冻融/干湿环境影响下CFRP板-钢界面黏结性能试验

恶劣环境影响下纤维增强复合材料(CFRP)板加固钢结构的黏结界面是薄弱环节.为掌握恶劣环境对加固界面黏结性能的影响程度,制作了干湿、冻融和冻融/干湿交互环境作用的CFRP板-钢双搭接试件,开展了试件的拉伸试验,分析了试件破坏模式、极限承载力、界面剪应力及分布、黏结-滑移关系和界面刚度变化等.结果 表明:多数试件发生CF...     

表层嵌贴CFRP板条-混凝土界面黏结性能的试验研究

通过34个表层嵌贴CFRP板条的混凝土棱柱试件的单剪试验,考察了混凝土强度、黏结长度、开槽宽度、槽壁厚度等因素作用下表层嵌贴CFRP板条的混凝土试件的破坏形式、黏结承载力和CFRP应变分布等性能,分析了上述因素对CFRP板条-混凝土界面黏结性能的影响.试验结果表明:嵌贴CFRP板条-混凝土间的黏结承载力随混凝土强度增大而提高;在界面极限荷载随黏结长度增加而增大,破坏形式由界面黏结破坏转变为CFRP拉断,未观察到有效黏结长度存在;剥离后黏结界面存在残余摩擦力,并与黏结长度近似线性相关;开槽宽度增大时试件黏结承载力有所提高,但未观察其到对界面黏结行为产生显著影响;槽壁厚度过小时试件黏结承载力下降,并发生界面黏结破坏或槽壁混凝土破坏,槽壁厚度超过40 mm后CFRP-混凝土界面黏结性能趋于稳定.     

CFRP板加固箱梁桥顶板在沥青面层施工高温碾压作用后的刚度分析

为了研究沥青面层施工时的高温碾压对公铁两用CFRP板加固的箱梁桥顶板刚度性能的影响,在室内对粘贴CFRP板的钢筋混凝土梁进行高温碾压作用后的刚度模拟对比试验,从加固受拉区和受压区以及CFRP板弹性模量变化时试件刚度变化的角度,开展了高温碾压对粘贴CFRP板的钢筋混凝土试验梁极限承载能力、刚度影响的研究。研究表明,经过高温碾压阶段后粘贴弹性模量分别为150GPa、180GPa和200GPa的CFRP板的钢筋混凝土梁在极限承载力和刚度方面比未粘贴CFRP板前分别有提高:极限承载力分别提高158%、190%和211%、刚度分别提高79%、89%和96%。研究结果对沥青面层施工高温碾压作用后采用粘贴CFRP板的加固技术达到提升桥梁刚度具有指导意义。     

混锚CFRP加固混凝土板试验研究

为使用碳纤维增强复合材料(CFRP)对钢筋混凝土构件进行抗弯加固,文中提出混锚法,即将CFRP端部绕结自锁式开缝板,通过锚具固定于板底部实现端锚。并通过对比实验,验证混锚法对抗弯加固的有效性。试验结果表明,混锚CFRP加固试件较纯粘加固试件,极限承载力有较大提升,并且能有效解决CFRP与混凝土板底面黏贴时因受界面应力作用,跨中发生剥离破坏的难题。另外1 800 mm长CFRP加固长度与2 600 mm长CFRP加固长度相比,较短的CFRP加固长度提升效果更为明显。     

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。     

FRP混凝土组合梁抗剪连接件试验研究

针对工程中常用的2种FRP-混凝土组合梁的抗剪连接形式（FRP开孔板件和采用粘结剂粘结）,开展了10个连接件推出试件在单调静力荷载下的试验研究,重点研究了混凝土强度、FRP开孔板排数等参数对连接件的破坏形态、极限承载力、滑移特性和应变分布等的影响。研究表明：采用FRP开孔板连接件的抗剪试件,其破坏形态为FRP开孔板根部剪切破坏,而采用环氧树脂胶粘结的试件,其破坏形态分混凝土内聚破坏和粘结层破坏2种;在受力全过程中FRP开孔板连接件中贯通筋应变较小,GFRP筋的应变最大值不超过1000txe,远小于其极限拉应变（约12000p,s）;混凝土强度对FRP开孔板连接件的承载力影响不明显;三排开孔板的平均单排承栽力小于单排开孔板的承载力,二者比值约为77％;试件破坏时,FRP开孔板连接件的滑移量约为1．0mm,而采用环氧树脂胶粘结的试件在破坏时的滑移量则为0．05mm左右。     

