核心混凝土缺陷对钢管混凝土构件徐变影响规律及预测模型研究

为了合理地预测含有缺陷的钢管混凝土构件徐变变化规律,进行了四种缺陷工况下钢管混凝土徐变试验,分析了国内外不同徐变预测模型对钢管混凝土缺陷构件的适用性.研究结果表明:受压过程中,空洞缺陷周围混凝土微裂缝不断产生与扩张,造成混凝土错位滑移,增大了钢管混凝土的附加变形;脱粘缺陷阻碍了钢管与核心混凝土之间的应力重分布作用,削弱了钢管与混凝土的相互作用效果,增大了核心混凝土的徐变变形;无缺陷及空洞缺陷时,ACI209模型计算所得理论值与钢管混凝土徐变实测值最为接近;脱粘缺陷时,B3模型计算所得理论值与钢管混凝土徐变实测值最为接近;针对不同的缺陷类型,提出了修正模型,大大提高了钢管混凝土缺陷构件的徐变预测精度.     

高强钢管高强混凝土徐变特性试验研究

高强钢管高强混凝土的应用越来越广泛,但目前对于其徐变特性的试验研究较少。该文对15根不同含钢率的高强钢管高强混凝土轴压短柱进行了365 d的收缩和徐变测试,并将试验结果与常用的徐变预测模型MC90、ACI209和MC2010等进行了对比。试验结果表明:高强钢管高强混凝土的徐变系数远小于素混凝土,当加载365 d后,素混凝土的徐变系数是高强钢管高强混凝土的2倍以上;含钢率对钢管混凝土试件的徐变有一定影响,徐变系数随着含钢率的增大而减小。在对比的3种常用徐变预测模型中,MC2010模型的徐变预测结果与试验结果吻合最好,可推荐用于高强钢管高强混凝土的收缩和徐变效应计算。此外,还将高强钢管高强混凝土与普通钢管混凝土的徐变试验结果进行了对比,结果表明,钢管混凝土的徐变随着核心混凝抗压强度的增加而减小。研究成果可为高强钢管高强混凝土轴心受压构件在正常使用阶段的徐变预测及徐变变形控制提供依据。     

带圆弓形脱空缺陷的钢管混凝土构件在压弯扭复合受力作用下的滞回性能试验研究

为研究圆弓形脱空缺陷对钢管混凝土试件在压弯扭复合受力作用下抗震性能的影响,进行了16个钢管混凝土试件（包括8个带脱空缺陷试件、6个无脱空试件和2个空钢管对比试件）在恒定轴压力和反复弯扭耦合荷载作用下的滞回试验,主要试验参数为:脱空率、轴压比和弯扭比。基于试验结果,考察了脱空缺陷对钢管混凝土压弯扭试件破坏模态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能能力和应变发展等的影响,结果表明:圆弓形脱空缺陷对钢管混凝土试件滞回曲线的形状影响不大,但会导致其达到极限荷载后的强化段刚度有所降低。试件的承载力、刚度和耗能能力均随着脱空率的增大而有所降低。变化轴压比对带缺陷试件的力学性能影响并不显著,而随着弯扭比的增大,脱空缺陷对试件极限承载力、刚度和耗能能力的影响有趋于显著的趋势,表明相较于受扭作用,脱空对钢管混凝土受弯性能的影响更为显著。     

钢管混凝土轴心受压构件的徐变预测模型及其徐变性能分析

为研究混凝土徐变对钢管混凝土轴心受压构件长期受力性能的影响,考虑构件截面内力重分布,建立了钢管混凝土轴心受压构件截面应力和应变以徐变系数为参数的随混凝土龄期变化关系的理论模型,结合已有试验数据和国内外常用12种混凝土徐变预测模型对该模型进行验证,并找到了适用于钢管混凝土轴心受压构件的徐变预测模型--Huo模型;在此基础上,计算并分析了钢管混凝土轴心受压构件混凝土龄期为10000 d的截面应力和应变;通过对混凝土强度等级、环境年平均相对湿度、初始加载龄期、含钢率、构件长度、截面应力水平等因素的不同取值,分析了各因素对钢管混凝土轴心受压构件徐变性能的影响程度及规律。结果表明:当钢管混凝土轴心受压构件的轴力不大于其极限承载力的60%时,随着加载龄期的增长,钢管截面应力逐渐增大,最大变化量达61.4%,而混凝土截面应力逐渐减小,最大变化量达26.2%;加载初期构件应变增长迅速,1000 d以后应变增长速度减慢,构件最终应变是初始应变的1.61倍;在轴压比相同的条件下,钢管混凝土轴心受压构件的徐变应变终值随着混凝土强度等级的提高而逐渐增大,随着含钢率的增大显著减小,随着初始加载龄期、环境年平均相对湿度、构件长度的增大而逐渐减小,轴压比不大于0.6时,其徐变应变终值随轴压比增长。研究成果可为钢管混凝土轴心受压构件在正常使用阶段徐变计算以及徐变变形控制提供依据。     

