锈胀开裂后变形钢筋与混凝土粘结性能实验研究

为研究锈胀开裂对变形钢筋与混凝土间粘结性能的影响,开展了电化学快速锈蚀内贴应变片钢筋混凝土试件的拔出实验,得到了不同位置处钢筋的应变,进而推导了钢筋与混凝土不同位置处的粘结应力,分析了锈胀裂缝宽度对钢筋与混凝土间不同位置处粘结应力的影响。实验研究表明:粘结试件中的钢筋应变对锈胀裂缝宽度的敏感性大;对于锈胀裂缝较小的试件,其粘结应力峰值接近加载端,而对于锈胀裂缝较大的试件,粘结应力峰值更靠近自由端。     

单向增强玻璃钢复合材料静/动态拉伸实验研究

本文针对单向增强玻璃钢复合材料，进行了一系列静/动态拉伸试验，利用高速摄影与DIC相结合的方法，获得了材料不同方向、不同应变率的应力-应变曲线以及材料在不同方向上的动态失效应变，精确地描述了材料的静/动态拉伸及失效行为。实验结果表明，纤维增强方向在不同应变率（10?3、10、102 s?1）拉伸应力-应变曲线均存在一个刚度减小的刚度变化点N，变化后的E_changed分别为初始弹性模量E_initial的67.5%、39.0%、21.4%。此材料在不同应变率（10?3、10、102 s?1）拉伸情况下，纤维增强的方向1上强度最高（分别为608、967、1 123 MPa），方向2强度最低（分别为75、67、58 MPa），方向3强度较低（分别为90、151、221 MPa）。利用高速摄影与DIC相结合的方法，获得了100 s?1应变率下，不同铺层方向破坏时刻的动态失效参数（方向1～3的动态失效应变分别为0.267、0.078、0.099），可以更加精确地描述此单向增强玻璃钢复合材料的动态失效行为。     

基于3D细观模型的混凝土动态压缩行为分析

通过建立混凝土的3D细观模型,在细观尺度上分析动态压缩荷载作用下混凝土材料内部裂缝的产生和发展、损伤演化和动态强度及其影响因素。首先,基于传统的“生成-投放”法生成粒径、形状和空间分布均随机的凸多面体粗骨料模型,并通过骨料沉降和粒径缩放实现粗骨料的大体积率（达50%）和可调控;使用四面体网格划分骨料和砂浆表征其真实物理形状;使用界面粘结接触表征界面过渡区（ITZ）提升计算效率。进一步通过对比不同粗骨料粒径混凝土的分离式霍普金森压杆（SHPB）试验数据与模拟结果,如杆上应变时程、试件动态应力-应变曲线和试件损伤破坏模式,验证了建立的混凝土3D细观有限元模型、参数确定方法和数值仿真方法的准确性。最后,分析了30～100 s-1应变率范围内骨料粒径（4～8、10～14和22～26 mm）、体积率（20%、30%和40%）和类型（石灰岩、花岗岩和玄武岩）对混凝土动态压缩强度的影响。结果表明：粗骨料粒径增大,混凝土动态压缩强度先增大后减小;粗骨料体积率越高,混凝土动态压缩强度越大;混凝土动态压缩强度随粗骨料强度的增加而提高。     

冻融后钢筋再生混凝土粘结性能研究

为了进一步了解冻融环境下再生混凝土的抗拉性能及钢筋与再生混凝土的粘结性能,以100％再生粗骨科取代天然碎石制作了再生混凝土劈裂抗拉试件以及以钢筋直径12mm、16mm和20mm为变动因素的钢筋再生混凝土中心拔出试件.采用快冻法将劈裂抗拉试件和中心拔出试件进行冻融循环后分别进行劈裂和拉拔试验,研究冻融循环下再生混凝土劈裂抗拉性能及钢筋与再生混凝土间粘结性能的变化规律.在总结试验结果的基础上,提出了遭受冻融后再生混凝土劈裂抗拉强度及钢筋与再生混凝土间粘结强度的计算表达式,可为我国冻融环境下再生混凝土结构的耐久性设计提供有益的参考.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF STRENGTH,TOUGHNESS AND FAILURE MECHANISM OF THE METAL/EPOXY/METAL ADHESIVE SYSTEM

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究,针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结,实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为,测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系;通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念,可对界面失效强度进行测量,获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系,进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据,对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明,铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征,失效表现为胶层粘结界面的断裂,失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应：界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大,临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上,界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小;与此同时,界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

金属/环氧/金属粘结体系的强韧和失效机制实验研究

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究,针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结,实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为,测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系;通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念,可对界面失效强度进行测量,获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系,进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据,对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明,铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征,失效表现为胶层粘结界面的断裂,失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应:界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大,临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上,界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小;与此同时,界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

