锈蚀钢筋混凝土压弯构件性能退化试验研究

采用人工气候环境加速锈蚀方法,研究了不同偏心距的锈蚀钢筋混凝土压弯构件破坏形态、延性、承载力及其结构性能退化机理,并针对不同锈蚀程度的大、小偏压构件的荷载-挠度关系、荷载-纵向压缩变形及偏压构件的承载能力进行了相应分析.结果表明:钢筋锈蚀会引起钢筋力学性能下降、混凝土保护层锈胀开裂、黏结锚固性能退化及箍筋的锈蚀程度比纵筋严重等,从而导致压弯构件的破坏形态发生变化;受拉钢筋达到屈服后,受压区混凝土很快达到极限压应变,锈蚀构件的延性性能明显降低,脆性性能则明显增加.在试验结果分析基础上,建立了与纵向锈胀裂缝宽度相关的锈蚀压弯构件侧向挠度、开裂荷载及极限荷载的预计模型,为老化混凝土结构检测加固设计时提供应用参考.     

高温下FRP加固钢筋混凝土板非线性分析

为了给FRP加固钢筋混凝土板的耐火性能研究提供数值计算方法,实现FRP加固板高温下的热-力学耦合分析,在合理选取混凝土、钢筋及FRP材料力学性能参数的基础上,编制了FRP加固板高温下的非线性有限元分析程序,程序的有效性得到了已有试验结果的验证.基于程序对薄涂型防火涂料厚度、载荷比、混凝土板纵筋配筋率、FRP加固量、混凝土板厚及钢筋保护层厚度等对影响加固板跨中位移的相关参数进行计算分析.结果表明:防火涂料厚度、火灾载荷比以及FRP加固量对加固板耐火性能有显著影响;混凝土板厚及钢筋保护层厚度也对火灾下的加固板挠度产生影响;而跨中挠度随混凝土板纵筋配筋率的变化不明显.     

CFRP板加固混凝土梁试验与设计理论

为研究CFRP板宽度和受拉钢筋配筋率等因素对CFRP板加固混凝土梁受力性能的影响.进行了4根梁的单调静力试验.研究表明:加固梁的破坏模式均为CFRP板剥离破坏;随着CFRP板宽的增加,加固梁的开裂荷载有所提高,但屈服荷载和极限荷载并不一定提高;受拉钢筋配筋率越低,加固梁受弯承载力的提高程度越明显.基于国内外相关试验结果,建议CFRP板剥离应变值取为其极限拉应变的0.6倍.此外,提出了CFRP板加固混凝土梁受弯承载力、裂缝宽度和挠度的设计计算方法,计算值与试验结果吻合较好.     