膨胀剂和钢管侧限对混凝土徐变应变的影响

为了研究不同膨胀剂质量分数和钢管侧限对混凝土徐变应变的影响,共进行了12组有、无钢管侧限的混凝土徐变试验。结果表明:加载龄期到480天的试验试件中,有钢管侧限的混凝土徐变应变约是无钢管侧限徐变应变的0.175~0.181倍,钢管侧限大大降低了混凝土的徐变应变。同时进行了三种不同质量分数膨胀剂(质量分数分别为4%、8%和12%)的混凝土徐变试验。结果表明:无论有、无钢管侧限的混凝土结构,膨胀剂质量分数对混凝土徐变应变的影响关系为:质量分数4%时,结构徐变应变均最大;质量分数为8%时,结构徐变应变次之;质量分数为12%时,结构徐变应变最小。通过钢管侧限对混凝土的套箍效应计算分析表明,在混凝土结构加载应力相同情况下,有钢管侧限的混凝土结构应力比小于无侧限的混凝土结构应力比;钢管侧限对混凝土的侧向约束增加,限制了混凝土纵向变形;随着应力比的减小,结构徐变变形减小。同时应用扫描电镜二次电子成像分析膨胀剂的作用机制得出:水泥浆中膨胀剂水化产生粗棒状、互相交叉的三硫型硫铝酸钙(AFt)结晶体,填充在原来被溶液占据的小孔里,使水泥石更密实。     

自密实混凝土拉压徐变比较试验研究

对32根梁式自密实混凝土试件进行三点弯曲持续加载,对测得梁体受拉区和受压区应变数据进行累加,得到自密实混凝土受拉徐变的发展特征曲线,并得到自密实混凝土梁拉压徐变比;研究了自密实混凝土养护龄期、水胶比和粉煤灰掺量对拉压徐变度比值的影响。通过试验结果的分析得到:无论是开放状态还是密封状态下,自密实混凝土拉伸徐变都略小于压缩徐变,除拉压基本徐变比随粉煤灰掺量的增大略微增加外,拉伸徐变与压缩徐变的比值随着养护龄期、水胶比和粉煤灰掺量的增大而减小;最后拟合得到拉压徐变比值的计算式,为工程应用提供一定的参考。     

高温后钢管混凝土短柱落锤动态冲击试验研究

采用落锤冲击实验机进行了高温作用后钢管混凝土短柱抗冲击性能试验研究,通过试验研究试件所经历的最高温度、升降温全过程中轴压力水平、冲击速度、冲击能量和含钢率等参数对高温后钢管混凝土抗冲击性能的影响。试验量测了钢管混凝土应变、冲击力和压缩变形时程曲线,试验结果表明,试件所经历的最高温度、冲击速度、冲击能量和含钢率均对高温作用后钢管混凝土的动态力学性能有显著的影响,而升降温全过程中轴压力水平的影响较小。试件的轴向和径向残余变形随着试件所经历的最高温度、冲击能量、轴压比的增大而增大,随着含钢率的增大而减小。高温后钢管混凝土在冲击作用下产生了较大的压缩变形,延性有所下降,但仍能够保持很好的完整性,说明钢管混凝土在高温作用后有良好的抗冲击能力。     