高流态地质聚合物混凝土的高应变率动态压缩变形特性

以矿渣、粉煤灰为原材料,以NaOH、Na₂CO₃为碱激发剂,制备了强度等级为C30的高流态地质聚合物混凝土（highly-fluidized geopolymer concrete,HFGC）,运用波形整形技术改进了?100mm SHPB实验装置,通过参数控制保证应力均匀和恒应变率加载,对HFGC开展了动态压缩实验,分析了HFGC在冲击压缩荷载下的变形特性。HFGC属于应变率敏感材料和脆性材料,高应变率作用下,HFGC的典型应力应变曲线包括压实挤密阶段、弹性阶段和软化、屈服阶段。在10~100s-1的应变率范围内,HFGC的峰值应变ε_c随应变率的变化表现出明显的冲击韧化效应,ε_c随应变率的升高先增大后减小,满足二次函数关系ε_c＝-1.2×10-6+1.6×10-4+0.001 7,变形特性变化的临界应变率为66.7s-1。HFGC的动态弹性模量均低于其在准静态下的弹性模量。     

低速冲击下混凝土少筋梁断裂性能

动态加载下,混凝土中钢筋的阻裂性能一直是冲击动力学研究领域的难点之一。利用落锤试验机对含缺口的混凝土少筋梁进行三点弯曲试验,分析了不同加载速率下梁的冲击力、跨中挠度、混凝土起裂应变率和钢筋应变。实验结果表明:在一定加载速率范围内（0.885～1.252 m/s）,混凝土预制裂缝尖端的裂纹起裂应变率、冲击力最大值、跨中挠度峰值与加载速率呈线性增长关系,当加载速率增至1.771 m/s时,增长趋势减弱;冲击力卸载时,钢筋部分弹性变形恢复导致裂纹产生闭合,裂纹嘴张开位移逐渐减小至恒定值,对裂纹嘴张开位移峰值前的部分曲线进行拟合后得到裂纹嘴张开位移率,结果表明裂纹嘴张开位移率随加载速率的提高而线性增大。     

钢筋混凝土结构改进型分离式数值模型

提出一种考虑粘结滑移效应的钢筋混凝土改进型分离式数值模型。在混合物理论基础上,该模型兼顾混凝土基体和钢筋的力学行为,且基于钢筋混凝土界面粘结滑移模型,获得了钢筋等效模型。改进型分离式数值模型由于对钢筋及其界面无显式离散要求,使得钢筋的运用完全独立于其几何形状,同时对混凝土网格没有约束,并且不增加计算成本,因此该模型可适用于钢筋混凝土宏观结构层面分析。通过钢筋混凝土构件-结构的爆炸实验,对改进型分离式数值模型进行层次化验证。对比结果表明,考虑粘结滑移效应的有限元模型能够更好地预测钢筋混凝土结构的宏观力学行为。     

长期荷载作用下CFST界面粘结损伤试验研究

为考察在役钢管混凝土界面粘结性能与荷载作用时间的关系,以荷载作用时间段为基本参数,完成了7根圆钢管混凝土试件的推出试验.试验结果表明,钢管混凝土界面粘结力随荷载作用时间的延长而减小.根据试验结果,得出各个试件的荷载—滑移曲线.基于ANSI/ACI308-1992混凝土养护规程,得出每个试件在荷载作用下的混凝土徐变应变.从损伤力学的角度出发,定义界面损伤变量,推导了混凝土徐变应变与损伤的关系.通过回归得出含损伤变量的界面粘结—滑移本构关系.     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。     

A split Hopkinson bar technique for low-impedance materials

An experimental technique that modifies the conventional split Hopkinson pressure bar has been developed for measuring the compressive stress-strain responses of materials with low mechanical impedance and low compressive strengths such as elastomers at high strain rates. A high-strength aluminum alloy was used for the bar materials instead of steel, and the transmission bar was hollow. The lower Young's modulus of the aluminum alloy and the smaller cross-sectional area of the hollow bar increased the amplitude of the transmitted strain signal by an order of magnitude as compared to a conventional steel bar. In addition, a pulse shaper lengthened the rise time of the incident pulse to ensure stress equilibrium and homogeneous deformation in the low-impedance specimen. Experimental results show that the high strain rate, compressive stress-strain behavior of an elastomeric material can be determined accurately and reliably using this technique.     

高温后钢管活性粉末混凝土的动态力学性能

采用霍普金森压杆装置对高温后钢管活性粉末混凝土(reactive powder concrete-filled steel tube,RPC-FST)进行冲击压缩实验,分析了应变率效应及温度效应对试件动态力学性能的影响。结果表明:高温(200、300 ℃)后RPC-FST仍具有较好的抗冲击能力、延性和完整性;冲击荷载作用下,RPC-FST的应变率效应明显弱于RPC的应变率效应;随着过火温度的提高,RPC-FST的峰值应力逐渐增大,变形能力增强,抗冲击能力提高。动力提高系数随过火温度的提高而增大,说明高温后RPC-FST的应变率效应更显著。     

Ductility of interstitial-free steel under high strain rate tension: Experiments and macroscopic modeling with a physically-based consideration

