负载下外包钢筋混凝土加固轴心受压钢柱受力性能研究

该文以试验研究、有限元模拟以及理论分析相结合的方法研究了负载下外包钢筋混凝土加固轴心受压钢柱的受力性能以及承载力计算方法。通过试验与有限元模拟分析,研究了轴心受压钢结构构件负载下外包钢筋混凝土加固后的性能,以及初始负载大小、混凝土强度和型钢强度对加固试件极限承载力的影响。研究表明,外包钢筋混凝土可以显著提高原钢构件的承载能力和刚度;加固后试件的极限承载力随着初始负载的增大而降低;随着型钢强度的提高而增大;混凝土强度是影响加固后试件极限承载力的最主要因素,加固后试件的极限承载力随着混凝土强度的提高而明显增大。根据分析试验数据和有限元分析结果,得到了混凝土强度对加固后试件极限承载力影响的量化结果。同时,通过分析加固时和破坏时构件各部分的应力应变状态,推导出负载下外包钢筋混凝土加固轴心受压钢柱的承载力计算公式,其计算结果与试验结果吻合良好。     

FRP筋-钢筋增强ECC-混凝土组合柱抗震性能研究

提出一种在塑性铰区域采用高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)替代混凝土来改善FRP筋-钢筋增强混凝土柱抗震性能的新方法。对FRP筋-钢筋增强ECC-混凝土构件进行了低周往复荷载试验,系统地考察了基体材料、筋材种类、轴压比对构件破坏模态、裂缝模式、承载力、残余变形、延性和耗能能力的影响。结果表明,将ECC替代塑性铰区域混凝土能够有效避免FRP筋的受压屈曲,进而显著提升组合柱的抗震性能。与钢筋增强ECC-混凝土组合柱相比,复合筋增强ECC-混凝土组合柱的残余变形明显更小,且屈服后的刚度更高。随着轴压比的增大,构件极限强度升高但变形能力降低。通过有限元参数分析可知,组合柱的承载力和变形能力均随着ECC抗压强度及总配筋率的增大而增大;在总配筋率不变的情况下,FRP筋占比越高,构件的延性越好。     

功能梯度混凝土受弯构件形成机制和力学性能研究

基于理论分析提出了一种功能梯度混凝土受弯构件，通过梯级FRP筋+钢筋混合配筋，构建同地震弯矩分布梯度相适应的构件抗弯承载能力分布梯度，使多个功能梯度段进入塑性状态，以更充分利用构件的抗震能力。功能梯度可以有效控制构件塑性的分布和发展程度，确保发生延性的破坏模式，并实现较好的损伤自恢复性。功能梯度混凝土受弯构件的变形能力大幅提高，侧向承载力增大，极限刚度降低，抗震性能显著增强。模型试验证明了功能梯度混凝土受弯构件理念的可行性及其力学效果，也验证了所提功能梯度构建方案的有效性和工程实用性。     

基于可靠度的FRP筋材料分项系数的确定

基于中国混凝土结构设计资料以及构件几何尺寸与材料力学性能的概率统计参数,建立了FRP筋混凝土梁受弯正截面承载力的计算公式,并采用验算点法计算了在六种荷载效应比情况下的受弯承载力可靠指标平均值,最后在考察FRP筋材料分项系数对可靠指标平均值影响的基础上,建议GFRP筋和CFRP筋的材料分项系数统一取为1.25。可靠度分析表明:过于保守的FRP筋材料分项系数只能使得截面发生混凝土破坏模式的概率增大,而这种破坏模式对应的可靠度水平基本与FRP筋材料分项系数无关,因此只能造成巨大的材料浪费。截面的设计破坏模式与实际破坏模式不完全一致,这种不一致现象存在的范围随着FRP筋材料分项系数的增大而扩大。     

