水工结构高强钢筋混凝土梁受剪性能试验研究

通过对12根配置高强箍筋的混凝土梁在集中荷载作用下的受剪试验,研究梁的挠度、箍筋应变、斜裂缝扩展规律及破坏形态。依据现行《水工混凝土结构设计规范》,对比分析试验梁斜截面承载力及考虑荷载长期作用的正常使用阶段斜裂缝宽度。研究结果表明,配置高强箍筋的混凝土梁斜向开裂规律和受力特征与普通钢筋混凝土梁基本相同,受剪承载力可按现行《水工混凝土结构设计规范》公式计算,且有较高安全储备。当考虑荷载长期作用,HRBF500钢筋在水工结构中抗拉强度设计值取360MPa时,斜裂缝宽度满足正常使用极限状态要求。     

随机载荷下碳纤维薄板增强RC梁试验研究

桥梁等钢筋混凝土结构在运营期所受活载为随机载荷。研究随机载荷作用下碳纤维薄板(Carbon Fiber Laminate简称CFL)片材增强钢筋混凝土构件的疲劳性能,对于采用碳纤维薄板技术加固桥梁等混凝土结构有重要的指导意义。本文通过随机载荷作用下碳纤维薄板增强RC梁的三点弯曲疲劳试验,得到了增强梁的S-N曲线和跨中挠度的演化规律,揭示了随机载荷下增强梁的疲劳破坏机理。随机载荷下碳纤维薄板增强RC梁的破坏模式包括钢筋断裂、碳纤维薄板剥离、混凝土压坏等破坏形态,疲劳破坏过程具有明显的损伤成核、稳定扩展、失稳扩展的三阶段发展规律。     

钢筋混凝土柱破坏过程扩展有限元数值模拟

为描述钢筋混凝土柱的破坏过程,分别建立了由三维实体单元和三维杆单元构成的精细化模型以及结合纤维梁单元的纤维梁与实体单元耦合模型。耦合模型中,钢筋混凝土柱下段混凝土和钢筋分别用三维实体单元与三维杆单元建模,通过耦合连接实现精细单元与粗糙单元之间的变形协调。基于混凝土弹塑性本构关系,运用扩展有限元方法模拟钢筋混凝土柱的荷载-位移曲线以及开裂过程,并进行比较。数值模拟与试验结果的比较表明,模拟得到的裂缝位置以及荷载-位移曲线与试验结果吻合较好。扩展有限元具有无需重划网格、无需预设裂纹的优点,能有效地模拟筋混凝土柱的开裂过程。耦合模型具有计算效率高的优势,且能较好地模拟构件的破坏模式。     

爆炸荷载作用下影响RC梁破坏形态的主要因素分析

在冲击、爆炸等强荷载作用下，钢筋混凝土结构通常是发生弯曲破坏。室内外试验结果表明，当动荷载峰值较大、作用时间较短（脉冲荷载）时，钢筋混凝土结构易发生脆性的剪切破坏，其主要原因是脉冲荷载的高频成份丰富和加载速率高等特点容易激发结构构件中的剪切变形和剪 应力。本文基于Timoshenko梁理论，提出了一种爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态的有限差分预报方法，利用该方法分析了荷载加载速率、截面高度、混凝土强度、配筋率等对钢筋混凝土破坏形态的影响规律，并指出，随着荷载升压段加载速率、截面高度、主筋配筋率的增加或混凝土强度的降低，梁的破坏形态从弯曲破坏转变为剪切破坏。     

循环载荷下碳纤维薄板增强RC梁的疲劳性能试验研究

以碳纤维薄板(CFL)增强RC梁为研究对象,通过对循环载荷作用下增强梁的三点弯曲疲劳试验研究,得到了增强梁的线性对数疲劳寿命曲线和跨中挠度的演化规律,外推得到了极限疲劳强度和抗弯刚度的演化规律,揭示了增强梁的疲劳破坏机理。循环载荷下CFL增强RC梁的破坏模式包括混凝土开裂、碳纤维薄板与混凝土界面剥离、主筋屈服等模式,疲劳破坏过程具有明显的损伤成核、稳定扩展、失稳扩展三阶段发展规律。与普通RC梁相比较,CFL增强RC梁的裂缝分布较均匀、密集,粘贴CFL对增强梁的初始抗弯刚度提高幅度较小,对疲劳损伤阶段的抗弯刚度则提高了约一倍。根据CFL增强RC梁的疲劳寿命曲线得到其极限疲劳强度为25.42 kN,为三点弯曲静载下极限承载力的58.5%。     