竹筋混凝土板的初步研究

用竹筋混凝土建造楼板在我国已有四十多年历史。过去建造这种楼板未经过计算,竹筋也未经过防水、防腐及防虫处理。竹筋和混凝土间的粘着力很低,因此在建筑工程中推广应用便受到了限制。鉴于竹材的抗拉强度很高,容易加工,在我国产量丰富,价格低廉,许多机关都开始了竹结构和竹筋混凝土的研究。自1955年10月起,哈尔滨工业大学在苏联专家科学技术博士M.E.卡冈(M.E)教授的指导下开始了竹筋混凝土板的研究。这些研究包括了竹筋的防水问题和竹筋混凝土板工作的理论及试验分析。未经防水处理的竹筋放置在混凝土内,由于竹筋吸水膨胀,使混凝土表面出现裂缝。为验算放置板内的竹筋因吸水而引起纵向裂缝,拟定了近似计算公式:不考虑竹筋及混凝土的共同工作时,(ε_w E_(α90)+ε_y E_(бp))[1+3.5((1/2)-(a/h))](d/n)(?)R_p;考虑竹筋及混凝土的共同工作时,(ε_w E_(α90)+ε_y E_(бp))/(1+(E_(α90)d)/(E_(бp)h))[1+3.5((1/2)-(a/h))](d/h)(?)R_p.式中ε_w——竹筋的横向单位压缩,其值等于竹的切向线胀系数;E_(α90)——竹的切向横纹抗压弹性模数;ε_y——混凝土的收缩;E_(бp)及R_p——混凝土抗拉弹性模数及混凝土的抗拉强度极限;3.5——混凝土受弯工作时的修正系数;c 及d——竹筋的宽度及厚度;h——板的厚度;α——竹筋截面中心至板底的距离(参看图1)。以上两式中考虑了竹筋的偏心位置的影响,但未考虑空间应力状态和沿竹筋厚度不均匀线胀系数的影响。减小未经防水处理竹筋的截面尺寸可以消除板内裂缝。试验确定,采用竹筋截面尺寸小于10×5MM 以下时板内不出现由竹筋膨胀而引起的裂缝。保护层厚度在2.5—3.5CM 间变化对裂缝没有显著影响。测定了涂刷酚醛防水胶(3胶)、热沥青及酚醛防水漆(天津永明厂出品)的竹筋试件的吸水性。试验说明,竹筋表面复盖各种涂料时其吸水速度均将变慢。涂3胶的竹筋吸水百分率最低,而涂热沥青的最高(参看图5)。涂刷3胶的竹筋试件浸水三天后,其吸水百分率较未涂刷者低27.7倍;而同样涂刷永明漆和热沥青的竹筋试件的吸水百分率则相应低8.6及6.6倍。共进行了19块竹筋混凝土板的静载荷试验。这些板曾按允许应力计算法、按破坏阶段计算法(强度总安全系数为K=3、K=4及K=5)、按裂缝开展计算法和按粘着力计算法进行计算。试验时计算荷载系根据按破坏阶段计算法K=5计算而得。试验结果如下(当混凝土标号为110号时):用小截面竹筋(截面尺寸小于12×7MM)配筋的板具有较好的工作。这种板在试验时由于竹筋表面积较大,竹筋和混凝土间有足够的粘着力。这种板的破坏原因是竹筋的断裂。试验证明,这种板的实际破坏荷载超过了计算破坏荷载,因此在保证板的刚度及裂缝开展的条件下还有可能将安全系数K=5略为降低。用大(?)面竹筋(试验时采用截面尺寸大于15×7MM 者)配筋时必须复盖涂料进行防水处理。这种板在试验时横向裂缝出现较早,裂缝开展较大且分布较稀。和用小截面竹筋配筋的板相比较,在设计使用荷载时其挠度值较大。由于竹筋和混凝土间的粘着力较低,在计算破坏荷载前竹筋已在板内滑动,而没有断裂。这种板的实际破坏荷载较设计使用荷载仅大2—3倍,所以在这种情形下不可能充分利用板的承载能力。试验说明,用大截面竹筋配筋的板应特意地计算竹筋和混凝土间的粘着力,这在钢筋混凝土结构中一般是不须计算的。粘着力计算的实质如下:由竹筋所承受的从混凝土中拔出的力T=ω~τсцm Sl/2;竹筋沿混凝土的滑移力T'=τ_α(bl/4)=Ql/4z;保证竹筋和混凝土间粘着力的条件为T'(?)T.式中τ_(сц)——竹筋和混凝土间的粘着力强度;ω——沿竹筋长度粘着力图形的完整系数;m——竹筋根数;S——竹筋截面的周界;Q——板中切力;τ_α=Q/bz——支座处板中的切应力;b 及l——竹筋混凝土板的宽度及跨度。计算粘着力时采取了ω=0.5及清华大学工程结构教研组研究的数据τ_(сц)=3.4 кг/см~2。所进行的试验证明了试验研究结果和理论分析结果相符。由于从低的竹筋和混凝土间粘着力所设计的板不能充分利用其承载能力,对用大截面竹筋配筋的竹筋混凝土板必须研究增进竹筋和混凝土间粘着力的措施。同济大学圬工教研组所建议的按裂缝开展计算理论假设φ=1及裂缝间距为常数,不能反映竹筋混凝土板的真实工作,因为对用小截面竹筋配筋的板按此理论计算得出过高的强度储备,而对用大截面竹筋配筋的板,又没有考虑到对这种板起很大作用的竹筋和混凝土共同工作的情况。按极限状态计算法是竹筋混凝土板计算理论发展的主要方向,制定此计算法必须一系列数据:板的持久强度系数、计算裂缝开展时所采用的修正系数φ、竹筋和混凝土间的粘着力强度等。此外还必须进行竹筋混凝土板的耐火性及耐久性的研究。为加速在建筑工程中推广竹筋混凝土,所有这些问题都要系统地进行研究。     