胶层厚度对CFRP板材与混凝土界面黏结性能影响

根据8个单剪试件的试验研究结果,采用有限元通用软件ABAQUS进行了数值模拟,通过分析试件的破坏模式、FRP板应变分布规律和极限承载力的变化情况,考察了胶层厚度对CFRP-混凝土界面黏结强度的影响。研究结果表明:胶层厚度对CFRP-混凝土界面的黏结性能有显著影响,黏结强度随胶层厚度增加而提高,增加到3 mm时达到最大;超过3 mm时,强度等级低的混凝土界面黏结强度随着胶层厚度的增加而减小,而强度等级高的混凝土界面黏结强度随着胶层厚度的增加而继续增大,但增加幅度减小。     

CFRP板加固钢-混凝土组合梁的塑性承载力分析

推导了CFRP板加固钢-混凝土组合梁的塑性受弯承载力的计算公式,其中考虑了CFRP板拉断破坏和混凝土板压碎破坏2种破坏类型及3种不同塑性中和轴的位置.分析显示,对于CFRP板拉断破坏的情况,加固前的梁上负载以及预应力的作用对受弯承载力均没有影响;但对于混凝土板压碎破坏的情况,加固梁的受弯承载力随加固前梁上负载的增加而减少,随预应力的增加而增加.     

基于黏弹性本构的CFRP-钢界面应力参数敏感性分析

为研究胶粘剂的黏弹性本构关系和粘贴CFRP加固钢梁各设计参数变化对CFRP-钢界面应力的影响,以改进的Maxwell模型表征胶粘剂的黏弹性本构关系。针对加固梁胶层以剪切变形为主的情况,对胶粘剂黏弹性本构进行简化分析,利用拉普拉斯变换和逆变换的数学方法,给出了改进的Maxwell模型各变量的求解方法,利用有限元软件ABAQUS对典型的粘贴CFRP加固简支钢梁进行有限元分析。分析了界面应力随加载时间的变化规律,详细地讨论CFRP弹性模量变化、CFRP厚度变化、胶层厚度变化和CFRP端部到支座的距离变化对CFRP-钢界面应力的影响。依据敏感性分析的基本原理,从定量分析的角度研究界面应力对各参数的敏感程度。结果表明:胶粘剂黏弹性会导致黏结界面发生应力重分布,界面峰值剪应力和峰值正应力随时间增加而减小;胶层越厚,CFRP越薄,CFRP弹模越小;CFRP离支座越近,黏结界面应力越小;对CFRP端部界面剪应力影响最大的参数为CFRP端部到支座的距离,其敏感度因子为1.359;对CFRP端部界面正应力影响最大的参数为CFRP厚度,其敏感度因子为0.956。     

预制桥面板大头钢筋湿接缝受力性能的试验研究

针对钢—混组合梁桥预制桥面板纵向湿接缝的受力特点，提出采用大头钢筋搭接的湿接缝构造，进一步采用模型试验方法研究了大头钢筋搭接湿接缝与直线钢筋焊接/搭接湿接缝的弯剪复合受力性能，获得了试件的裂缝分布、破坏模式、开裂荷载、极限承载力等。研究结果表明，大头钢筋搭接试件的变形特征与直线钢筋焊接试件类似，开裂荷载及开裂荷载对应的竖向挠度接近直线钢筋焊接试件，大头钢筋搭接试件的极限承载力较直线钢筋焊接试件提高7.6%;大头钢筋湿接缝的受力机理可以用拉压杆模型进行解释，试件破坏时作为拉杆的大头钢筋并未屈服，而作为压杆的混凝土已经被压溃。在实际工程中使用强度较高且与预制板界面粘结性能较好的超高性能混凝土或高延性水泥基复合材料浇筑湿接缝，能够更好地发挥大头钢筋的抗拉强度，提高湿接缝的强度与延性。大头钢筋端部的锚固构造提高了纵筋的抗拔能力，使得大头钢筋搭接具备了类似钢筋焊接的性能。钢筋搭接还能大幅提高施工速度，节约建设成本。     