钢筋混凝土梁受弯破坏过程的细观数值模拟研究

在细观层次上将混凝土视为由粗骨料、硬化水泥砂浆及界面粘结带组成的三相非均质复合材料,能够较好地模拟混凝土加载时的裂缝扩展过程和分布规律。本文采用细观刚体弹簧元法模拟了钢筋混凝土梁的弯曲受力性能和破坏过程,加载方式采用两点对称加载。数值计算得到了钢筋混凝土梁的破坏形态和荷载一变形曲线,并分析了受力过程中纵向钢筋的应力变化。与试验结果对比表明,细观刚体弹簧元法可以有效模拟钢筋混凝土梁的裂缝开展过程、破坏形态和荷载一变形响应。     

钢筋混凝土结构锈胀开裂宽度的试验研究及预测模型

设计了45片钢筋混凝土(RC)构件,基于RC构件通电加速锈蚀,对该批构件进行腐蚀试验研究,测试了锈胀裂缝宽度及其位置和发生时间。以钢筋锈蚀率、保护层锈胀开裂、锈胀裂缝宽度、相对保护层厚度和混凝土强度为分析参数,结合测试数据,利用加速腐蚀和自然腐蚀的对应关系,通过数理统计回归分析建立了锈胀开裂宽度的预测模型。分析了各参数对锈胀开裂扩展的影响。该模型对RC结构耐久性设计提供一定的参考。使用本文建立的模型以及规范模型对文献试验数据和一座服役近40年的实桥构件的锈蚀率和锈胀裂缝宽度进行了预测,计算结果表明本文模型有较强的适用性,能够用于实桥锈胀损伤分析。     

模拟酸雨腐蚀下预应力混凝土梁的抗弯性能研究

为了探讨酸雨腐蚀环境对预应力混凝土梁抗弯性能的影响,制作了8根预应力混凝土梁,从混凝土强度等级、预应力度和钢绞线腐蚀率等方面,进行8根预应力混凝土梁的三分点静载试验。试验结果及分析表明,混凝土强度对屈服后试验梁的抗弯性能影响较大,对弹性阶段的刚度影响较小;随着预应力度的增加,试验梁的开裂荷载逐渐增大,进入裂缝阶段后,刚度下降速度逐渐加快;钢绞线腐蚀率越大,试验梁的极限抗弯承载力越低;腐蚀率在一定范围内(3.22%),随着腐蚀率的增大,预应力混凝土梁试件的开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩明显降低。根据试验结果,提出了模拟酸雨环境下预应力混凝土梁试件抗弯承载力的计算方法,同时采用ANSYS软件对预应力混凝土梁进行非线性有限元分析,将试验梁的计算值和模拟值与试验值进行比较,均吻合较好。     

光弹贴片法研究砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程

为了研究疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程,本文采用光弹贴片法对尺寸为200mm×200mm×200mm的楔入劈拉试件预制裂缝稳定扩展直至失稳破坏全过程进行了系统的研究,并采用照相机拍摄了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,得到了砼裂缝长度随疲劳次数的增加而稳定扩展的完整而直观的观测结果．根据光弹贴片所显示的彩色条纹序列,还测得了疲劳荷载作用下砼裂缝尖端附近的主剪应变差分布．试验表明,采用光弹贴片法可有效地测定疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程．     

