表层嵌贴CFRP-混凝土结构的黏结性能研究

为研究嵌贴的CFRP与混凝土间的黏结性能及黏结滑移关系，对22个嵌贴CFRP加固混凝土棱柱体试件进行了单剪拔出试验，考察了混凝土强度、槽宽、槽边距、树脂保护层厚度、及构件截面尺寸等因素对嵌贴CFRP-混凝土界面的黏结承载力、破坏模式、黏结刚度、黏结滑移关系等性能的影响；在试验结果基础上提出了含残余摩擦段的三段式黏结滑移关系模型，进而明确了混凝土强度与槽边距等因素与峰值黏结应力等模型特征参数的相关性，最终在上述工作基础上建立了首次考虑混凝土强度、槽宽、槽边距等多因素影响的黏结滑移关系模型。研究结果表明：所考察的各因素对嵌贴CFRP与混凝土界面的黏结性能及黏结滑移关系存在显著影响；运用最小二乘法得到的含特征参数的黏结滑移关系模型对界面断裂能的预测精度优于现有其他模型；所建立的考虑多因素影响的黏结滑移关系模型预测的峰值黏结剪应力与文献试验实测值的相关系数为0.65，预测精度较高。     

有黏结预应力CFRP筋混凝土梁试验及非线性分析

通过6根梁试件的单调加载静力试验,对有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的受力过程、破坏形态、抗弯承载力、位移延性以及变形特性等进行了较系统的研究,并利用ANSYS软件对试验梁进行了非线性有限元分析。研究结果表明:有黏结预应力CFRP筋混凝土梁受力性能良好,具有较大的位移延性和变形能力;按配筋率的不同,梁试件的破坏模式分为受拉破坏和受压破坏2种;随着配筋率的增大和张拉控制应力的提高,有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的位移延性有所降低;和非预应力配筋为钢筋的梁试件相比,非预应力配筋为玻璃纤维塑料(GFRP)筋的梁试件的位移延性和变形能力稍低;典型试件的有限元计算值和试验值吻合良好。     

矩形钢管混凝土构件扭转性能及设计方法研究

基于ABAQUS软件,建立了圆形、方形及矩形钢管混凝土构件在纯扭矩作用时的数值模拟模型,并采用已有研究者完成的圆形及方形构件扭转试验结果对理论模型进行了验证,理论计算结果和试验结果总体上吻合良好。基于此理论模型,对影响矩形钢管混凝土构件扭转力学性能的主要因素进行了分析,考虑了钢材强度、混凝土强度、含钢率和截面高宽比等的影响。结果表明,钢材强度及混凝土强度只影响矩形钢管混凝土纯扭构件的Tθ关系曲线数值,对其形状影响不明显,含钢率和截面高宽比对Tθ关系曲线的数值和初始刚度都有影响。在参数分析的基础上建议了矩形钢管混凝土构件抗扭强度承载力计算公式。     

封一/四

为了解决FRP筋弹性模量低、剪切强度低和延性差的问题,设计和制备了多种规格的FRP-钢筋复合筋,并通过拉伸和剪切试验研究了含钢率和直径对其拉伸性能和剪切性能的影响。然后根据FRP-钢筋复合筋的性能特点及其增强混凝土构件的性能要求,提出了此类构件与相同钢筋混凝土构件的配筋总刚度相等的等效刚度设计法,并试验对比和分析了等承载力与等效刚度2种不同等效设计法设计的FRP-钢筋复合筋增强混凝土梁的受弯性能。结果表明:与FRP筋相比,FRP-钢筋复合筋的弹性模量、延性和剪切性能都明显提高。FRP-钢筋复合筋的弹性模量可达到FRP筋弹性模量的3倍以上,这为等效刚度设计法的实现提供了良好基础。等效刚度设计的FRP-钢筋复合筋增强混凝土梁具有和钢筋混凝土梁接近的屈服前受力性能(挠度和最大裂缝宽度)和良好的延性,并且可使其极限承载力提高30%。即等效刚度设计的此类构件不仅可满足安全性和适用性要求,而且具有更大的承载力储备和更好的耐久性。由于等效刚度设计法可参考现有的钢筋混凝土结构设计规范进行设计,其有望为此类构件和结构设计与工程应用提供简便适用的计算分析和设计方法。     

