统研究了少层石墨烯(FLG)对水泥净浆流动性能和力学性能(抗压强度和抗折强度)的影响,通过SEM、XRD、EDS剖析了FLG对净浆力学性能影响的作用机制。同时利用AFM、Raman、SEM等技术表征了FLG的层数和结构。结果表明:FLG的层数在3~6层,呈现六角型蜂窝结构,有层间堆叠现象。FLG的掺入能降低净浆的流动性,净浆3 天和28 天抗压强度分别提升了27.84%和13.52%,3 天和28天抗折强度分别提升了12.92%和19.68%。FLG具有模板效应,能够促进水泥水化产物的生长,改变水化晶体的形状、尺寸,使其有形成完整、致密的趋势,使净浆结构更加密实。
基于倒角处拉应变的玄武岩纤维约束矩形截面混凝土轴压峰值应力计算模型
刘小方, 段昕智, 欧阳利军
2022, 39(11): 5650-5663. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220930.001
摘要:
对54个玄武岩纤维增强树脂基复合材料(BFRP)约束的矩形截面混凝土试件进行了轴压试验,探究了BFRP约束层数、倒角半径和截面长宽比对BFRP拉应变折减系数的影响规律。试验结果表明,依据矩形截面侧边拉应变和环向平均拉应变确定的BFRP拉应变折减系数会高估BFRP的约束效率。基于BFRP约束矩形截面混凝土时倒角处的纤维拉应变,建议了BFRP拉应变折减系数的计算方法,同时依据该计算方法和试验数据,通过构建柱状膜结构静水压力平衡模型建立了BFRP约束矩形截面混凝土轴压峰值应力计算模型。基于收集的大量试验数据,对比分析了本文建议的纤维增强树脂基复合材料(FRP)约束矩形截面混凝土轴压峰值应力计算模型和典型轴压峰值应力计算模型的预测结果,验证了典型计算模型的合理性,发现本文建议的FRP约束矩形截面混凝土轴压峰值应力计算模型的预测精度较高。