3D打印混凝土各向异性力学性能研究

近年来,混凝土3D打印技术在土木建筑等领域取得了快速的发展和应用。与模板浇筑工艺不同,3D打印在逐行逐层堆叠的建造过程中引入了一定量的层间弱面和空隙,造成了细观非均质性;而且3D打印过程无法自动嵌入钢筋,制备纤维混凝土作为打印材料可有效改善力学性能。本文首先制备了一种适用于挤出型3D打印工艺的玄武岩纤维增强陶砂混凝土,将水平打印层作为XY平面,然后从三个正交方向加载,实验测试了3D打印混凝土的抗压、抗弯等力学性能,提出了各向异性系数及其评估方法。研究结果表明,对于单轴压缩,X方向强度最高,而对于抗弯性能,Y方向强度最高。纤维对挤出型3D打印材料的各向异性影响较大,纤维掺量越大,各向异性越大。     

性能增强再生混凝土梁受弯性能试验研究

设计并完成了6根再生混凝土梁试件,其中1根普通再生混凝土梁,3根不同硅粉掺量再生混凝土梁,2根子午线钢纤维与尼龙纤维组成的混杂纤维再生混凝土梁。对该6根梁进行了抗弯性能试验,探讨了普通及性能增强再生混凝土梁受力变形机理及破坏特征。试验结果表明：普通及性能增强再生混凝土梁受力过程仍具有较为明显的弹性、开裂、屈服、极限四个过程;其受力过程基本符合平截面假定,能够按照混凝土结构设计规范(GB50010-2010)进行结构设计;相较于普通再生混凝土,性能增强再生混凝土梁在抗开裂及极限承载力等性能方面更为优异,能够应用于工程实际。最后利用ABAQUS有限元软件对试验梁试件进行了有限元分析,结果表明有限元分析所获得的受弯过程与试验过程吻合较好,验证了试验的正确性。     

碳纤维增强混凝土缺口梁承载力试验研究

利用纤维薄板对混凝土构件进行加固或修补以提高其承载能力及延长使用寿命是一种新的先进补强方法。本文通过改变试件的缺口高度（α0）和纤维薄板长度（LX）,对素混凝土以及碳纤维薄板增强混凝土三点弯曲缺口梁试件进行对比试验研究,探讨两种梁的破坏机理及其极限承载力。试验及分析结果表明,采用碳纤维薄板外贴在梁的底部可提高梁 的整体刚度和强度,抑制混凝土中裂缝的扩展,改变梁的破坏模式,并大大提高其极限承载能力（可提高1．7－6．9倍）。     

受压区跨中加强塑钢纤维轻骨料混凝土梁受弯性能试验研究

考虑到塑钢纤维轻骨料混凝土梁受压区跨中的力学性能是梁整体受弯力学性能提高的关键因素,以跨中局部受压区使用钢纤维加强、螺旋箍筋和矩形箍筋加强3种加强方式为基本参数,完成了6根受压区加强塑钢纤维轻骨料混凝土梁受弯加载试验研究。讨论了加强方式、纵筋配筋率和加强区混凝土强度对塑钢纤维轻骨料混凝土加强梁受弯力学性能产生的影响。结果得出：塑钢纤维对轻骨料混凝土梁有增韧阻裂、延缓裂缝发展的作用,且经受压区跨中加强后的塑钢纤维轻骨料混凝土梁超筋破坏现象得到明显改善;受压区跨中使用螺旋箍筋加强试件的承载力和延性最好,受压区跨中使用钢纤维加强试件的混凝土极限压应变最大,受压区跨中使用矩形箍筋加强混凝土试件延性最差;增大纵筋配筋率,受压区跨中使用钢纤维加强试件的承载力有明显提高,但延性降低,增大加强区混凝土强度,受压区跨中使用钢纤维加强试件承载力有一定程度提高,而延性变化不大。     

3D打印石膏试件力学性质实验

3D打印技术目前已广泛应用在医疗、航空、汽车、建筑等领域,文中做了3D打印技术在岩石力学领域的应用尝试.利用3D打印技术制作两种类型的石膏试件进行实验室单轴压缩试验.实验表明：3D打印技术可以快速、精确、灵活地制作出所需复杂尺寸的试件;打印石膏试件密度较低;3D打印石膏试件具有强度低和塑性强的特性;简单标准试件的力学性质具有可重复性,含裂纹试件力学性质差异较大;含裂纹试件的制作尚存在技术上的困难.     