PBL和PZ组合销剪力连接件承载力试验研究

为了研究剪力连接件在波形钢组合桥面板中的抗剪承载力性能,给钢混组合结构的设计提够参考,采用了推出试验方法,考虑了贯穿钢筋、椭圆孔、黏结摩擦力等影响因素,设计并制作了8组试件,得出了荷载-滑移曲线,分析了两类剪力连接件的承载力、滑移量、抗剪刚度、延性系数等静力性能指标。考虑组合销本身及椭圆孔的作用,提出了应用在波形钢组合桥面板中带椭圆开孔的PZ剪力连接件承载力计算公式。结果表明:两类剪力连接件均为混凝土剪切破坏,破坏时出现贯通裂缝,PZ连接件钢销及椭圆孔和PBL(开孔板)连接件圆孔均未发生明显变形,但贯穿钢筋变形明显。两类剪力连接件有着相同趋势的荷载-滑移曲线,相同条件下PZ剪力连接件的极限承载力高于PBL剪力连接件,而且开椭圆孔会明显提高PZ剪力连接件的极限承载力。钢板与混凝土之间的黏结摩擦力对剪力连接件的抗剪性能发挥着重要的作用。PZ剪力连接件的抗剪刚度高于PBL剪力连接件,贯穿钢筋会提高抗剪刚度,但开椭圆孔会使抗剪刚度降低。两类剪力连接件均为延性破坏,但PZ剪力连接件延性优于PBL剪力连接件。钢销下部应变幅变化较大,为PZ组合销剪力连接件应力集中区域。提出的带椭圆开孔的PZ剪力连接件承载力公式与试验结果吻合度较好。     

钢管混凝土桁式拱桥稳定承载力的参数分析

利用高效高精度线弹性迭代方法,分析了几何和材料参数对钢管混凝土桁式拱桥稳定承载力的影响规律。首先,结合钢管混凝土构件齐次广义屈服函数和弹性模量调整策略,建立了钢管混凝土结构稳定承载力分析的线弹性迭代方法;进而通过与桁式拱模型试验结果对比,验证了线弹性迭代方法的准确性和高效性;最后利用线弹性迭代方法探讨了矢跨比、钢管和混凝土强度、含钢率、弦杆和腹杆刚度比等参数对拱稳定承载力的影响。研究结果表明:建立的线弹性迭代方法能够准确高效地预测钢管混凝土桁式拱稳定承载力,矢跨比、钢管强度、含钢率和弦杆与腹杆刚度比对稳定承载力影响较大,对混凝土强度影响较小,建议矢跨比范围为0.20～0.25,钢管强度和含钢率选择需要考虑经济性,弦杆与腹杆的刚度需要匹配使用。     

横肋波纹板-方钢管约束混凝土短柱轴压力学性能

横肋波纹板-方钢管(CPST)约束混凝土柱是由横肋波纹板与四角钢管焊接而成,并在腔内浇注混凝土形成的横肋波纹板约束核心混凝土、方钢管与混凝土共同承担轴向荷载构件。为了研究横肋波纹板-方钢管约束混凝土短柱的轴压性能,开展了3根横肋波纹板-方钢管约束混凝土短柱轴心受压试验。由于横肋波纹板具有较高的侧向刚度,核心混凝土能够得到较好的约束,但波纹板基本不承担轴向荷载,试件最终的破坏形式依次为方钢管局部屈曲、横肋波纹板向外鼓曲、方钢管内混凝土及核心混凝土均被压碎。在此基础上,利用ABAQUS分析了6类关键参数:混凝土的强度、正方形钢管/横肋波纹板的壁厚和抗压强度、钢管的截面尺寸。研究结果表明:如果提高混凝土强度,则抗压承载力提高,而延性降低;方钢管的厚度增加对柱的承载力和延性均有提升;方钢管的强度变高,承载力也随之提高;如果增加横肋波纹板的厚度,则承载力、延性都提高;横肋波纹板强度的变化对承载力影响不大,对延性有所提升;随着方钢管外截面尺寸变大,承载力呈现出提高的趋势。最后,基于Mander等提出的约束混凝土抗压承载力计算公式,通过引入综合影响变量,提出了计算横肋波纹板-方钢管约束混凝土短柱抗压强度的公式,期望为工程实践提供指引。     