内嵌预应力碳纤维增强塑料筋混凝土梁正截面承载力计算

对拉区混凝土保护层中内嵌有预应力碳纤维增强塑料筋加固的混凝土梁的受力阶段进行了分析,对其受弯破坏形态、受弯承载力极限状态及正截面的承载力进行了分析和讨论,导出了对应不同破坏形态下承载力计算公式,并与试验结果相比,得出了一些有益的结论,可供设计参考。     

预应力FRP加固工程结构技术研究进展

围绕国内外预应力FRP加固技术的研究现状以及最新进展,从预应力FRP加固混凝土结构、预应力FRP加固钢结构、预应力FRP加固中关键技术的研究等方面进行了综述。试验研究表明：预应力FRP加固混凝土能显著提高构件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载,改善受弯构件在长期荷载的力学性能,提高构件的疲劳寿命;预应力CFRP加固钢梁后,其屈服荷载和极限荷载相对于对比梁都有明显的提高,其提高的程度随着预应力CFRP的用量和预应力水平的提高而增大;预应力CFRP加固对钢梁的刚度提高作用也比较明显,对低强度的钢材,提高效果更明显;采用预应力FRP加固工程结构的关键问题在于预应力的施加体系、预应力控制值、预应力损失和端部的锚固。     

新型CFRP-UHPC组合管混凝土圆柱轴压性能

为研究超高性能混凝土(UHPC)管替代碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土组合柱中钢管的可行性,提出一种外部缠绕CFRP的UHPC预制管、内部现浇填充普通混凝土的新型CFRP-UHPC组合管混凝土(Concrete-filled CFRP-UHPC tube,CFFUT)柱。对10个CFFUT圆柱(包含2个对比柱)进行了单调轴压试验,研究了UHPC管壁厚度、CFRP环向包裹层数和核心混凝土强度等的影响规律。结果表明：CFRP-UHPC管可以有效提高组合柱的承载力、变形能力和延性;CFFUT圆柱破坏形态为核心混凝土压溃、UHPC管开裂和CFRP拉断,破坏后整体性较好,属延性破坏模式;CFFUT圆柱的极限承载力与UHPC管壁厚度、CFRP层数和核心混凝土强度呈正相关;延性系数随UHPC管壁厚度、CFRP层数增加而提高,随核心混凝土强度增加先提高后降低。揭示了CFFUT柱的界面增强作用机制,CFFUT柱极限承载力与同等截面普通混凝土柱相比提高93.9%～203.5%,且CFFUT柱极限承载力一定程度上与CFRP-钢管混凝土柱相当。建立了CFFUT圆柱轴压极限承载力理论计算模型,并通过有限...     

玻璃纤维增强树脂复合材料管-钢筋/混凝土空心构件抗弯性能

为研究玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯性能,编制了受弯构件的非线性分析程序,系统地分析了空心率、配筋率、GFRP管管壁厚度及混凝土强度等级等主要参数对其抗弯性能的影响,并通过试验对所编制的程序进行验证,最后建立适用于GFRP管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯承载力计算公式。结果表明:利用编制的受弯构件非线性分析程序与建立的抗弯承载力公式,计算结果与试验结果均吻合较好,抗弯承载力随空心率的减小、配筋率的提高、GFRP管管壁厚度的增加及混凝土强度的增大而增加,空心率对构件抗弯承载力影响最大,其次是配筋率和GFRP管管壁厚度,最后是混凝土强度等级,空心部分半径比在0.25~0.5为宜,可以适当提高配筋率、GFRP管管壁厚度或混凝土强度等级来弥补该空心构件抗弯承载力,研究结论可为该结构在实际应用中提供参考依据。      