大跨钢桁拱钢-混组合桥面板极限承载力试验

为评估钢一混组合桥面板结构在公路荷栽作用下的极限承载力,对其进行极限承载力性能试验研究。根据圣维南原理,选取正负双向弯矩受力的立柱区部分桥面板作为实桥的有限元分析模型,并试验制作了2个等尺模型试件A和B,用于考察钢一混组合桥面板正负双向弯矩区的极限承载力性能。试验结果表明：模型A混凝土板被拉坏,工．字钢上下翼缘板、腹板以及纵向钢筋始终未屈服,PBL、钢底板以及横向钢筋均在破坏之前屈服,模型A的破坏荷载为1750kN;模型B混凝土板被压坏,PBL在破坏之前屈服,模型B的破坏荷载为2200kN。研究结果可为钢一混组合桥面板极限承栽能力设计计算提供参考。     

钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能试验

为研究钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能,考虑华夫板板肋高度比、纵筋配筋率以及采用抗拔不抗剪栓钉连接件对钢-UHPC华夫板组合梁的破坏模式、裂缝发展规律及承载能力的影响,采用跨中单点加载方式完成了4根钢-UHPC华夫板组合梁试件在负弯矩作用下的静力加载试验。基于简化塑性理论,并考虑将UHPC受拉区的拉应力分布等效为均匀应力分布,提出了负弯矩区钢-UHPC华夫板组合梁的极限抗弯承载力计算方法。研究结果表明：负弯矩作用下,4根钢-UHPC华夫板组合梁试件的破坏形态均为典型的弯曲破坏;极限状态下,华夫板内纵向受拉钢筋屈服,钢梁上翼缘受拉屈服,钢梁下翼缘受压发生局部屈曲,华夫板跨中主裂缝贯通,其余裂缝呈现密集分布且纤细的特点。保证华夫板总高度90 mm不变,板肋高度比由1∶1减小为1∶2会加剧华夫板的裂缝开展,使试件的开裂荷载和初始刚度略有降低,但承载能力基本不变。华夫板配筋率增大1.05%,试件的承载力与刚度分别提高18.4%与7.7%,并且有助于约束华夫板的裂缝宽度。采用抗拔不抗剪栓钉连接件可在一定程度上抑制试件在正常使用阶段时的裂缝开展,但会导致试件承载力、刚度和延性下降,下降幅度分别为6.9%、9.6%和19.7%。根据所提出的钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区极限抗弯承载力的理论计算公式所得的计算值略低于试验值,且相对误差在10%以内。     

钢-混组合梁剪力钉抗剪性能试验研究

为研究钢—普通混凝土与钢—钢纤维混凝土组合梁剪力钉的极限抗剪强度及破坏形式,根据某实际钢—混组合桥梁结构,设计2种钢—混组合梁剪力钉试件进行极限抗剪强度推出试验,根据试验结果拟合试件荷载～滑移曲线,并与不同规范计算得到的剪力钉抗剪承载力进行比较分析.结果表明:钢—钢纤维混凝土组合梁剪力钉的极限抗剪承载力较钢—普通混凝土组合梁剪力钉高约16％;其极限承载力对应的滑移值约为钢—普通混凝土组合梁剪力钉的2～2.5倍;钢—钢纤维混凝土组合梁破坏特征为剪力钉全部被剪断,钢—普通混凝土组合梁破坏特征为混凝土被压裂.由各公式得到的试件抗剪承载力均偏于保守.     

