基于黏弹-塑性圆孔扩张理论压力注浆锚杆锚-土界面黏结强度计算方法

压力注浆锚杆在隧道、边坡、基坑等支护工程中应用广泛。为了预测锚杆在不同注浆压力下的锚-土界面黏结强度,将锚-土界面法向应力的发展过程分为2个计算阶段：压力注浆时锚孔扩张半径的计算和浆液硬化后界面法向应力的计算。在计算时,将锚孔扩张过程视为无限土体中的瞬时圆孔扩张问题,考虑塑性区土体服从统一强度准则,推导出压力注浆时锚孔扩张半径解答;然后,考虑土体的时变特性,引入黏弹-塑性圆孔扩张理论,采用Merchant模型推导出浆液硬化后界面法向应力随时间衰减的解答;最后,基于库仑抗剪强度公式,建立了压力注浆锚杆锚-土界面黏结强度的理论计算方法。为了验证所提计算方法的可靠性,采用自制的锚杆微元体压力注浆装置,制作了3种不同注浆压力下的锚杆试样并开展了拉拔试验。将获得的试验结果与所提理论计算结果进行对比,并结合已有的压力注浆土钉拉拔试验结果进一步验证。结果表明：提出的压力注浆锚杆锚-土界面黏结强度的理论计算方法能够准确的预测试验数据,可为工程设计提供参考。最后进行了参数分析,结果表明：锚-土界面黏结强度与注浆压力呈线性关系,注浆压力增大能有效提高锚杆的承载性能;锚-土界面黏结强度随着复合模量的增大呈现...     

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。     

基于全概率法的锚杆挡墙中锚杆设计

针对目前岩土工程领域中可靠度分析研究较多而可靠度设计研究较少特别是全概率设计涉及更少的现状,提出了锚杆挡土墙中锚杆的全概率设计方法。以锚固体与周围土体的黏结强度以及钢筋的极限抗拉强度为抗力,以主动土压力为荷载,分别建立了结构功能函数。将影响土质边坡中锚杆抗拔性能的相关参数视为随机变量,对其变异系数取值范围进行详尽分析并得到了合理的结果。为解决可靠指标计算函数的反函数难以直接获得解析解的问题,引入了原理简单又能快速计算的二分法。提出了基于二分法的锚杆全概率设计流程并编制了计算程序,该程序可直接算出任意目标可靠指标下的锚杆直径与长度等设计参数值。在算例中使用该全概率设计方法与《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)中的定值设计法进行了对比验算,并给出了边坡锚杆按全概率设计的目标可靠指标参考值。结果表明:锚杆锚固段长度的目标可靠指标明显低于钢筋横截面积的目标可靠指标,与土质边坡中锚杆失效大多是由于锚固体与周围土体黏结破坏的实际情况相符合。全概率设计方法可在单一随机变量功能函数的结构设计中直接推广应用。     

锚固段穿越双地层拉力型锚索拉拔力学模型及应用

预应力锚索灌浆体与周围岩土体结合面的极限黏结强度是预应力锚索设计优化的基础参数，然而该参数的取值目前还严重依赖于经验，尤其对于锚固段穿越双地层的工况。此外，预应力锚索现场拉拔试验只是被用来验证初步设计方案是否满足极限承载力要求，并未与设计方案优化建立定量联系。基于对拉力型预应力锚索工作状态作出的合理化假设，建立了适用于锚固段穿越双地层的拉力型预应力锚索拉拔传力机理力学模型，即弹簧-粘片力学模型。该模型给出了锚索锚固段剪应力状态处于不同阶段时的锚固段剪应力分布函数、拉拔力上下限以及拉拔力-始端位移理论关系式。通过将弹簧-粘片力学模型与现场拉拔试验相结合，提出了一种适用于锚固段穿越双地层的预应力锚索极限黏结强度的半解析预测方法。通过与实际工程中的预应力锚索现场拉拔试验成果及三维有限差分数值分析的对比，验证了该预测方法的有效性及其在预应力锚索设计优化中的应用性。研究结果表明：采用所提出的半解析预测方法确定锚固段穿越双地层的预应力锚索极限黏结强度时，只需开展一组现场拉拔试验，从而克服了仅依靠现场拉拔试验获取双地层中极限黏结强度时需开展至少2组现场拉拔试验的缺点，可大幅节约工程造价且有效缩短了工期，具有较好的工程应用前景。     

