碳纤维增强复合材料筋混凝土梁非线性力学性能

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)筋混凝土梁的非线性力学性能,基于非线性理论推导了CFRP筋梁的有限元分析模型：对4个预应力CFRP筋混凝土梁进行了非线性全过程分析,考察了预应力CFRP筋、GFRP筋和普通钢筋的应力发展规律。与试验资料对比可知,计算结果与试验数据吻合良好,说明采用弥散裂缝模式、Owen屈服准则和Hinton压碎准则能较好地描述混凝土开裂、屈服和压碎特性,同时也说明了CFRP筋及其力学效应用组合单元模拟的有效性以及本文中研制程序的正确性。CFRP筋具有高强度性能,梁试件破坏时CFRP筋均未失效;与受拉区配筋为钢筋相比,GFRP筋在全过程中处于弹性阶段。     

几何非线性高性能复合材料筋混凝土梁Heterosis组合壳单元

对于高性能碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)筋混凝土梁,研究几何非线性组合壳单元模型,对预应力CFRP筋混凝土梁进行了全过程分析。引入Von Karman理论,推导了局部坐标系下Piola2Kirchhoff 应力矩阵和几何刚度矩阵;分别采用组合壳单元和分层壳单元模拟预应力CFRP 筋和玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)筋,并推导了CFRP筋对组合壳单元刚度矩阵的贡献,同时采用Heterosis选择积分技术以避免剪切锁定和零能量模式,研制了相应的非线性计算程序。计算结果与试验数据对比可知,挠度发展规律和预应力CFRP筋应变发展规律均吻合良好,说明了研究单元的有效性及研制程序的正确性;CFRP筋具有高强度性能,梁试件破坏时CFRP筋均未失效;利用预应力CFRP筋应变重分布系数研究了梁的刚度退化规律,表明采用GFRP筋代替普通钢筋在加载后期会使梁的刚度退化减小。      

预应力高性能混杂纤维增强布加固HPC梁的DNLC单元研究

对于不同混杂配比的预应力高性能混杂纤维增强(HFRP)布,建立高性能HFRP布加固高性能混凝土(HPC)梁的双重非线性分层组合(DNLC)单元模型。根据实体退化单元理论,采用初应力等参层单元对高性能HFRP布的体外预应力效应进行模拟,同时正确地考虑HPC梁的材料非线性效应以及结构的几何非线性,验证DNLC单元分析模型的正确性,并对HPC梁的开裂荷载、普通钢筋应力、高性能HFRP布应力重分布等进行研究。结合试验资料分析表明,预应力碳/玻璃纤维混杂(CFRP/GFRP)布加固HPC梁的理论结果与试验数据吻合程度良好,采用等参层单元有效地模拟高性能HFRP布的预应力作用,及所推导的DNLC单元正确性。预应力GFRP纤维布加固的开裂荷载等均较低,预应力CFRP纤维布加固的开裂荷载等有所提高,但剩余强度过大。HPC梁开裂荷载前预应力高性能HFRP布应力发展缓慢,屈服荷载后,其发展迅速直至结构失效。     

CFRP筋增强ECC梁弯曲性能试验研究

为研究碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)筋/超高韧性纤维增强水泥基复合材料(Engineered cementitious composite,ECC)梁的抗弯性能,对3根CFRP筋/ECC梁、1根玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)筋/梁和1根CFRP筋混凝土梁进行了四点弯曲试验,分析了配筋率、纤维增强树脂复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)筋类型和基体类型对梁抗弯性能的影响。试验结果表明:CFRP筋/ECC梁与GFRP筋/ECC梁和CFRP筋混凝土梁类似,均经历了弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段;配筋率对CFRP筋/ECC梁的受弯性能影响较大。随着配筋率的增加,CFRP筋/ECC梁的承载能力不断提高,延性性能逐渐减弱;ECC材料优异的应变硬化能力和受压延性,使得CFRP筋/ECC梁的极限承载能力和变形能力均优于CFRP筋混凝土梁;由于ECC材料多裂缝开裂能力,CFRP筋/ECC梁开裂后,纵筋表面应变分布比CFRP筋混凝土梁更均匀; 由于聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)纤维的桥联作用,CFRP筋/ECC梁破坏时,其表面出现了大量的细密裂缝,且能保持较好的完整性和自复位能力;正常使用阶段,CFRP筋/ECC梁的最大弯曲裂缝宽度均小于CFRP筋混凝土梁。最后,根据试验结果,建立了基于等效应力图的CFRP筋/ECC梁弯曲承载力简化计算模型,确定模型中的相关系数。由简化模型计算的极限承载力与试验结果具有较好的相关性。      