BCCP内水压承载能力原型试验

为了研究钢筋缠绕钢筒混凝土压力管（BCCP）在内水压作用下的承载破坏特征,设计了三个不同管径的BCCP内水压现场原型试验.在管径1 800 mm BCCP的钢筒、钢筋和混凝土保护层上布置环向应变片,逐级施加内水压至2.5 MPa,得到了各部位在内水压作用下的受力变化规律.主要结论如下:BCCP从生产时施加预应力到承受内水压至最终破坏的受力过程可分为5个阶段.1）管芯受预应力钢筋环向作用力阶段.缠筋后,钢筒与混凝土形成的管芯受到一个初始预压应力;2）保护层开裂前整管承受内水压弹性阶段.对应于试验中内水压小于1.5 MPa的阶段,管芯依然受压,而预应力钢筋和外混凝土保护层受拉;3）保护层开裂,管芯承受内水压弹性阶段.试验中当内水压达到1.6 MPa后,保护层开始达到抗拉强度开裂,混凝土管芯也从初始的受压慢慢转变为受拉,依然处于弹性状态;4）管芯开裂,钢筒和钢筋受拉弹性阶段.当内水压达到2.2 MPa后,管芯径向开裂,但是钢筒和钢筋的应力随内水压依然稳步增长;5）管道破坏阶段.钢筒和预应力钢筋达到最终屈服强度,整管丧失承载能力.研究成果可为BCCP在输调水工程中的推广使用以及相关标准的制定提供依据.     

冷轧带肋钢筋焊接网混凝土板抗弯性能试验

为研究冷轧带肋钢筋焊接网混凝土板的抗弯性能,通过拉伸试验,获得了CRB600H与CRB550冷轧带肋钢筋的力学性能指标;进行了32块冷轧带肋钢筋焊接网混凝土板的受弯性能试验,测定了试验板的开裂弯矩、裂缝分布情况、变形发展规律和正截面承载力.研究结果表明:焊点未对CRB600H与CRB550冷轧带肋钢筋的力学性能产生影响;横向钢筋对试验板的开裂弯矩、裂缝间距和裂缝宽度无明显影响.建立了这类板的短期刚度计算公式,与普通混凝土板相比,这类板的抗弯刚度高约10%.根据配置CRB600H和CRB550钢筋网试验板的破坏模式,提出了这两种板正截面承载力的计算方法.     

FRP混凝土板的非线性分析研究

由于钢筋的抗腐蚀性能较差,在自然环境或使用环境较恶劣的条件下,钢筋混凝土结构常因为钢筋的锈蚀而导致结构的强度失效和破坏。随着技术的发展,生产发明了抗腐蚀性能非常好的FRP筋,且用FRP筋作为混凝土结构加强筋的应用和研究,越来越引起土木工程界和学术界的重视。本研究构造一个无剪力自锁的四边形层叠板单元,以进行中厚度FRP混凝土板的非线性分析研究。Timoshenko梁函数用来构造单元的弯曲形函数。单元模型中考虑FRP筋的脆断行为,混凝土材料的非线性行为包括拉伸、压缩、开裂和拉伸强化等行为及结构几何非线性行为。运用该四边形层叠板单元,对典型的FRP混凝土板进行了非线性分析研究。将数值分析结果和实际实验室试验结果进行了比较,以验证该非线性分析的有效和正确性。     

再生混凝土四边简支板受力性能试验

目的 研究再生混凝土板的力学性能,提出再生混凝土板计算公式的修正系数.方法 对4组截面尺寸及配筋率相同.再生粗骨料取代率分别为0、5%、10%、15%的混凝土板做集中荷载性能试验,并对试验数据进行分析,拟合荷载-板跨中挠度曲线.结果 得出不同再生粗骨料取代率的混凝土板的荷载-跨中挠度曲线,及混凝土板荷载-跨中挠度拟合曲线.分析再生骨料取代率与板极限承载力的关系.试验发现,随着再生骨料取代率的增加,混凝土板的开裂荷载、极限荷载降低,且极限荷载降低幅度大于开裂荷载;通过对再生混凝土板的挠度计算,得出再生混凝土板挠度在乘以修正系数1.4后,仍可以套用基准混凝土挠度公式计算.结论 为再生混凝土的广泛应用提供科学依据.     