数据驱动的UHPC与钢筋界面黏结强度研究

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)与钢筋界面的良好黏结是保证结构安全和正常使用的关键，直接决定了结构设计与性能评估。然而，传统基于试验或力学推导的界面黏结性能评估方法难以反映众多因素的影响，预测精度低、方差大。近年来，基于人工智能的数据驱动技术发展迅猛，为解决上述问题提供了新思路。建立了样本容量为670的钢筋与UHPC界面黏结试验数据库，分析了特征相关性和主要因素影响规律。剔除数据缺失、数据噪声等无效数据后，得到了557组有效数据子库。基于机器学习方法训练并生成了9种黏结强度预测模型，包括4个线性模型和5个非线性模型。采用决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)指标开展了模型预测精度评价，对比了机器学习模型和传统模型的预测精度。结果表明：钢纤维掺量2%的试验样本占75.8%,钢筋直径16 mm的试验样本占64.6%,缺乏其他纤维掺量与钢筋直径的研究样本，尤其是低配纤、高配纤以及大直径钢筋的试验数据。5次随机抽样训练预测结果中，人工神经网络模型对试验结果预测最好，R²     

非预应力BFRP锚杆加固土质边坡设计参数确定试验研究

为研究新型材料BFRP筋作为锚杆的设计方法和设计参数,进行了BFRP筋的拉伸试验、与水泥砂浆的黏结性能试验、耐腐蚀性试验、剪切试验,分析BFRP筋的力学特性。基于钢筋锚杆设计规范和已有的研究成果,给出了非预应力BFRP锚杆加固土质边坡设计参数的取值方法和建议值。通过BFRP锚杆与钢筋锚杆的现场支护对比试验,分析BFRP锚杆的加固效果,验证BFRP锚杆设计的合理性。研究表明,非预应力BFRP锚杆支护设计的抗拉安全系数不应小于1.6(永久锚杆)和1.4(临时锚杆)。BFRP筋抗拉强度标准值为极限抗拉强度的80%,对于锚固常用的BFRP筋(直径≥12 mm)可取为710 MPa。BFRP筋与砂浆的黏结强度标准值等于拉拔试验得到的平均值除以2.1,对于锚固常用的BFRP筋可取为2.8 MPa。设计的BFRP锚杆可以有效地加固边坡,较好地控制边坡位移,且加固效果与钢筋锚杆相当,BFRP锚杆设计合理,采用等强度替代钢筋的方法进行BFRP锚杆支护设计是可行的。     

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。     

BFRP锚杆与钢筋锚杆现场拉拔试验对比分析

通过BFRP锚杆的现场拉拔试验,测试BFRP锚杆的抗拔极限承载力,并与钢筋锚杆对比,研究BFRP锚杆的锚固性能。根据试验数据分析BFRP锚杆的平均单根极限抗拔力和极限抗拉强度。结果表明:6根φ14BFRP锚杆极限抗拔力与3根φ28 HRB400钢筋锚杆极限抗拔力相当。多束BFRP筋组成锚杆时,平均单筋极限抗拔力约为BFRP筋极限抗拔力的80%。     

钢管混凝土的界面黏结-滑移性能数值分析研究

为了更好地描述钢管混凝土界面黏结-滑移关系,该文基于已有试验研究提出了适用于钢管混凝土界面黏结-滑移关系的简化模型,通过对比已有试验结果和黏结强度简化计算表达式的计算结果对公式的有效性进行了验证。基于简化黏结强度计算公式模型,该文结合数值分析软件中的非线性弹簧单元对已有钢管混凝土的短柱推出试验进行了数值分析,数值分析结果证明,简化黏结强度计算模型结合数值分析软件中的非线性弹簧可以有效地模拟钢管与混凝土之间的黏结-滑移关系。通过进一步建立考虑黏结-滑移、不考虑黏结-滑移、完全黏结3种钢管混凝土界面形式的数值分析模型,对钢管混凝土压、弯、扭3种力学性能进行模拟研究,最后发现考虑黏结-滑移模型与试验结果较为接近,不考虑黏结-滑移模型的计算结果小于试验结果,完全黏结模型计算结果大于试验结果。     