模拟酸雨腐蚀下预应力混凝土梁的抗弯性能研究

为了探讨酸雨腐蚀环境对预应力混凝土梁抗弯性能的影响，制作了8根预应力混凝土梁，从混凝土强度等级、预应力度和钢绞线腐蚀率等方面，进行8根预应力混凝土梁的三分点静载试验。试验结果及分析表明，混凝土强度对屈服后试验梁的抗弯性能影响较大，对弹性阶段的刚度影响较小；随着预应力度的增加，试验梁的开裂荷载逐渐增大，进入裂缝阶段后，刚度下降速度逐渐加快；钢绞线腐蚀率越大，试验梁的极限抗弯承载力越低；腐蚀率在一定范围内（>3.22%），随着腐蚀率的增大，预应力混凝土梁试件的开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩明显降低。根据试验结果，提出了模拟酸雨环境下预应力混凝土梁试件抗弯承载力的计算方法，同时采用ANSYS软件对预应力混凝土梁进行非线性有限元分析，将试验梁的计算值和模拟值与试验值进行比较，均吻合较好。     

混凝土三点弯曲梁裂缝断裂全过程数值模拟研究

考虑裂缝黏聚力的作用,基于Paris位移公式推导出混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程中断裂过程区上的裂缝张开位移的解析表达式.采用起裂韧度作为裂缝起裂及扩展的判断标准,提出了荷载作用下混凝土裂缝起裂、扩展及失稳破坏全过程的数值模拟方法,并分别与国内外断裂试验实测值及有限元计算值进行了比较.结果表明,本文提出的数值模拟方法形式简单且精度较好.     

FRP加固RC梁界面疲劳损伤红外检测分析

FRP-混凝土界面剥离损伤的探测是界面力学分析的一个难点。基于三个标准试件探讨了红外检测方法对FRP-混凝土界面剥离探测的精度、可行性以及剥离判断的标准,并对常幅疲劳荷载下FRP加固钢筋混凝土(RC)梁界面的疲劳行为进行了跟踪记录,分析了界面的疲劳破坏过程。试验结果表明,FRP加固RC梁界面存在初始的未粘结区,在疲劳加载的初期界面剥离快速增加,随后在大部分疲劳寿命期内保持稳定,在最后数千次加载循环内界面损伤失稳发展导致整个加固构件的破坏。文中基于红外数据给出了每个阶段的疲劳加载次数和界面剥离损伤的面积。     

温度-随机载荷下CFL加固RC梁疲劳性能的实验研究

考虑亚热带地区公路桥梁的服役环境温度与车辆载荷的作用效应,本文以碳纤维薄板(CFL)加固钢筋混凝土(RC)桥梁结构为研究对象,利用本课题组构建的实验平台,提出了温度与车辆随机载荷耦合作用下CFL加固RC梁的疲劳实验方法。在3个温度和3个载荷水平下实施了温度-随机载荷耦合作用下的三点弯曲疲劳实验,初步探讨了温度-随机载荷作用下加固梁的疲劳破坏机理,并提出了温度-随机载荷耦合下加固梁疲劳寿命的半经验公式。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析

对基于Timoshenko梁理论建立的非线性动力有限元法作了改进。根据压区理论得到混凝土的平均剪应力和平均剪应变关系,建立了能反映箍筋的抗剪作用的材料模型;此外,对结构在爆炸荷载作用下可能出现的各种响应现象进行了描述,以准确地预测梁破坏时不同位置截面上钢筋和混凝土的受力、变形及破坏情况。应用改进的材料模型,对爆炸荷载作用下的五个钢筋混凝土试验梁的动力响应和破坏形态进行了数值模拟,结果表明,该数值方法能较好地模拟钢筋混凝土梁的弯曲、弯剪和剪切等破坏形态。     

钢筋锈蚀条件下混凝土柱有效弹性模量试验研究

通过对16根钢筋混凝土柱进行腐蚀与长期荷载共同作用的长期试验,研究构件在不同配筋率、钢筋锈蚀率及加载龄期下有效弹性模量的变化规律,配筋率分别为1%、2%、3%,钢筋锈蚀率分别为0%、10%、20%,加载龄期分别为7d和28d。研究结果表明:配筋率与加载龄期对钢筋混凝土有效弹性模量都有影响,两种影响具有叠加效应,并且这种叠加效应不只是简单的线性叠加;钢筋锈蚀率越大,钢筋混凝土有效弹性模量越小。在试验研究的同时,还提出了考虑配筋率与钢筋锈蚀率的混凝土柱有效弹性模量计算模型,通过模型计算值与试验值的相对误差对比,验证了本文计算模型的有效性和适用性。     