负载条件下CFRP加固轴心受压钢管短柱受力性能研究

该文以试验、有限元与理论相结合的方法研究CFRP(碳纤维)布加固轴心受压钢管短柱构件;以不同负载百分比、不同CFRP粘贴方式为对比参数,研究了加固后构件的受力性能。主要讨论了对于不同负载程度、CFRP粘贴方式对加固后构件极限承载力和破坏形态的影响。通过试验与有限元数值模拟及参数分析,得到随着负载百分比的增大,加固后构件极限承载力呈下降趋势,在极限状态下,构件的破坏形态主要为端部局部屈曲破坏;在构件端部粘贴CFRP的加固效果优于中部加固效果;随着CFRP加固层数的增大,构件极限承载力随之增大,但增大百分比在达到一定程度后呈现下降趋势;随着构件厚度的增大,负载百分比和CFRP层数对构件承载力的影响呈下降的趋势,通过理论与试验和有限元结果的对比分析,得出采用该文所推导的理论可以用于负载条件下加固构件的承载力计算。     

FRP钢管混凝土构件抗冲击性能仿真分析

FRP-钢管混凝土结构是一种新型复合结构形式,该结构由在外壁为FRP（CFRP/GFRP,碳/玻璃纤维增强树脂）材料、内壁为钢材的复合圆管内浇筑混凝土而形成。本文应用有限元方法分析FRP钢管混凝土构件的抗冲击性能,通过变化FRP种类、包裹层数、包裹形式以及钢管的厚度考查不同冲击力下的结构响应,得出冲击力和变形的时程曲线。研究发现利用FRP加固的方法有效地提高了钢管混凝土构件的抗冲击刚度,其增强效果与FRP种类以及FRP的包裹方式和厚度相关,其中以纵向包裹CFRP的试件挠度为最小。为验证数值模拟方法和策略的正确性,对已有钢管混凝土的冲击实验案例进行仿真模拟,模拟结果与实验结果对比良好。     

不同细骨料下不锈钢管混凝土构件受弯性能研究

为考察不同细骨料种类对不锈钢管混凝土的受弯性能的影响,进行了24根不锈钢管混凝土构件在纯弯荷载作用下的力学性能试验研究。试验的主要参数为:细骨料种类、截面形状和剪跨比。基于试验结果,对比了不锈钢管原状海砂混凝土、不锈钢管淡化海砂混凝土和不锈钢管普通河砂混凝土3类构件的破坏模态,并分析了各主要参数对试件荷载-变形关系曲线、受弯承载力和抗弯刚度的影响规律。试验结果表明:采用原状海砂和淡化海砂取代普通河砂,对不锈钢管混凝土构件受弯承载力和刚度的影响较小。建立了不锈钢管混凝土纯弯构件的有限元分析模型,并利用模型对影响构件力学性能的重要参数进行了分析,在此基础上提出了圆形和方形不锈钢管混凝土受弯承载力的简化计算公式,可为相关工程实践提供参考。     

钢管高强混凝土叠合构件受剪承载能力试验研究

结合3个普通钢筋混凝土构件和11个钢管高强混凝土叠合构件的单调加载静力试验,对钢管高强混凝土叠合构件的破坏形态、破坏机理和受剪承载能力开展研究。通过分析破坏特征与荷载-跨中挠度曲线,重点对钢管尺寸、剪跨比和是否焊接栓钉对叠合构件受剪承载力的影响进行分析。试验研究结果表明:试件发生剪切斜压和剪压两种破坏模式;试件的受剪承载力随钢管尺寸的增加而提高;随剪跨比的增大而降低;焊接栓钉可提高试件的承载能力,但作用有限。依据现有规范并结合试验结果,基于桁架-斜压场模型提出了钢管高强混凝土叠合构件的受剪承载力计算公式,其计算结果与试验结果吻合较好。     