高强混凝土矩形截面纯扭构件构造配筋的研究

在钢筋混凝土和高强混凝土纯扭构件中,如果配筋量过少,混凝土－开裂立即卸载给钢筋,使钢筋屈服而且进入强化阶段,产生少筋破坏。少筋破坏是一种脆性破坏,在工程结构中发生时将有一定的危险性,因此,在结构设计中,对构件应配置最低的必要的构造钢筋,以防止这种少筋破坏的发生。为此,本课题通过试验研究,对高强混凝土纯扭构件的构造配筋,提出了具体的确定方法,供有关设计作参考。     

钢-超高性能混凝土组合板横向受弯静力试验及有限元模拟

为了研究钢-超高性能混凝土（UHPC）组合板的受弯性能,开展8块该类组合板的受弯试验,分析正、负弯矩作用下的受弯破坏开展全过程.在正弯矩作用下,组合板受弯破坏经历了线弹性阶段、裂缝开展阶段和屈服阶段,结构刚度两次衰减的拐点分别是界面滑移与钢板屈服,结构破坏时加载点附近UHPC局部压碎且剪弯段及端部界面出现脱空现象;在负弯矩作用下,UHPC层出现横向裂缝导致结构刚度第一次下降,随着裂缝的发展,截面内力重分布使得钢筋应力持续增大直至屈服,最终主裂缝宽度过大导致结构刚度严重衰减,组合板因UHPC层受拉断裂而破坏.采用有限元软件ABAQUS,建立非线性有限元模型.模型中考虑界面接触、材料非线性、混凝土损伤塑性模型等,模拟试验全过程.在与试验结果进行对比分析的基础上,分析影响钢-UHPC组合板抗弯性能的主要因素,包括界面黏结方式、纵筋配筋率、栓钉数及布置,研究这些因素对组合板抗弯极限承载力、结构刚度、跨中挠度等力学性能的影响.     

改性竹筋混凝土受弯构件力学性能试验研究

针对竹筋混凝土结构存在的问题,提出了多种对竹筋的改性方法。在此基础上,对12根采用不同配筋和不同改性方法的受弯构件(11根竹筋混凝土梁和1根钢筋混凝土梁)进行了试验研究,分析了不同改性方法和不同配筋率竹筋混凝土受弯构件的力学性能、破坏形态及其影响因素。研究结果表明：竹筋能有效提高混凝土受弯构件的承载能力;经过适当方法改性后的竹筋能确保竹筋和混凝土之间的有效粘结,其正截面强度计算可以采用平截面假定;竹筋混凝土受弯构件的破坏均为脆性破坏,其破坏形态与其截面配筋率有关。     

竹筋CFRP箍筋混凝土短柱受压性能的有限元分析

为倡导绿色建筑,制成了用竹条做骨架、碳纤维做箍筋的一种经济环保的混凝土柱．针对该混凝土柱的轴心受压力学性能和延性,采用ANSYS非线性有限元软件对其进行了模拟分析．通过软件分析表明：竹筋CFRP箍筋混凝土柱的承载力和延性均高于普通混凝土柱,CFRP箍筋提高了竹筋混凝土裂化后的承载能力;与钢筋混凝土柱相比,箍筋间距相同时配筋率为3％的竹筋CFRP箍筋混凝土柱的承载力和延性分别是配筋率为2％的钢筋混凝土柱的l.03倍和1．02倍,是配筋率为3％的钢筋混凝土柱的0．93倍和0．89倍;在适筋范围内竹筋CFRP箍筋混凝土柱的抗压性能随箍筋间距的增大而降低．     

毛竹杆纯弯构件受力性能试验研究

为研究毛竹杆的受弯性能,先对取自10根毛竹的40组竹条标准材性件进行抗弯试验,得到其破坏模式和抗弯强度;再对直径为90、120 mm,跨距为3 000、3 600 mm的24根毛竹杆进行弯曲试验,研究其荷载—位移曲线、初始抗弯刚度、极限承载力、挠度、破坏模式等相关力学性能;理论推导毛竹梁破坏受压区高度及受拉区边缘应力。结果表明：毛竹梁跨距变化对挠度的影响大于直径变化对挠度的影响,毛竹梁直径越大、跨距越小,初始抗弯刚度越大;根据试验数据,按弹性理论计算出毛竹杆受弯破坏时的受压区高度在3R/2处,在小挠度条件下,毛竹梁受弯符合平截面假定,大挠度条件下,截面受压区高度上移,计算出的破坏边缘拉应力与平截面假定计算的结果不一致,建议毛竹梁受弯破坏弯矩按上边缘顺纹抗压强度达到最大进行计算。     