新型可拆卸开孔钢管连接件抗剪性能

为适用预制钢-混凝土组合桥梁快速装配化施工需求,提出一种新型可拆卸的开孔钢管连接件。通过设计不同钢管壁厚、开孔板条宽度与高度等参数的开孔方钢管连接构造试件,开展水平推出试验,研究其抗剪承载力、抗剪刚度、剪切破坏模式及相对滑移特征。考虑钢材理想弹塑性、混凝土塑性模型及钢-混凝土界面非线性接触,建立可拆卸连接件抗剪分析的高效精细有限元模型,并通过试验结果验证。采用验证的有限元模型,进行与方钢管具有相同用钢量、板厚、开孔形式的圆钢管连接件抗剪性能对比分析。研究结果表明：可拆卸钢管连接件不仅具有开孔板连接件相当的抗剪承载力,而且比焊钉连接件具有更好的延性;增加钢管壁厚能有效提高其抗剪刚度与强度,改变底部开孔形状对连接件的抗剪刚度影响较小,但对强度影响较大;圆管与方管连接件具有相当的剪切屈服强度,但方管连接件的极限抗剪强度更高,而圆管连接件的延性更好;塑性理论推导可拆卸连接件剪切屈服强度计算结果同试验、有限元结果吻合良好,证明该计算式准确、有效;建议荷载作用下,混凝土板不发生开裂和压溃,可拆卸连接件可屈服进入塑性状态,实现混凝土板、钢梁易更换、修复或重复利用。     

无黏结钢筋混凝土结构力学性能分析

为了充分研究钢筋与混凝土之间的黏结长度对钢筋混凝土构件力学性能的影响,通过理论分析,推导出部分无黏结钢筋混凝土构件承载力计算公式,并在此基础上,使用理论公式和有限元数值模拟分析方法进行了分析与比对。结果表明,钢筋与混凝土之间有无黏结对钢筋混凝土构件的极限承载力无影响;随着无黏结长度的增长,构件的整体变形量增大、开裂区减小和黏结界面易出现应力集中现象。     

圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱的轴心受压性能

为了研究圆形钢套管加固钢筋混凝土柱的基本力学性能,对1根未加固的普通钢筋混凝土短柱和4根圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱,进行了在不同加固钢套管厚度以及初始轴压比下的轴心受压试验,初始轴压力通过对未加固构件施加后张预应力来进行模拟.在试验研究的基础上,根据叠加法与极限平衡法建立了圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱的轴压承载力公式.研究结果表明:加固构件的承载力与延性均比未加固构件大大提高;同时随着钢套管厚度的增加,加固构件的承载力不断增大,而构件的延性却变化不大,初始轴压力对加固构件的承载力影响微小.利用2种方法计算的加固短柱承载力与试验结果吻合均较好,但是叠加法更为简单,计算结果更准确.     

刘家峡大桥钢管混凝土桥塔黏结滑移力学试验研究

刘家峡大桥首次在国内采用大规模钢管混凝土构件作为悬索桥桥塔。为保证该桥桥塔在施工各阶段的安全性,模拟刘家峡悬索桥桥塔实际受力制作1/10缩尺比例模型进行加载试验,并采用ANSYS软件建立有限元模型对试验结果进行验证与对比,研究钢管混凝土结构钢管与混凝土的黏结滑移力学性能。研究结果表明:当试验荷载超过钢管与混凝土黏结力后,钢管和混凝土的相对位移与试验荷载呈线形变化关系;钢管应变从受力端向构件中部逐渐减小,受混凝土材料的不均匀性、钢管壁的粗糙程度不同等因素的影响,钢管应变与距加力端距离呈非线性变化关系,但总体呈逐渐增加趋势;通过试验结果得到的黏结强度及滑移位移均大于有限元软件计算结果,但两者相差不大,说明有限元结果可用于实际工程,并偏于安全。     

装配式组合梁桥开孔钢板连接件抗剪性能

为建立适用于装配式钢-混组合梁桥的间断式开孔钢板连接件的极限承载力和初始刚度的设计计算方法,共设计3组8个间断式开孔钢板连接件与1个传统开孔钢板连接件推出试件,分别研究端部承压面、开孔孔径、贯穿筋直径与混凝土强度对间断式开孔钢板连接件的极限承载力及初始刚度的影响;利用非线性有限元模型对间断式开孔钢板连接件的受力机理、破坏过程和承载能力进行仿真模拟,并通过与试验结果进行对比分析验证仿真结果的可靠性;以试验中的变量设置为基础,增加参数取值范围,建立并分析162个非线性实体有限元模型,通过对分析结果进行多变量回归分析,提出适用于间断式开孔钢板连接件的初始刚度及极限承载力的计算表达式。结果表明：间断式开孔钢板连接件的荷载-滑移曲线分为弹性段、塑性段及下降持力段3个阶段,前2个阶段荷载主要由孔中混凝土隼、贯穿筋及端部承压混凝土共同平衡,下降持力段荷载则主要由上侧贯穿筋承担;试件极限承载力及初始刚度约为同尺寸传统开孔钢板连接件的2倍,并随开孔孔径、贯穿筋直径与混凝土强度的增加而提高;所建立的初始刚度与极限承载力计算公式与试验值吻合较好,研究结果对间断式开孔钢板连接件在装配式钢-混组合梁桥中的应用具有参考价值。     