拉-弯-剪复合作用下型钢混凝土柱抗震性能研究及损伤量化分析

为研究拉弯剪复合受力型钢混凝土柱的抗震性能,以剪跨比、轴拉比、偏心距为变化参数,设计13个型钢混凝土柱试件进行低周反复试验,观察试件的破坏过程与破坏形态,得到了试件的荷载-位移曲线以及试件的特征点参数。基于试验数据,详细分析了拉弯剪复合受力型钢混凝土柱的承载力、位移延性、能量耗散、刚度退化等抗震性能以及损伤指标。结果表明:型钢混凝土柱的主要破坏形态为弯曲破坏、拉弯破坏以及弯剪破坏;其滞回曲线饱满,位移延性系数均超过6.0;破坏时损伤指数在0.804～0.963;随剪跨比的增大,各试件延性及耗能能力不断增加,极限承载力下降明显,损伤指标最大减小11.55%;随轴拉比以及偏心距的增大,各试件极限承载力逐渐降低,延性及耗能能力逐渐减小,损伤指标不断增大。总体上看,在拉弯剪复合受力状态下型钢混凝土受拉柱具有较好的抗震性能,可将其运用在实际工程中。     

受压区局部约束塑钢纤维轻骨料混凝土梁的抗弯性能

为提高塑钢纤维轻骨料混凝土梁的受弯性能,采用矩形箍约束局部受压区的方式,设计了六根受压区增强塑钢纤维轻骨料混凝土梁,分析了纵筋配筋率和混凝土强度对塑钢纤维轻骨料混凝土梁受弯力学性能的影响,并对其进行有限元分析.结果表明:采用箍筋约束受压区混凝土后,局部受压区极限压应变增大,试件的承载力和延性有显著提高;随着配筋率增加,试件的承载力有明显提高,且高配筋率梁的超筋破坏现象得到明显改善;随着约束区混凝土强度的增大,梁的承载力变大,而延性降低.有限元分析结果表明,在受压区局部配置箍筋约束后,受压区混凝土极限压应力变大,极大地改善了梁跨中受压区的应力集中现象,从而抑制了梁受压区边缘混凝土的压碎破坏,提高了梁的承载力和延性.     

FRP筋混凝土梁正截面抗弯承载力设计研究

基于本课题组9根、国内外其他学者102根FRP筋混凝土梁的试验结果以及本课题组完成的38根FRP筋混凝土梁的有限元参数分析结果,对FRP筋混凝土梁的正截面抗弯承载力进行了较系统的研究.研究表明FRP筋混凝土梁的破坏模式有受拉破坏、平衡破坏和受压破坏三种.确定了FRP筋混凝土梁的最小配筋率以及配筋率与破坏模式的关系;给出了FRP筋"名义屈服强度"的计算公式,并较系统地提出了FRP筋混凝土梁正截面抗弯承载力的设计建议.与ACI 440.1R-01中的设计方法相比,基于该文设计建议的计算值与试验结果更为接近.     

高温后型钢再生混凝土梁受弯研究

为了研究型钢再生混凝土(SRRAC)梁高温之后受弯的力学性能,通过利用ABAQUS有限元分析软件建立了高温作用后型钢再生混凝土梁受弯的有限元模拟模型,对截面温度场及剩余承载力进行分析,并和现有的有关实验数据进行对比验证。分析了受火时温度、再生粗骨料取代率、混凝土强度、型钢屈服强度、截面含钢率对剩余承载力的影响。在模型正确的基础上进行了梁工作性能,破坏模态的机理分析。结果表明:型钢再生混凝土的取代率对型钢再生混凝土的承载力有部分影响,取代率的增加可以提升再生混凝土的承载力,构件的承载力主要跟受火温度有关,受火200℃的构件承载力减低了10%~15%,受火600℃的构件承载力降低了20%~25%。该文的研究结果对高温后型钢再生混凝土的工作机理有了更深的研究。根据取代率和受火温度可以判断型钢再生混凝土梁的极限承载力的变化情况。     