带剪力键的GFRP-混凝土空心箱型组合板受力性能试验研究

为研究不同剪力键条件下GFRP-混凝土空心箱型组合板的受力性能,进行了4个带剪力键组合板试件的静力弯曲试验,分析了开孔间距、截面形式等参数对试件破坏机制、极限承载力的影响,并得到了不同参数影响下试件的裂缝分布规律、荷载-应变曲线、荷载-滑移曲线、跨中沿截面高度应变分布的演化规律等内容。试验结果表明:试件破坏形态为跨中截面受压区混凝土被压碎;由于界面出现滑移导致剪力键破坏,但其整体工作性能良好,表明此新型组合结构具有良好的受力性能及协同变形能力;影响组合板受弯极限承载力的关键参数在于开孔间距大小,对比不同开孔间距试件,减小开孔间距能提高试件承载力,降低界面滑移;截面形式对于试件的极限承载力没有明显的影响,T形肋与矩形肋相比可以有效降低组合结构交界面的滑移量。基于试验结果并参考现行设计规范,提出了一种带剪力键的GFRP-混凝土空心箱型组合板抗弯承载力计算方法。计算值与试验值比较表明:所提方法可以有效预测GFRP-混凝土空心箱型组合板的抗弯承载力,且具有一定的安全储备,可供工程设计参考。     

GFRP-混凝土组合桥面板的疲劳性能试验研究

为研究现浇GFRP-混凝土组合桥面板的疲劳力学性能,探究组合桥面板的工程适用性,利用疲劳机(型号JAW-500K)完成了一片现浇试件的210万次疲劳荷载试验研究。试件采用粘钢胶掺加砂石的方式处理GFRP和混凝土的界面连接问题,加载方式为组合简支板跨中两点对称单调加载(即四点弯曲试验)。试验测量了一定加载次数后试件的跨中挠度、端部滑移和跨中截面沿高度方向的应变等结果,观察记录了裂缝数量和其对应荷载,分析了试件的刚度、应变分布和界面相对滑移等。疲劳试验完成后对组合板进行静载破坏试验,进一步分析了组合板的剩余承载力和界面相对滑移等。研究表明,该组合桥面板疲劳加载过程中刚度缓慢降低至稳定状态,剩余承载力相较于静载试件仅稍有降低, I型粘钢胶和砂石作为界面材料基本可以保证混凝土和GFRP板的整体性,弯剪区表观裂缝数量少。该组合桥面板刚度变化稳定,剩余承载能力折损小,界面抗滑移效果显著,抗裂性好,是一种抗疲劳性能良好的组合板形式,可为同类桥梁设计提供参考。     

采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装受力性能研究

为解决现有钢桥面铺装因大面积现浇超高性能混凝土(UHPC)产生收缩开裂,需密集配筋,施工现场需要大量蒸养设备等问题,提出了一种采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装。通过钢-预制UHPC板界面、钢-现浇UHPC板界面和预制-现浇UHPC界面局部模型试验,揭示了采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装各关键界面黏结性能;通过节段足尺模型试验与有限元分析,明确了车辆荷载下采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装的荷载效应。研究结果表明：钢-预制UHPC板界面受拉和受剪破坏均发生于粘胶层与预制UHPC板结合面,法向抗拉和切向抗剪承载力可保守地取5.2 MPa和8.7 MPa;栓钉间距在150~320 mm之间时,栓钉加密对钢-现浇UHPC板界面抗剪承载力影响较小,可根据中国规范进行现浇UHPC板中栓钉承载力的计算,抗剪刚度可保守的取110.0 kN·mm^-1;界面凿毛处理和湿接缝采用蒸汽养护,可使预制-现浇UHPC接缝的抗剪强度分别提升23%和20%,预制-现浇UHPC接缝抗剪强度可保守地取2.4 MPa;在3倍车辆设计荷载作用下,UHPC板以及钢-UHPC板界面的应力均小于容许应力。提出的采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装方案可行。     