波纹钢腹板组合箱梁常幅疲劳性能试验研究

波纹钢腹板组合箱梁结构以波纹钢腹板代替传统的混凝土腹板,实现了主梁的轻型化。针对波纹钢腹板组合箱梁的破坏机理,研究了2根波纹钢腹板组合箱梁的静力和疲劳性能。记录了试验中裂纹萌生、扩展的全过程,分析了试件破坏模式、承载力、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线,并通过材料力学公式对100 kN时梁挠度进行计算。结果表明：箱梁破坏时纵向裂纹萌生于混凝土底板,纵向贯通拉裂后,波纹钢腹板与底板之间产生纵向滑移,混凝土销剪切错动破坏。实际工程中应对混凝土底板进行FRP加固或设置预应力筋减缓裂纹萌生以及扩展;箱梁具有很好的疲劳耐久性,疲劳试验中裂纹扩展缓慢,当P_max为静力试验承载力的50 %时,疲劳寿命超过6×10⁶周次;箱梁受力符合拟平截面假定,混凝土顶底板主要承受弯矩,波纹钢腹板主要承受剪力。挠度计算结果略小于试验值,属于偏安全计算,误差原因主要是未考虑波纹钢腹板剪切变形对梁挠度影响。     

高性能混凝土简支梁正截面的抗弯疲劳性能

通过10根三分点加载方式下的简支梁抗弯静力和疲劳试验,研究了不同混凝土强度等级、不同钢筋类型和不同荷载水平对高性能混凝土梁正截面疲劳性能的影响。通过分析梁跨中挠度、压区混凝土应变和拉区钢筋应变以及梁裂缝的发展规律,考察了高性能混凝土梁在弯曲重复荷载作用下的疲劳损伤过程。结合高性能混凝土和钢筋的材料疲劳损伤分析,提出了高性能混凝土梁疲劳寿命方程和疲劳后梁挠度的计算公式,并将理论计算的疲劳寿命、挠度与试验结果进行了比较,最后对比分析了高性能混凝土梁与普通混凝土梁抗弯疲劳性能的差异。     

蒙皮钢筋在高强钢筋混凝土受弯构件中的应用

为了研究配置500 MPa钢筋的混凝土梁的受弯性能,对4根矩形截面混凝土梁进行了受弯破坏试验.考虑到应用500 MPa钢筋作为受力主筋,可能会导致构件在高应力状态下出现过宽裂缝而不能满足结构适用性和耐久性的要求,试验设计了两组配有蒙皮钢筋的梁进行受弯承载力、变形及裂缝宽度的对比研究.试验结果表明,蒙皮钢筋的配置能够有效地减小受弯构件的整体变形,限制裂缝的开展宽度,使得梁在正常使用阶段能够满足裂缝宽度限值要求,可作为控制构件裂缝宽度的一种新型配筋方式.     

仿竹设计在高耸薄壁脱硫塔结构中的应用

为提高钢制脱硫塔结构的稳定性,从结构特征与受力性能关系角度阐明了竹子结构抗倒塌机制,并将其应用于钢制脱硫塔结构的仿竹设计,通过缩尺模型振动台试验,考察了仿竹型脱硫塔的抗震性能.根据刚度渐变的原则,提出脱硫塔截面的分段变壁厚设计方法,使仿竹型脱硫塔与竹身截面刚度变化趋势一致;通过特征值屈曲分析方法对加劲肋的设置进行了探讨,加劲肋可明显改善结构屈曲模态,加劲肋间距以4 m作为基数较为合理.试验表明,仿竹型脱硫塔在7、8度地震作用下塔体的最大位移及应力均未超过规范最大允许值,结构处于弹性状态,未发生破坏;在9度地震作用下,塔体的最大应力超过工作温度下材料许用应力,同时塔体产生局部轻度弯曲,但仍未倒塌.     

不同保护措施下CFRP加固混凝土梁耐火性能试验

由于碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)在火灾中易燃烧,未采取防火保护措施的CFRP加固混凝土构件的耐火性能不能满足防火规范要求.为深入研究CFRP加固钢筋混凝土梁在不同防火保护措施下的耐火性能,在本课题组以往研究基础上,设计了9根相同截面和配筋的混凝土梁,采取不同加固方式和防火保护措施,通过ISO834标准火灾试验,详细分析了不同CFRP锚固方法(无锚固/机械锚固/U形箍锚固)、不同防火材料(超薄型防火涂料/厚型防火涂料/普通水泥砂浆)以及分区防火保护方法对CFRP加固钢筋混凝土梁温度场分布和高温变形的影响.结果表明:在本文试验条件下,相比于机械锚固,端部碳纤维U形箍锚固在试件挠度控制方面具有更好的效果;超薄型防火涂料与普通水泥砂浆配合使用的防火保护措施可行;采用20 mm普通水泥砂浆和2 mm超薄型防火涂料组合的防火效果好于20 mm厚型防火涂料保护的防火效果.