基于影响面法的预应力混凝土桥墩延性能力分析

基于响应面法对预应力混凝土桥墩延性能力展开研究。主要分析了纵向钢筋配筋率、箍筋配筋率、预应力钢束的数量和混凝土强度对预应力混凝土桥墩曲率延性系数的影响。参考以往的混凝土桥墩的设计参数,采用Box-Behnken试验设计法,利用数值分析,计算25个预应力混凝土桥墩的延性系数,通过响应面法得到延性系数的回归方程。从计算结果可以看出:预应力钢束的数量对桥墩延性系数影响显著,随着预应力钢束数量的增加,桥墩延性系数曲线减小;随着箍筋配筋率和混凝土强度提高,桥墩延性系数线性增加;随着纵向钢筋配筋率提高,桥墩延性系数略有增加。     

可恢复组合梁中高强螺栓连接件抗剪性能试验

为探究高强螺栓连接组合梁的功能可恢复性，通过更换失效螺栓对栓接组合推出试件进行了多次损伤-修复，并对滑移前钢-混凝土界面摩擦性能和滑移后螺栓杆抗剪性能展开了详细研究。以滑移失效和承载力破坏失效为临界点，共对24个推出试件开展了力学性能恢复测试，考虑了重装配次数、螺栓预拉力、螺栓强度、螺栓直径和螺栓孔间隙等因素的影响。最后，通过拟合得到了与螺栓预拉力相关的钢-混凝土界面摩擦因数计算公式和螺栓抗剪承载力计算公式，并提出了单个螺栓的荷载-滑移曲线实用公式，可为考虑滑移的组合梁设计提供基础。试验及分析结果表明：若混凝土板没有开裂，则更换螺栓再装配后，磨损的钢-混凝土界面摩擦性能有一定提高，螺栓抗剪承载力不会降低，可以达到原设计要求，证明螺栓连接的组合结构具有较好的可恢复性能；钢-混凝土界面摩擦因数不是定值，界面处理相同情况下，摩擦因数随螺栓预拉力的增加而非线性增大，其极值为0.53～0.56;增大螺栓直径和强度等级可以显著提高抗剪承载力和承压抗剪刚度，但混凝土板破损严重，不利于重复利用；螺栓直径小于20 mm时，螺栓与混凝土强度适配良好，可以充分发挥钢材强度；随螺栓预拉力的增加，混凝土局部压损...     

预制装配式组合剪力钉试验研究

为研究预制装配式组合剪力钉(PCSS)的抗剪性能,考虑剪力钉布置形式、剪力钉个数、钢与混凝土界面粘结对抗剪性能的影响,设计制作了9组试件(8组PCSS试件和1组常规剪力钉试件),采用MTS 5000kN试验机进行推出试验,分析试件的破坏形式、极限承载力、滑移性能和抗剪刚度。结果表明,与常规剪力钉相比,PCSS试件的极限承载力较高,其破坏形态为延性破坏;剪力钉越多,PCSS试件的承载力越高,但PCSS试件的荷载~滑移曲线的趋势不受剪力钉个数的影响;钢与混凝土界面的粘结程度越高,PCSS试件的抗剪承载力和抗剪刚度也越大。建议不考虑界面粘结对承载力的提高作用,以钢与混凝土界面全光滑粘结试验值作为设计依据,提高结构安全储备。     

含钢率对正常使用极限状态下总溪河钢管混凝土拱肋应力影响分析

含钢率是影响钢管混凝土拱桥拱肋受力的重要参数,为研究含钢率对大跨度钢管混凝土拱桥拱肋钢管和管内混凝土应力的影响规律,模拟钢管混凝土拱桥施工过程,采用三阶段应力叠加法,分析了含钢率影响拱肋应力的机理。以贵州省总溪河大桥为例,采用有限元方法进行了计算验证。计算结果表明:在荷载不变的情况下,含钢率减小会使得正常使用极限状态下钢管与混凝土的应力增加,但钢管与混凝土应力增加的幅度要小于含钢率减小的幅度。含钢率减小虽然会降低钢管混凝土拱肋的刚度和极限承载力,但对于正常使用极限状态下充分发挥混凝土的承载作用是有利的。     