预制桥面板UHPC-U形钢筋湿接缝受力性能试验研究

针对目前装配式组合梁桥预制桥面板湿接缝宽度大、现浇量大的劣势,提出宽度较小的UHPC-U形钢筋接缝。为检验该接缝的力学性能,设计制作3个桥面板试件(JF-1,混凝土整板试件;JF-2,30cm宽UHPC-U形钢筋接缝试件;JF-3,60cm宽普通混凝土-U形钢筋接缝试件)进行静力弯曲试验,对比其极限承载力、抗裂性能及抗弯刚度。结果表明:3个试件的抗弯承载力相近,破坏形态均为剪跨区的弯剪破坏,湿接缝不会削弱桥面板的抗弯承载力;UHPC能显著提高湿接缝的抗裂性能;各试件的荷载～位移曲线基本相同,抗弯刚度基本一致,接缝对试件的抗弯刚度影响较小;试件JF-2、JF-3具有同等的抗弯强度及刚度,可以将UHPC作为湿接缝浇筑材料来减小接缝宽度。     

钢—混组合结构2种新型连接件性能及不同间距对比研究

为研究钢-混凝土组合结构中开孔板和开孔波折板连接件这2种新型剪力连接件的力学性能,对2种连接件的各自4组试件进行推出对比试验,研究2种新型连接件在不同板间距的情况下其试件的破坏形态、滑移性能、承载力等性能及2种连接件之间的性能.结果表明,2种新型连接件的破坏模式为纵向劈裂破坏,开孔波折板连接件延性性能相对于开孔板连接件的延性较好;不同板间距的连接件的荷载～滑移曲线具有相似性,接近极限荷载时,开孔波折板连接件的滑移速率相对较慢;2种双板连接件的承载力随板间距的增加而减小,相同构造参数的开孔波折板连接件的承载力约为开孔板连接件承载力的2倍以上;相对于单板连接件而言,2种双板连接件的承载力有明显提高.     

UHPC直剪性能试验与直剪承载力计算方法

针对超高性能混凝土（UHPC）直剪性能研究较为缺乏的现状,开展24个“Z”形UHPC整体浇筑试件和24个“Z”形UHPC平接缝试件（用高压水凿毛先浇界面）的直剪试验,以得到钢纤维特性以及浇筑方式对UHPC （直剪）初裂强度、峰值强度、破坏模式以及直剪承载力的影响;并基于试验结果及UHPC细观本构模型开展了UHPC直剪承载力的理论分析研究。结果表明：无纤维UHPC整体试件和钢纤维掺量未超过3.0%的平接缝试件直剪破坏模式均为脆性破坏,纤维掺量达到2.5%的整体试件具备剪切延性破坏的特征;纤维掺量达到2.5%的平接缝试件界面处新老UHPC结合紧密;整体界面和平接缝界面直剪的初裂强度与峰值强度均随纤维掺量增加而显著增加,且峰值强度随纤维掺量几乎呈线性变化;纤维形状与长径比对整体界面初裂强度和峰值强度的影响不大,对平接缝界面则长纤维优于短纤维,异形纤维优于平直形纤维;整体界面和平接缝界面直剪的峰裂比（峰值强度与初裂强度之比）为103.5%~166.7%,整体界面峰裂比均显著大于纤维掺量相同的平接缝界面,2种界面的峰裂比均随钢纤维掺量增加而增加。建立了平接缝界面与整体界面直剪峰值强度之比η（简称直剪强度比）与纤维特征参数λ_f之间的高精度拟合公式。此外,还分别提出了高精度的UHPC整体界面和平接缝界面的直剪承载力计算公式。     

冻融环境对CFRP-混凝土界面粘结性能影响试验研究

近年来CFRP加固混凝土结构技术在国内外受到了广泛的应用,国内外学者对该结构的耐久性能开展了大量的研究,但针对其在冻融坏境下的粘结破坏机理的研究仍不够充分。针对这一现象,研究通过对CFRP-混凝土试件经冻融侵蚀后做单面剪切实验,探讨了冻融循环次数以及不同粘结顺序对CFRP-混凝土的粘结强度的影响。结果表明：冻融循环对CFRP板的影响较小,在一定的冻融循环次数下混凝土的强度逐渐增加,冻融循环对粘结界面的影响较混凝土大,界面损伤对CFRP-混凝土承载能力的影响较大。