3D打印多孔热固性聚酰亚胺含油复合材料

以氯化钠(NaCl)作为致孔剂与流变性能调节剂,碳纤维(CF)作为增强填料与流变性能调节剂,苯乙炔基封端聚酰胺酸溶液(PAA)作为基体树脂,配制适用于直书写3D打印的复合墨水,室温下打印成形后经热固化处理和NaCl刻蚀去除后制备了多孔热固性聚酰亚胺/碳纤维(TSPI/CF)复合材料. 研究表明:NaCl与CF对复合墨水的流变学性能具有好的调节作用;打印制备的TSPI/CF复合材料具有低的各向同性尺寸收缩和优异的耐热性能,且耐热性能随着CF含量的增加而提高;CF含量升高,TSPI/CF复合材料的孔隙率提高,平均孔径降低,力学性能增强;多孔TSPI/CF复合材料表现出优异的储油、出油性能以及浸油摩擦学性能.      

配有斜筋混凝土梁抗剪承载力计算与试验

以剪压破坏时配有斜筋的混凝土梁为研究对象,考虑临界斜裂缝处各钢筋拉应力和剪应力的影响,基于极限平衡理论和复合应力状态下混凝土的强度准则,建立了极限抗剪承载力的计算公式。对配有斜筋混凝土梁进行的试验研究发现,理论值与试验值的误差不超过5%。研究表明:箍筋与纵筋、斜筋与纵筋的相对配筋率以及剪跨比对临界斜裂缝顶端混凝土受压区的高度影响较为显著,进而影响抗剪承载力;临界斜裂缝顶端混凝土在复合应力状态下发生破坏,竖向压应力的作用不应忽略;斜筋和箍筋的剪应力对极限抗剪承载力影响较小,计算中可不予考虑。     

复式钢管混凝土T形件单边螺栓节点承载力研究

T形件单边螺栓连接节点应用到复式钢管混凝土结构中可充分利用双层钢管的截面特点,传力性能好且抗震性能高。对5个节点试件进行柱端水平往复加载试验并进行了数值模拟分析,试验中T形件因加肋方式不同出现了3种变形特征,而节点整体的破坏形态均为T形件屈服后钢梁塑性变形,数值模拟结果与试验结果吻合较好。根据试验和有限元结果分析了节点传力构件的受力机理,提出T形件受拉模型,分别计算T形件翼缘和加劲肋提供的抗弯承载力,从而得到节点的抗弯极限承载力计算公式,计算结果与试验结果误差较小,与数值模拟结果也十分相近。研究结果表明采用T形件受拉模型计算的节点承载力公式适用于T形件与单边螺栓强度相匹配的情况,T形件加肋形式对节点极限承载力影响最大,其次为T形件翼缘厚度,T形件腹板厚度影响很小;此外随着T形件翼缘厚度的增加节点承载力提高越来越小,故得出了单边螺栓直径与T形件翼缘厚度的最大临界值和最佳匹配值,为该节点工程应用提供理论参考和设计依据。     

3D打印技术在岩石力学中的应用

3D打印技术是近30年快速发展的先进制造技术,不同于传统成型技术所采用的压制、锻造、铸造等方法,3D打印技术的原理是通过计算机构建三维数字模型后,用极薄的物理层将构件叠加打印出来.本文根据打印材料以及成型工艺的不同,对代表性3D打印技术进行了详细的分类,井阐明了不同种类的3D打印机工作原理,同时总结了3D打印技术的研究...     