基于广义Kelvin链钢管混凝土徐变研究

混凝土徐变是混凝土材料本身固有的一个时变特性,是结构响应中一个重要组成部分,其计算方法通常是建立在单轴试验和理论基础上。为探讨钢管混凝土徐变特性,该文采用自制的压力自平衡混凝土徐变试验装置对混凝土圆柱和圆钢管混凝土柱进行了徐变试验,结果表明:钢管混凝土柱徐变变形要比普通混凝土柱的徐变变形小,在该文试验中两者相差接近50%,这可能是密闭钢管内核心混凝土无法与外界发生水分交换而不发生干燥收缩和干燥徐变以及钢管围压所致。根据粘弹性理论,引入多参数Kelvin链粘弹性元件模型,建立了求解单轴应力状态下混凝土徐变的Volterra型积分方程,模型参数近似表示为连续粘滞谱。通过离散时间变量t和分步积分,进一步得到了单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型。依据徐变叠加原理,考虑Poisson效应,进一步将单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型拓展到三轴应力状态,用于钢管混凝土徐变分析。对有限元商用软件Ansys进行二次开发,将反映三轴应力状态下混凝土徐变性能的本构方程引入Ansys提供的用户子程序Usermat中,并采用Fortran语言编程,从而实现了钢管混凝土徐变长期性能的有限元分析计算。将有限元数值解与试验结果进行对比分析,发现该文提出的模型是科学的和有效的。该文提出的方法将为混凝土徐变计算提供了另一条有效途径。     

冲击荷载下钢管混凝土柱模型力学性能试验研究

为研究冲击荷载下钢管混凝土柱（CFT）的力学性能，采用φ57mm轻气炮实验装置和技术，进行了8个钢管混凝土柱模型的冲击试验及模拟分析计算。测得了不同弹体冲击速度下试件表面的应变时程曲线，获取了试件破坏形态及残余变形，比较了不同弹体冲击速度、试件装夹部位、试件外包约束等因素的影响。结果表明，冲击荷载作用下试件残余变形、应变变化直接与弹体冲击速度有关；受弹体碰撞后，试件冲击端的残余变形最大；装夹部位设在试件中部更能真实的模拟试件受力的真实情况．外包碳纤维对试件的抗冲击性能有一定的改善，尤其是在横向变形较大的部位；钢管混凝土柱模型试件的应变量级很大，环境噪声影响较大，可采用大阻值和大量程应变片提高应变准确度。     

徐变对水泥路面板湿度翘曲及应力影响研究

水泥混凝土路面板的温湿度翘曲和交通荷载的耦合作用是其发生疲劳破坏的主要原因之一。湿度梯度及湿度翘曲在路面板中的存在时间较为持续长久,不可避免地会受到混凝土徐变的影响。该文进行了干燥和密闭状态下水泥混凝土梁的弯曲徐变试验,提出弯曲徐变度和徐变系数的计算方法,并将上述徐变参数植入有限元程序中模拟分析徐变对结合式和分离式混凝土路面板翘曲变形和应力发展影响。结果表明:干燥状态下的弯曲徐变是密闭状态下徐变的1.67倍;徐变能够降低翘曲变形、翘曲应力及与荷载耦合情况下的总应力;徐变对结合式路面板的翘曲变形和应力发展影响较大,徐变降低了36%的湿度翘曲变形和45%的翘曲应力;在板角交通荷载的耦合作用下,徐变可使结合式路面板的总应力降低34%。因此徐变是合理分析混凝土路面板的翘曲变形和应力发展不可忽略的因素。     

钢管高强混凝土轴压短柱承载力性能的试验研究

本文报导了２１个钢管混凝土轴压短柱的试验研究,其中１８个钢管高强混凝土试件,３个普通钢管混凝土试件。试验的主要参数是套箍系数。研究结果表明,当套箍系数较小时,钢管径向变形对钢管高强混凝土极限承载力有影响。     

铰接钢管混凝土圆弧拱平面内徐变稳定

钢管混凝土拱肋核心混凝土徐变不仅可以导致钢管与混凝土之间的内力重分布,还将增加拱肋的屈曲前变形,降低拱肋的稳定承载力.经典稳定理论假设拱的屈曲前变形呈线性且该变形较小,因此忽略了屈曲前变形对拱肋弹性稳定承载力的影响.该假设仅适用于矢跨比较大的深拱,由于浅拱的屈曲前变形具有明显的非线性特征,该理论不再适用.尤其考虑徐变对...     