In this paper, an experimental investigation and a constitutive modeling of the mechanical response of an interstitial-free (IF) steel over a wide range of strain rates (from 0.001/s to 750/s) are presented. Tensile tests at relatively high strain rates, exceeding 100/s, are performed at an initial room temperature, using the so-called one bar technique developed on the basis of the Hopkinson bar method. At a high strain rate, a distinct upper yield limit is observed, and the subsequent flow stress increases remarkably. Furthermore, the ductility is reduced significantly in comparison to the case of low strain rate tension. In order to express such a complicated material response of IF steel, we develop a new constitutive model that takes into account effects of a change in the mobile dislocation density and thermal softening. The model can be easily applicable to large-scale engineering computations, because it is macroscopically formulated. We try to reproduce the tensile response including a diffuse neck formation at high strain rates, using the proposed constitutive model and finite element method. The results indicate that a change in the mobile dislocation density, together with thermal softening, has substantial effects on apparent work hardening behavior at high strain rates, although the change in the mobile dislocation density is transcribed at macroscopic scale in the model. Finally, we discuss characteristics of true stress–true strain curves at various strain rates, and their correlation with the plastic instability behavior.     

玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

利用玄武岩纤维和水泥基材料，通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明:(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强，且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小，对劈裂强度动态增幅较大；(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高，两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅，但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度；(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。     

钢筋与混凝土粘结本构关系的数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹塑性有限元分析的基础之一。针对这一基本问题，本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路。采用不连续介质力学问题的界面元法，编制了三维问题的界面元分析程序，用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析。通过对两类测量粘结应力以及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析，表明计算结果与试验结果吻合良好。     

Mechanical behavior of metals under tension- compression loading at high strain rate

By using a new technique based on a split Hopkinson pressure bar method, a sequenced reverse test (quasi-static tensile prestress, followed by dynamic compression and then followed by dynamic tension) at high strain rate was performed and tension-compression stress-strain relations were derived by using one-dimensional stress wave analysis. Three materials, 2017 aluminium alloy, 0.45% carbon steel, and pure aluminium, were investigated at low and high strain rates, and the strain rate effect on the reverse loading stress-strain curves was compared to that on the loading stress-strain curves. It was found that reduction of yield stress is always associated with load reversals, and the strain rate effect on the reverse loading (tension) is almost the same as that during loading (compression) at higher values of reverse deformation.     

大尺寸Hopkinson压杆及其应用

本文介绍了国内最大尺寸的SHPB装置;讨论了在大尺寸SHPB装置上测量混凝土类材料动态力学性能将会出现的几个问题;采取了在入射杆的打击端加设波形整形器,在试件与杆件之间加设万向头及在试件上直接测量应变等新的实验技术及采用新的数据处理方法,提高了试验结果的精确度和可信度;简要介绍了利用ф100 SHPB装置对四种体积含量(0,2%,4%和6%)钢纤维高强混凝土进行三种应变率(10~20/s,35~45/s和75~85/s)的冲击压缩实验。实验结果表明,钢纤维高强混凝土具有较强的应变率效应,其破坏应力、峰值应变随应变率增加而显著增加,弹性模量也随应变率增加而增加。另外,钢纤维含量对混凝土具有增韧效应,随着钢纤维含量的增加,其韧性增大,脆性降低。     

Specimen Size and Strain Rate Effects on the Compressive Behavior of Concrete

Three high-performance concrete (HPC) materials with different specimen geometries were characterized using Kolsky compression bar techniques to study the strain rate and specimen size effects on their uniaxial compressive strength. A large-diameter Kolsky bar and recently established annular pulse shaping technique were used to achieve dynamic stress equilibrium and constant strain-rate deformation in the experiments. A complimentary effort was conducted using a 19-mm-diameter Kolsky compression bar to understand the strain rate and specimen size effects on failure strength and dynamic increase factor (DIF) for concrete. It was found that, for all three concrete materials investigated, the failure strength is highly dependent on the specimen geometry, however such a relationship is not apparent for the DIF. The DIF observed in this study shows significantly lower values compared to historical data, which may indicate the importance of well-controlled dynamic testing conditions on the accuracy and validity of experimental results for concrete materials.     

Dynamic Tensile Characterization of a 4330-V Steel with Kolsky Bar Techniques

Dynamic tensile experimental techniques of high-strength alloys using a Kolsky tension bar implemented with pulse shaping and advanced analytical and diagnostic techniques have been developed. The issues that include minimizing abnormal stress peak, determining strain in specimen gage section, evaluating uniform deformation, as well as developing pulse shaping for constant strain rate and stress equilibrium have been addressed in this study to ensure valid experimental conditions and obtainment of reliable high-rate tensile stress–strain response of alloys with a Kolsky tension bar. The techniques were applied to characterize the tensile stress–strain response of a 4330-V steel at two high strain rates. Comparing these high-rate results with quasi-static data, the strain rate effect on the tensile stress–strain response of the 4330-V steel was determined. The 4330-V steel exhibits slight work-hardening behavior in tension and the tensile flow stress is significantly sensitive to strain rate.