考虑注浆压力和土体饱和度影响的锚-土界面剪切性能试验研究

基于自制的压力注浆装置制作锚杆微元体试样,而后开展拉拔试验获得了不同注浆压力与土体饱和度下锚杆微元体锚-土界面的剪切应力τ–剪切位移s全过程曲线(即τ–s曲线),并建立了考虑注浆压力和土体饱和度影响的锚-土界面τ–s曲线模型。首先,通过对重力注浆锚杆锚-土界面剪切滑移模型进行改进,得到压力注浆锚杆锚-土界面τ–s曲线模型表达式;然后,利用改进的τ–s曲线模型对部分试样的τ–s曲线进行拟合,获得压力注浆锚杆微元体的锚-土界面τ–s曲线模型参数;最后,采用二阶多项式函数对上述不同注浆压力和土体饱和度下的试样模型参数进行拟合,并将拟合得到的关系式代回改进的τ–s曲线模型,就可得到考虑注浆压力与土体饱和度影响的锚-土界面τ–s曲线模型。利用该模型对未参与拟合的试样τ–s曲线进行预测,发现预测曲线与试验曲线吻合良好。     

粉末锻造连杆的结构强度与疲劳分析

依据有限元计算理论,使用Hypermesh网格划分软件和Abaqus高级非线性有限元分析软件,对某汽车发动机粉末锻造连杆的三维模型进行有限元静力分析。对装配完后的连杆组件的极限拉伸和压缩工况进行仿真,模拟连杆在工作过程中的接触与受力情况,确定连杆的应力分布及危险区域,并根据非对称循环下的构件的疲劳强度计算公式计算出连杆主要部位的疲劳安全系数。实践证明,此方法对连杆的研发与设计有很大的指导作用。     

围岩侧限对自膨胀锚杆性能影响效应研究

大掺量膨胀剂水泥浆作为锚固体的新型自膨胀高强预压锚固技术可显著提升锚杆抗拔力,为研究该技术在围岩侧限条件下的锚固性能,研发了模拟地应力条件下岩体锚固的装置及方法,并开展了不同围岩侧限等级、不同膨胀剂掺量条件下锚固体膨胀应力实时监测及拉拔试验,分析了膨胀应力演化规律、锚固破坏形态及抗拔力提升机理、锚杆界面力学特性及锚固系统破坏耗能规律。结果表明:①内界面应力存在随时间的损失效应,损失率随掺量呈线性递减的关系;定义了协同应力,指出内界面应力峰值与协同应力峰值存在滞后时差,并从应力传递的角度解释了其力学机制。②拉拔过程中微扩头"卡"在锚孔内并不断上移形成了该锚固体系独特的"荷载平台效应",极大提升了锚固系统的延性及破坏极限耗能值,并绘制了该效应的力学机制图;建立了自膨胀锚杆的极限抗拔力预测模型,指出初始侧限应力值对极限抗拔力呈指数式影响,表明在工程运用中侧限约束强的围岩能大幅提升锚杆极限抗拔力。③引入自膨胀影响系数λ、围岩侧限影响系数k,建立了自膨胀锚固体系的锚杆界面力学公式及能量方程,并结合算例验证了公式的可行性;得出0.7 MPa初始侧限应力条件下,ω=30%的锚固极限抗拔力较普通锚固提升了2.38倍,锚杆峰前位移量提高了1.08倍,锚固系统峰前耗能值提升了6.34倍。     