配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能,以混凝土强度、体积配箍率和配箍形式为变化参数设计6个试件进行轴心受压加载试验。试验结果表明,所有试件的破坏形态和荷载-轴向位移曲线相似,配螺旋箍筋的试件变形性能要优于配普通箍筋试件,配矩形螺旋箍筋的试件极限承载力随混凝土强度、体积配箍率的增加而提高。在试验基础上,采用基于叠加理论的计算方法对配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压承载力进行计算,给出了相关设计建议,研究结果可为配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱的工程应用提供科学依据。     

孔洞缺陷对3D打印Ti-6Al-4V合金疲劳试样应力分布的影响

3D打印金属技术因其个性化及可用于加工复杂零件等显著优点,在医用骨植入体领域得到了快速发展,但3D打印金属材料的孔洞缺陷所引起的应力集中现象严重降低了其疲劳强度,限制了3D打印生物金属材料的运用。本文针对3D打印Ti-6Al-4V合金超声疲劳试样,分析了Micro CT扫描试样得到的三维图像,获得了试样内孔洞缺陷的数量与体积;选择体积分数占比最大的孔洞,采用有限元方法分析了三种不同孔洞分布形式下的局部应力集中现象。研究发现,因空间位置的不同,独立的孔洞、接近自由表面的孔洞、相邻的孔洞三种不同孔洞的分布情况的应力集中系数差异显著。研究结果在一定程度上解释了目前EBM技术打印Ti-6Al-4V合金的孔洞缺陷如何对材料受力后的局部应力情况产生影响。     

3D打印模型在光弹性法教学中的应用研究

本文将3D打印技术引入光弹性法的教学中,解决了传统技术制作光弹模型时成型周期长、试样初始残余应力较大等问题.以圆盘为例,详细介绍了3D打印光弹模型的制备过程.基于光弹系统测量得到了对径受压模型内部的等倾线、等色线相位和条纹值.制备了含不同形状孔隙的教学模型,丰富了课堂内容.展示了数字模型设计、物理模型制备、光弹条纹图采...     

粘贴碳纤维布加固混凝土管道试验研究

首次通过对14个素混凝土和14个钢筋混凝土环状试件外粘碳纤维布加固性能进行试验，研究了碳纤维布加固混凝土内压圆管的破坏特征、受力性能和破坏机理。对不同加固方法及一次或二次受力的混凝土管在内压力作用下的极限承载力、荷载一应变关系等方面进行了研究。试验结果表明，用碳纤维布加固混凝土内压管可以显著地提高极限承载力，明显的改善了构件的延性，能够获得良好的力学性能。加固后试件的开裂承载力与未加固试件相比，提高幅度不大，加固试件二次受力与一次受力相比，开裂荷载有所降低，但极限承载力基本相同。用碳纤维布加固内压管是一个新课题，具有很好的应用前景，用本文提出的加固方法具有优良的加固性能，可为工程应用提供参考。     

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。     

光固化3D打印与传统涂膜法制备聚酰亚胺的摩擦学性能比较研究

为研究光固化3D打印成形技术及其材料配方对光敏聚酰亚胺摩擦学性能的影响,分别采用光固化3D打印技术和传统涂膜成形对比评价了几种光敏型和热固型聚酰亚胺的摩擦学性能、热稳定性及机械性能等.研究表明：为适应光固化3D打印成形需要而加入的活性稀释剂和交联剂对光敏聚酰亚胺的机械性能具有提升作用,但削弱了减摩抗磨和耐热性能;相较于涂膜成形的热固性聚酰亚胺,3D打印样品的耐热性能降低,摩擦系数升高了0.08,磨损率增加了9×10^-6 mm³/(N·m).尽管光固化3D打印聚酰亚胺的减摩抗磨性能低于热固成形聚酰亚胺,但基于光固化3D打印技术的一体成型、高精度和自由制造等诸多优势,对实现高性能及复杂结构精密润滑器件的一体化智能制造具有重要的工程意义.     