基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析

为系统研究带边框组合柱剪力墙组合结构的抗震性能,基于分层壳单元与非线性纤维梁单元,在ABAQUS软件中进行用户材料模型子程序二次开发。用分层壳单元模拟剪力墙,纤维梁单元模拟外围组合框架,分别对钢管混凝土组合框架、带钢管混凝土边框柱及型钢混凝土边框柱的组合剪力墙进行低周往复加载试验数值模拟。计算、试验结果总体吻合较好。在此基础上,对比分析该类组合剪力墙滞回性能、受力特征及破坏特征,数值模拟获得墙板在典型时刻的裂缝分布等与实测结果接近。研究表明,采用分层壳单元与纤维梁单元能较准确、有效模拟带边框柱组合剪力墙体系的滞回性能,亦能较好描述剪力墙裂缝发展情况。该方法可为实现高层建筑钢与混凝土混合结构体系抗震性能有效、准确的数值模拟分析提供参考。     

高性能碳-玻璃纤维布加固混凝土梁的非线性响应

针对高性能碳-玻璃-环氧树脂(CF-GF-EP)混杂纤维布加固钢筋混凝土(RC)梁,研究了一种三维非线性混杂组合单元,并推导了统一单元模式,对RC梁的刚度退化、应力重分布等进行了分析。首先根据实体退化单元理论,研究了组合单元模拟RC梁,并利用选择积分技术推求了高性能CF-GF-EP纤维布单元对混杂组合单元刚度矩阵的贡献。运用Jiang屈服准则、Hinton压碎准则和Madrid强化准则等描述混凝土材料非线性,研制了相应的三维非线性分析程序。与试验资料对比分析可知,计算结果与试验数据吻合良好,表明本文构造的非线性单元模式的正确性和研制程序的可靠性,推导的混杂组合单元能准确用于混杂CF-GF-EP纤维布加固RC梁的非线性响应分析。加载初期高性能CF-GF-EP纤维布加固梁未有明显的刚度折减,其后达到屈服荷载和极限荷载时,加固梁刚度折减系数分别约为0.6和0.9。在开裂荷载前,高性能CF-GF-EP纤维布应力发展较为平缓且应力重分布系数变化较小,其后应力重分布系数逐渐增大直至结构失效。     

GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的配筋率试验研究

破坏模式是GFRP/钢绞线复合筋(GFRP:Glass Fiber Reinforced Polymer,纤维增强塑料)混凝土梁力学性能的影响因素之一,而破坏模式主要由GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的配筋率决定。鉴于配筋率对GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁力学性能的重要作用,该文设计了16根GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁试件。试验变量为混凝土强度等级和GFRP/钢绞线复合筋的配筋率。通过对混凝土梁试件进行三分点静载试验,系统研究GFRP/钢绞线复合筋配筋率和混凝土强度等级对GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的破坏形式、抗裂承载力、正截面极限承载力、裂缝间距、裂缝宽度、裂缝深度、挠度等的影响。试验数据可为GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁安全配筋率计算方法的确定提供参考和理论依据。     

基于混合单元法的预应力混凝土梁非线性分析

利用共旋坐标法提出了一种预应力钢筋混凝土梁非线性分析的混合单元模型,在随转坐标系内,采用分层梁单元来模拟混凝土结构,带初应变的杆单元来模拟预应力钢筋,预应力钢筋杆元和混凝土梁元的变形协调则通过非线性刚臂来实现,通过刚臂单元两端节点位移和力的关系形成预应力钢筋对混合单元刚度矩阵的贡献,从而导出随转坐标系下预应力混凝土梁考虑材料非线性的切线刚度矩阵,几何非线性则由单元随转坐标系到结构坐标系的转换矩阵及其微分来体现,从而获得结构坐标系下混合单元模型的几何与材料双非线性切线刚度矩阵。数个钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土梁非线性分析算例表明:所提出的混合单元模型能较好地分析预应力钢筋混凝土梁非线性性能,具有一定的实用价值。     

基于ABAQUS的表面内嵌CFRP筋粘结滑移性能数值模拟分析

利用ABAQUS有限元软件,对混凝土、CFRP筋或板条以及粘结剂分别采用不同的单元类型,特别是运用Spring2非线性弹簧单元来模拟表面内嵌CFRP筋或板条混凝土的粘结作用,同时考虑材料各自的本构关系,对表面内嵌CFRP筋混凝土拉拔试件和内嵌CFRP板条加固混凝土梁试件进行有限元模拟,将模拟结果与已有试验结果进行对比验证。结果表明,利用数值模拟的方法可以得到较为准确的拉拔试件的极限值,也可以较为正确地模拟加固梁的受力过程。在验证模拟结果正确的基础上,进一步分析了拉拔试件CFRP筋应力、滑移、粘结应力随不同位置的变化规律以及加固梁CFRP板条粘结区域内应变和粘结应力的分布情况。研究结果表明,对于拉拔试件,不同荷载等级作用下,CFRP筋在粘结区域内不同位置处的应力呈非线性变化,而粘结应力峰值出现在距加载点20mm~40mm位置处,其随位置的变化曲线呈偏态曲线特点。对于表面内嵌CFRP板条加固梁,粘结区域内CFRP应变和粘结应力在梁屈服后激增,且呈非线性变化。     