钢筋混凝土箱梁非线性及剪滞效应的试验研究

制作了钢筋混凝土简支箱梁模型,试验包括模型梁开裂范围内的加载及开裂后的加载。在开裂范围内,对该试验梁分别进行了顶板满布均布荷载、均布荷载作用于肋板上方、集中力作用于跨中以及对称集中力作用下的加载;对开裂后的试验梁,进行了对称集中力作用下的加载。用应变采集仪与电脑连接,并用半桥测量,温度自补偿方法测取应变值,采用百分表测试梁体挠度,采用读数显微镜观测裂缝。测量得到应力、应变的分布规律,验证了钢筋混凝土箱梁中存在剪滞效应。试验结果与考虑混凝土非线性的有限段法的计算结果吻合较好,验证了有限段法在混凝土箱梁剪滞效应分析中的适用性。     

腐蚀环境下复合材料修补件力学特性研究

采用复合材料补片胶接修补含裂纹LY12CZ铝合金板,开展了试验室大气环境和加速预腐蚀环境下复合材料修补件静强度拉伸和疲劳裂纹扩展对比试验研究.结果表明,复合材料补片均能显著提高损伤结构的拉伸强度和疲劳寿命,且短周期的预腐蚀环境对修补件两种力学特性的影响可以忽略不计.同时,基于Paris公式和Rose分析模型,建立了常规环境和预腐蚀环境下疲劳裂纹扩展寿命预测模型,通过与试验结果的对比证明了该模型的工程有效性.     

钢筋混凝土拱的水下抗爆性能

为探究水下爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应特性和破坏特征,制作了两个钢筋混凝土拱试件,并开展了水下爆炸试验。试验分为拱外爆炸和拱内爆炸两组,采用10 g乳化炸药,试验时爆源距结构面最小距离为10 cm（起爆点位于拱结构正上方和正下方）,通过传感器记录爆炸试验中钢筋混凝土拱典型断面处的水压力及加速度时程曲线。基于Arbitrary Lagrange-Euler (ALE)算法,建立了空气-水-炸药-钢筋混凝土拱等多介质动态耦合作用模型,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值方法的可靠性。采用验证后的数值模型进一步研究了拱外及拱内爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应差异。结果表明：相同炸药当量下,内部爆炸有更多的能量作用于混凝土拱,使结构的动力响应更强烈;外部爆炸下,拱顶、拱腰处产生较大裂缝;内部爆炸时,迎爆面裂缝数量明显增多,拱肩位置出现裂缝。钢筋混凝土拱形结构抵抗外部爆炸荷载的能力明显强于内部爆炸荷载。     

碳纤维布加固钢筋混凝土吊车梁疲劳刚度研究

构件刚度的变化可以较全面地反映构件的整体力学性能。本文以碳纤维加固规范及国内外相关理论研究成果为依据，结合试验研究，通过理论分析的方法，研究了碳纤维布加固损伤钢筋混凝土吊车梁抗弯刚度及在疲劳荷载作用下，构件在整个寿命周期内刚度随时间的变化情况。对比分析数据与试验数据发现：构件刚度的损伤发展有明显的三阶段变形规律；本文理论计算得到的数据与试验数据吻合较好，说明本文给出的关于CFRP加固损伤钢筋混凝土梁的疲劳刖度的理论计算方法可以满足工程设计对精度的要求。     

开小孔钢筋混凝土简支梁的受力性能试验研究

开小孔的钢筋混凝土梁(孔径d与梁高h比小于0.3)具有节省空间和材料等优点,在土木工程中被广泛运用.其受力性能不同于无孔钢筋混凝土梁,孔洞的形状和位置对钢筋混凝土梁的受力性能有明显影响.运用光弹试验研究在集中荷载作用下,对各种形状孔洞在不同位置时的孔洞周边主应力分布,从而得出孔洞的合理形状和位置.再通过承载试验,研究了不同孔洞直径和孔洞位置条件下,梁破坏裂缝的开展,孔边箍筋以及跨中部纵筋的应变分布、挠度变化.根据本次试验结果以及文献资料,提出开小孔钢筋混凝土简支梁在集中荷载作用下的斜截面承载力计算公式.