反复荷载作用下钢管混凝土轴压承载力退化模式研究

为探讨钢管混凝土构件受压屈服后再次受荷时的承载力变化规律,以含钢率、套箍系数、核心混凝土中钢纤维掺量与反复加载次数为参数,对12根钢管混凝土短柱进行了反复轴压试验。结果表明:钢管混凝土短柱受压屈服后,如管壁出现开裂,再次承受荷载时其承载力下降显著。如管壁不出现开裂,截面含钢率高、套箍系数大时,构件承载力衰减缓慢,承载力损失较小;含钢率低、套箍系数较小时,承载力则先出现较大衰减,达到最小值后有小幅回升,承载力损失较大; 5次反复加载,试件承载力均保持在初始承载力的60%以上。     

圆钢管混凝土轴压中长柱的承载力

首先应用模型柱法,对钢管混凝土轴压中长柱荷载-变形关系进行全过程分析,得到了钢管混凝土轴压中长柱承载力的数值解法;其次,根据切线模量法推导了钢管混凝土轴压中长柱稳定承载力计算公式;再次,基于模型柱法,探讨了构件长细比、混凝土强度等级、含钢率和钢材屈服强度对钢管混凝土轴压中长柱承载力稳定系数的影响,并在修正切线模量法推导的计算公式的基础上,建立了钢管混凝土轴压中长柱承载力实用计算公式;最后将该公式计算结果与各国216根钢管混凝土轴压中长柱承载力有效试验结果进行了对比。结果表明:该承载力计算公式所得结果与试验结果吻合较好,且偏于安全。     

BFRPC与预应力钢绞线黏结-滑移本构模型

预应力钢绞线与玄武岩纤维活性粉末混凝土BFRPC(Basalt Fiber Reactive Powder Concrete)之间的黏结性能，对预应力BFRPC桥梁结构的抗弯承载力、裂缝控制、刚度等性能具有显著影响。为了明晰预应力钢绞线与BFRPC之间的黏结-滑移失效过程，通过中心拉拔试验研究了钢绞线直径和黏结长度对预应力钢绞线与BFRPC之间黏结性能的影响。深入探讨了黏结应力-滑移曲线特征、黏结强度及影响因素；建立了BFRPC与预应力钢绞线的分段式双线型线性黏结应力-滑移本构关系模型；综合考虑钢绞线螺旋缠绕特征与旋转滑移失效模式，修正了预应力钢绞线与BFRPC的极限黏结强度计算模型。研究结果表明：对于相同直径的预应力钢绞线，黏结长度每增加100 mm,初始黏结应力下降15%～18%,极限黏结应力下降20%～23%;泊松效应会削弱混凝土和钢绞线之间的握裹力，使得黏结强度与钢绞线直径成反比；钢绞线与BFRPC的黏结-滑移本构关系模型可有效区分拉拔损伤的线性段和滑移段；建立的极限黏结强度修正模型精度良好，误差控制在理论计算控制线两侧±8%以内。     

钢板-混凝土组合加固矩形梁的抗弯性能试验

为了研究不同设计参数与加固构造对钢板-混凝土组合加固梁抗弯性能的影响,对4根钢板-混凝土组合加固矩形钢筋混凝土梁进行了试验研究及数值与理论分析。试件测量内容主要有荷载、挠度、应变、滑移、裂缝的发生以及发展状况等;然后采用有限元软件ANSYS对试验梁加固后的抗弯性能进行了数值模拟,并依据试验梁达到极限抗弯承载能力时的塑性破坏特征,建立了承载力理论简化计算公式。试验结果表明:钢板-混凝土组合加固可显著提高原梁的极限承载力;植筋间距对加固梁的承载力、新老混凝土界面纵向相对滑移具有显著影响,植筋间距越大则承载力越小,且界面出现纵向相对滑移的荷载值越小;剪跨比对试验梁的破坏形态、极限承载力、界面纵向相对滑移、结构延性均具有显著影响。数值与理论分析结果表明:数值模型能较好模拟试验梁发生弯曲破坏时的受力性能,而对界面滑移与剥离破坏的模拟尚存在不足;理论计算值与试验值在塑性弯曲破坏时吻合较好,脆性剥离破坏时相差较大。