基于退化理论的空间梁单元有限元分析

从双线性退化板壳单元出发,演绎推导出了一种可以应用于空间有限元分析的退化梁单元。退化梁单元采用基本的平截面假设,并用轴线节点位移来表示梁单元的三维位移场。在进行单元有限元列式时,仍然沿用三维结构的几何方程和物理方程。在退化梁单元的理论基础上编制了有限元计算程序,通过对几个算例的分析,证明了这种基于退化理论的空间梁单元的精确、高效和通用,这种单元也可以广泛应用于大型结构空间双重非线性有限元分析。     

玻璃纤维增强复合材料筋肋参数优化试验研究

利用拉拔试验对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)带肋筋与混凝土的粘结性能进行试验研究,并对筋的肋参数进行优化。自行设计了 30种不同肋参数的GFRP带肋筋,试验变量包括筋直径、肋高度和肋间距。在此基础上,制作了90个标准拉拔试件,分别测试了 GFRP带肋筋的粘结强度和加载端滑移,得到了相应的粘结-滑移曲线;根据肋参数的优化准则对各种GFRP带肋筋的粘结-滑移曲线进行分析,确定GFRP带肋筋的最佳肋参数。试验结果表明:肋参数对GFRP带肋筋与混凝土的粘结性能影响显著;GFRP带肋筋的最佳肋间距为筋直径的1倍,最佳肋高度为筋直径的6 %,即最佳肋高度与最佳肋间距的比值为0.06。      

An exploratory study of GFRP rebar with ribs containing milled glass fibers

Surface deformations of GFRP rebars are important in developing mechanical anchorage. The mixture of epoxy resin and milled glass fibers is considered as an alternative for surface structure of GFRP rebar to enhance the bond with the concrete. In order to investigate the applicability of the surface structure, manufacturing, material tests, pullout tests and shear tests were conducted. The mixture was successfully applied and shaped onto the GFRP rebars when the milled fibers were mixed to be within 20–50 wt% of the mixture. The bond performance was enhanced by adding as much milled glass fibers as possible but up to a workable range. When the milled glass fiber content was 50%, the upper limit of mix ratio, bond strength to concrete was only 10% less than that of the ordinary steel rebar. In addition, under an accelerated alkalinity condition, the amounts of mixed milled glass fibers in surface deformations have a minor effect on the durability of the proposed GFRP rebar.     

Experimental study of bond behaviour between concrete and FRP bars using a pull-out test

This paper presents the results of an experimental programme concerning 88 concrete pull-out specimens prepared according to ACI 440.3R-04 and CSA S806-02 standards. Rebars (reinforcing bars) made of carbon-fibre and glass-fibre reinforced polymer (CFRP and GFRP), as well as steel rebars, with a constant embedment length of five times the rebar diameter were used. The influence of the rebar surface, rebar diameter and concrete strength on the bond–slip curves obtained is analysed. In addition, analytical models suggested in the literature are used to describe the ascending branch of the bond–slip curves. To calibrate the analytical models, new equations that account for the dependence on rebar diameter are presented.     

混杂型高模量高韧性复合材料加强筋

针对现有复合材料加强筋存在的弹性模量低、断裂延伸率小、成本高等问题, 以成本低廉的钢纤维作为主要增强材料, 建立了一种新型混杂型复合材料加强筋的理论模型。分别制备了玻璃纤维复合材料加强筋和新型混杂型复合材料加强筋试样, 测试并分析了其单轴拉伸行为, 并进行了加速腐蚀试验。结果表明: 这种新型混杂型复合材料加强筋的弹性模量达142 GPa , 与玻璃纤维复合材料加强筋相比, 具有耐腐蚀、韧性好、成本低的特点。     

粘砂变形GFRP筋的粘结滑移本构关系

基于18个梁式试验、42个Losberg拉拔试验和6个标准拉拔试验,对工程中应用最普遍的粘砂变形GFRP筋与混凝土之间的粘结滑移本构关系进行了较系统的研究。研究表明:GFRP筋试件的粘结应力-滑移曲线(τ-S曲线)可分为微滑移段、滑移段、下降段和残余段,区分这四段的三个特征点分别为弹性滑移点、峰值滑移点和残余滑移点;与变形钢筋不同,GFRP筋试件τ-S曲线的上升段可分为滑移量较小的微滑移段和滑移量明显增大的滑移段,下降段的粘结应力降幅较小,残余段近似呈正弦曲线;随着直径和粘结长度的增加,GFRP筋试件τ-S曲线上峰值滑移点的滑移量减小,3个特征点的粘结应力也呈降低趋势。基于试验结果,建立了粘砂变形GFRP筋与混凝土之间粘结滑移本构关系的理论模型,并提出了曲线上特征点的粘结应力及其滑移量的计算公式。