纤维对3D打印水泥基材料力学性能的影响

将不同长度的PVA和玄武岩纤维分别以单一及混合形式掺入3D打印水泥基材料中,研究了纤维种类、长度、混合形式等对打印材料力学性能的影响规律.研究结果表明,PVA及玄武岩纤维的掺入均有助于提升打印材料的抗折强度;对于PVA纤维,以6mm和12mm长度的PVA纤维复掺后,对打印材料的力学性能提升效果最佳;玄武岩纤维则是以6m...     

3D打印随机蜂窝夹芯圆管结构的准静态轴向压溃性能研究

利用3D打印技术,构建了具有特定细观结构的轻质随机蜂窝柱壳结构,研究了该蜂窝柱壳及其夹芯圆管结构的准静态轴向压溃性能,分析了芯层细观结构参数和内外管的几何参数组合对夹芯圆管结构压渍性能的影响.结果 表明,随机蜂窝夹芯圆管结构外管变形模式受到内外管的几何尺寸和蜂窝芯层细观结构参数的影响,芯层与管壁之间的相互作用增强了结构...     

CFRP-混凝土界面粘结的疲劳性能试验研究

外贴FRP是重要的混凝土结构加固技术,但目前对外贴FRP加固混凝土结构的疲劳性能研究尚不充分,尤其对FRP-混凝土粘结界面的疲劳退化规律和破坏模式的研究更为缺乏。本文采用双面剪切试件,通过2个静载试件和4个疲劳试件的试验研究,考察了粘结长度和胶层厚度等因素对FRP-混凝土界面粘结疲劳性能的影响。通过分析沿粘结长度的FRP应变分布在疲劳循环过程中和疲劳后静载过程中的变化情况,讨论了不同粘结长度和粘结胶层厚度条件下的粘结界面疲劳退化规律和疲劳后静载性能。试验结果表明:胶层树脂-混凝土粘结界面是发生疲劳剥离破坏的薄弱环节;胶层厚度增大时,由于疲劳引起的界面损伤累积发展显著减小,疲劳后静载中胶层厚度较大试件的粘结承载力也更大;粘结长度增大时,界面粘结呈现更为明显的损伤退化,但由于试验粘结长度小于有效粘结长度,疲劳后的静粘结承载力仍更大。     

爆炸聚能作用下混凝土试件劈裂的高速3D DIC实验

为探寻非钻孔条件下露天爆破大块二次破碎形态的控制方法, 应用线性聚能射流对圆柱混凝土模型试件进行侵彻实验, 使用High-speed 3D DIC(高速三维数字图像相关方法)方法分析试件劈裂发展过程的全场三维形变特征。研究结果表明, 数据分析区内劈裂裂纹扩展速度在4个区间内呈阶梯式变化趋势, 峰值速度为235.52 m/s, 平均速度为140.89 m/s;线性聚能射流侵彻对劈裂裂纹扩展有明显导向作用, 应力集中作用使得劈裂裂纹围绕线性射流侵彻对称轴扩展, 扩展方向变化幅度较小;在劈裂裂纹扩展速度突变的3个时刻, 劈裂裂纹路径产生了3处明显拐点, 在拐点处伴随有支裂纹的产生, 支裂纹的扩展距离均未超过5 cm;主应变集中带形状及分布位置决定了裂纹扩展路径及趋势, 拉应变集中先于裂纹出现, 试件呈现准静态劈裂形态, 劈裂面平整度较高。     

型钢再生混凝土组合柱水平承载力试验及计算方法研究

基于17个型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验,分析了再生粗骨料取代率、轴压比、体积配箍率以及剪跨比对组合柱水平承载力的影响规律。通过实测型钢腹板与翼缘,箍筋及纵筋的荷载-应变曲线,并结合组合柱的破坏形态特征,分析了型钢再生混凝土组合柱在水平荷载作用下的破坏机理。在此基础上,分别推导了型钢再生混凝土组合柱发生剪切斜压破坏和弯曲破坏时的理论计算公式。为了便于计算,本文提出了型钢再生混凝土组合柱水平承载力实用计算公式。结果表明,组合柱的计算水平承载力与试验值吻合较好,满足计算要求。上述研究结论可为型钢再生混凝土组合柱的抗震设计提供参考。