钢管混凝土内栓钉抗剪承载力试验研究

在钢管混凝土构件的钢管内壁上设置栓钉(内栓钉)可以加强钢管与核心混凝土的组合作用。以核心混凝土强度、栓钉直径和长度为主要参数进行了8个设置栓钉的钢管混凝土试件推出试验,并与1个不设置栓钉的钢管混凝土试件和4个设置栓钉的组合梁试件进行对比。结果表明,钢管混凝土内栓钉试件的受力由弹性段、弹塑性段、荷载下降段和荷载残余段四个阶段组成。栓钉剪断破坏时荷载达到最大,混凝土未出现开裂和压碎现象,钢管应力也很小。有栓钉钢管混凝土试件的极限荷载为673.3 kN~1356.9 kN,远大于无栓钉试件S4-1的85.7 kN,栓钉能极大改善脱粘后钢管混凝土构件的共同工作性能。有栓钉钢管混凝土试件推出过程中,处于管内的核心混凝土不会出现与钢管分离的现象,栓钉的作用得到较充分的发挥,其极限荷载是组合梁的1.69倍~1.73倍。钢管混凝土内栓钉的抗剪承载力随核心混凝土强度的提高而提高、随栓钉直径的增大而增大,而受栓钉长度的影响较小。在试验结果分析基础上,提出钢管混凝土内栓钉抗剪承载力计算公式。     

基于超声能量扩散的CFST界面剥离损伤检测方法与验证

钢管混凝土(CFST)构件因其具有良好的抗压、抗弯、抗剪能力,近年来被广泛用于各类型工程结构之中。鉴于CFST施工过程中,钢管与内部混凝土之间可能出现离析、剥离等缺陷,会降低或破坏钢管与混凝土的协同作用,导致承载力降低等问题。在受到极端荷载下,严重时会导致较大安全隐患和失效可能。因此,开展CFST剥离损伤检测十分必要。该文试制了采用超声能量扩散进行构件损伤检测的测试平台;对一批预设界面剥离损伤的方形截面CFST柱进行了不同频率超声波、考虑不同剥离尺寸影响的实测研究,得到归一化扩散及耗散系数,并以此作为管壁与内部混凝土剥离的检测指标;基于最佳激发频率提出CFST界面损伤判定依据,并采用COMSOL软件进行数值模拟验证。结果表明：归一化扩散及耗散系数对剥离损伤尺寸较敏感,可作为探明损伤规律性的重要参数。提出的CFST界面损伤判定模型与仿真试验吻合良好,最小误差为3.03%,平均误差小于10%,表明损伤判定模型能准确、有效定量识别钢管与核心混凝土间的界面剥离损伤,可拓展应用于同类型构件的损伤诊断和预判。     

考虑抗滑移刚度的钢管混凝土柱的荷载传递

提出了钢管混凝土抗滑移刚度的概念,给出了均布荷载和集中荷载作用下钢管混凝土柱的轴力、界面剪应力、界面相对滑移等的解析解,发现在考虑滑移的情况下,钢管混凝土柱的轴压刚度保持不变。对国内进行的39个方钢管混凝土、29个圆钢管混凝土试件的粘结滑移试验进行分析,根据试验数据汇总得出钢管混凝土界面抗滑移刚度的数值。利用ANSYS软件建立钢管混凝土柱模型,分析了顶板厚度对混凝土应力分布和柱轴压刚度的影响,分析结果表明,顶板在增强钢管和核心混凝土共同工作上有着重要作用。     

玻璃纤维增强聚合物复合材料约束壁式钢管混凝土短柱轴压性能试验

为研究玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)约束壁式钢管混凝土矩形短柱的轴压力学性能,对1组无GFRP约束试件和2组GFRP约束试件进行静力轴压试验;根据试验结果提出壁式柱的强弱约束模型,并基于双剪统一强度理论建立GFRP约束壁式钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式;最后建立有限元模型,将计算结果与试验对比,并进行参数化分析,研究钢材屈服强度和混凝土强度对新型壁式钢管混凝土柱轴压性能的影响。结果表明:壁式钢管混凝土柱最终因柱中混凝土压碎、钢管屈曲、试件变形过大而失效;钢材在试件第二线性段起点处开始屈服,钢材强度得到充分发挥,GFRP能有效提高构件峰值承载力,但延性有所下降;理论公式计算结果与试验值吻合较好;混凝土强度及钢材屈服强度均能有效提高承载能力,且钢材屈服强度对承载力的影响明显大于混凝土强度的影响。      

正方形断面钢管混凝土短柱轴心受压极限承载力的研究

本文根据钢管混凝土柱轴压实验及有限元分析的结果，首次提出正方形断面钢管混凝土短柱轴心受压极限承载力计算模型．该模型将钢管视为平面应力状态，将核心的混凝土划分为双轴受压区与三轴受压区，利用Ｍｉｓｅｓ屈服曲面以及复杂应力状态混凝土的强度理论，可将钢管混凝土柱的承载力表示为钢管模向应力的函数．根据塑性理论中的下限定理，即可确定钢管混凝土柱的极限承载力。