集束式长短剪力钉抗剪承载力计算方法

为给新型预制拼装钢-混组合梁桥设计施工提供参考,针对该类桥采用集束式长短剪力钉的布置特点,考虑剪力钉不同直径、长度、强度和混凝土强度等因素,开展集束式长短剪力钉的抗剪性能、极限承载能力有限元分析和试验研究。采用推出试验的方法,设计制作18个剪力钉推出试件,考察剪力钉长度和直径对集束式长短剪力钉抗剪极限承载力的影响,提出集束式长短剪力钉的群钉荷载-滑移曲线公式。同时,考虑混凝土、剪力钉、钢梁和钢筋的材料非线性,采用ANSYS软件建立推出试验的有限元模型,分析混凝土强度、剪力钉强度、剪力钉相对位置、混凝土板厚等参数对集束式长短剪力钉抗剪力学性能的影响规律,提出集束式长短剪力钉的单钉极限抗剪承载力计算公式。研究结果表明：短剪力钉的直径和抗拉强度、混凝土强度对集束式长短剪力钉的抗剪承载力和刚度有明显影响;而短剪力钉的长度、长短剪力钉的相对布置位置和混凝土板厚对集束式长短剪力钉的抗剪承载力和刚度影响较小;提出的计算公式计算值与试验值吻合较好。     

极限状态时CFRP筋粘结式锚具粘结应力分布

结合不同荷载水平下CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer／Plastics）筋的粘结应力分布特点，详细分析了荷载传递机制，论证了极限状态时粘结应力分布是光滑平顺的，并指出了BBA模型的不足之处，从而提出了光滑曲线模型，对CFRP筋沿锚固长度方向的粘结应力和轴力计算公式进行了推导，通过算例对光滑曲线模型的可靠性进行了验证。研究表明，极限承载力的计算结果与实测结果吻合较好，但由于理论模型中峰值应力为埋长小于13倍CFRP筋直径的平均粘结应力，它比实际峰值应力小，导致极限承载力的计算结果均比实测结果小；光滑曲线模型比BBA模型更靠近实测结果；锚固长度越大，极限状态下粘结应力分布越不均匀，极限拉力的实测结果与理论结果差值也越大。研究成果可以为粘结式锚具的设计提供参考。     

FRP包裹混凝土圆柱统一约束模型

为进一步明确纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土圆柱轴压性能影响因素及现有约束模型适用性,收集了混凝土强度在6.2～188.2 MPa范围内的普通混凝土、高强混凝土、超高性能混凝土、再生混凝土、海水海砂混凝土和工程水泥基复合材料等1049组普通FRP/大应变FRP包裹圆柱的试验数据.在统计分析基础上,基于最小二乘法建立...     

预应力锚杆承载力特性的数值模拟分析

基于某深基坑工程现场锚杆抗拔试验,运用有限元分析软件ABAQUS,建立了嵌固模型和摩擦模型的预应力锚杆抗拔试验模型,对这两种模型锚杆的承载特性以及荷载传递机理,以现场实测数据进行对比分析,进一步论证了锚杆数值模拟分析采用摩擦模型的可靠性。同时,还分析了摩擦系数与预应力对锚杆的承载特性的影响。     

纤维高强混凝土干接缝剪切性能试验研究

节段预制匹配梁混凝土干接缝键齿受力后易沿键齿根部产生斜裂缝,并发生沿键齿根部脱落的脆性破坏,在混凝土中掺加纤维可改善干接缝剪力键受力性能。考虑纤维长度、纤维形状、纤维种类及纤维体积率4种影响因素,制作了4组9对干接缝剪力键试件进行直剪试验,得到了以上4个因素对纤维高强混凝土干接缝剪切行为和抗剪强度的影响规律。结果表明：与未掺加纤维的高强混凝土相比,纤维高强混凝土干接缝的开裂剪应力、极限剪应力和延性均有所提高,开裂剪应力平均提高了48.1%,极限剪应力提高了26.0%,延性指标提高了24.4%;在一定范围内,纤维高强混凝土干接缝的极限剪应力随着纤维长度的增长和纤维体积率的增大而增大;纤维混凝土可以增强干接缝的极限剪应力,端钩型纤维对干接缝极限剪应力提升的效果明显大于波浪型和平直型;同时,归纳了既有干接缝承载力计算公式,利用既有试验数据对不同公式的承载力计算值进行了对比分析,发现各公式对试件承载力的预测值与侧向预压应力有关,其中Rombach公式计算值与试验值吻合最好,但离散度较大。试验结果可为今后纤维高强混凝土干接缝剪切行为和抗剪强度的研究提供数据支持。