高温下内配圆管的方钢管混凝土柱轴压力学性能

为了研究高温下内配圆管的方钢管混凝土柱力学性能,该文在修正高温下核心混凝土材料本构关系的基础上,建立钢管混凝土柱的非线性有限元模型,并利用相关试验实测数据对数值模型进行了验证。基于建立的有限元模型,对不同参数下外方内圆钢管混凝土柱的耐火性能进行分析,阐述了受火过程中圆钢管和混凝土轴向承载力的贡献变化规律,并对火灾下钢管混凝土柱的典型变形曲线进行分析。研究结果表明:钢管混凝土柱的耐火极限可比普通钢管混凝土提高2倍以上;随内钢管直径与外钢管边长比增大,耐火极限先增大后减小;圆钢管的约束效应系数增大,耐火极限明显提高。通过合理设计,复合钢管混凝土柱在不设置防火保护层的情况下,可满足抗火设计规范的耐火需求。     

表层嵌贴预应力CFRP-strip加固钢筋混凝土梁的受力性能研究

体外粘贴预应力FRP技术和表层嵌贴FRP加固技术均是FRP应用于混凝土结构加固的重要技术,但存在各自的局限和不足。表层嵌贴预应力FRP技术有望结合上述两种技术的优点,进一步提高FRP加固混凝土结构的优势和效能。该文在研制成功FRP板条夹具的基础上,加固并进行了5根钢筋混凝土受弯构件的试验研究,深入考察了各试件尤其是表层嵌贴加固试件的力学行为与破坏形态,对比了体外与表层嵌贴加固试件的承载与变形性能差异,分析了预应力的存在对表层嵌贴加固构件力学性能与破坏模式的影响。试验结果表明:表层嵌贴预应力FRP板条加固显著提高了受弯构件的承载性能,其改善效果与体外粘贴预应力FRP板加固非常接近;嵌贴方式可使粘结树脂代替机械锚具锚固预应力FRP板条,但该文试验中表层嵌贴加固试件的破坏形态为粘贴端部的树脂-混凝土界面剥离和保护层混凝土撕裂,因此有需要就提高界面粘结能力和抑制保护层混凝土撕裂的构造措施开展进一步研究。     

装配式钢套管混凝土组合剪力墙竖向受拉-水平滞回荷载试验研究

进行6个剪跨比为1.62的装配式钢套管混凝土(CFST)组合剪力墙试件的拟静力试验,研究钢管混凝土芯柱含量比、平面外偏心距、初始轴拉力对装配组合剪力墙抗震性能的影响,分析试件的破坏特征、滞回性能、变形和延性、承载力以及刚度退化和耗能。结果表明:装配组合试件的破坏形态整体为弯剪复合破坏,在竖向受拉-水平弯剪滞回复合作用下仍具有较高的承载力,滞回曲线饱满,变形和耗能较好,破坏时残余刚度大;剪切变形分量与总变形呈线性关系,约占总位移的21%;试件平均极限位移角1/42,平均延性系数5.0,表明组合剪力墙装配整体性较好。截面承载力参数分析表明抗剪承载力随钢管混凝土含量比增大而增大,而变形曲率随之减小;抗剪承载力随初始轴拉力和平面外偏心距增大而减小,适当的轴拉力能增大截面变形能力,但平面外偏心距对变形不利。     

新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

为研究新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁的受弯性能,以预应力、抗剪连接件数量和混凝土翼缘板有效宽度为参数,进行4根试件的受弯试验,结果表明:波纹钢能较好地与混凝土协同工作,有效加强钢-混界面,避免纵向滑移破坏的发生,但是波纹钢轴向刚度较小,几乎没有抗弯贡献;预应力和混凝土翼缘板对组合梁的抗弯贡献较大;抗剪连接件数量不足时组合梁发生纵向水平剪切破坏。在试验基础上进行有限元模型模拟计算,发现新型组合梁能充分发挥各组成部分间的组合作用,提高试件的抗弯承载力与延性;相比于直钢板组合梁,波纹钢组合梁有较好的刚度和较高的承载能力;随着混凝土强度提高,承载力略有提升;下翼缘钢板厚度增加,承载力显著提高,对刚度影响不大;刚度、承载力随预应力度提高而提高,但是延性变差。最后,建立了新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯承载力计算公式。