混凝土层间直剪试验的离散元模拟研究

混凝土的层间结合情况影响结构整体的剪切性能,因此,需要重点研究混凝土层面的抵抗剪切变形的能力.在采用颗粒流离散元软件模拟整浇混凝土直剪试验的基础上,通过生成随机椭球表示层间缺陷,并将细观缺陷作为弱夹杂考虑到离散元接触模型中,模拟层面直接剪切试验的非线性行为.试验结果表明：正压力越大,试件竖直方向的剪胀越小,而层面破坏时接触的拉裂纹数比例有所增高;非整体浇筑引入的层间缺陷削弱了层面的抗剪强度;层面剪切强度的黏聚力比摩擦系数受层面缺陷的影响更加敏感.本文的研究结果为混凝土层面剪切性能的离散元数值模拟和破坏过程研究提供了参考.     

堆石骨料对混凝土层面剪切性能影响的试验研究

堆石混凝土层间界面上露出的块石棱角与周围自密实混凝土的相互作用决定了堆石混凝土的层间抗剪性能。该文设计并完成了24个堆石混凝土施工缝小型直剪试验,通过在施工缝上布置不同抗剪堆石骨料,研究了堆石骨料露出高度、数量和强度以及竖向荷载对堆石混凝土施工缝抗剪性能的影响。试验结果表明堆石骨料对堆石混凝土施工缝抗剪性能有显著影响。试验出现了2种典型的破坏模式:堆石骨料周围混凝土的挤压塑性破坏和堆石骨料直接剪切破坏。堆石骨料露出高度、数量和强度以及竖向荷载的变化会引起施工缝的抗剪性能和破坏模式变化。参考普通混凝土裂缝剪力传递理论,提出了堆石混凝土层间界面抗剪承载力公式,该方法考虑了外露堆石的几何特征,能够体现出不同的破坏模式。利用试验结果对所提出的公式进行验证,验证结果表明所提出的方法能够有效评估堆石混凝土的层间抗剪性能,为今后堆石混凝土层间抗剪能力的设计提供了有益的参考。     

3D打印金属材料疲劳实验及数值模拟研究综述

3D打印金属部件具有无需模具、成型快速、力学性能优异、形状可定制和抗腐蚀性好等优点,广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。然而,当原材料粉末打印为金属部件时,在凝固及随后冷却过程中极易形成残余应力、微细孔洞、未熔化颗粒以及表面粗糙缺陷等问题,导致疲劳寿命和韧性均低于传统制造零件。该文介绍了国内外3D打印金属制造工艺,对静态与疲劳力学实验性能、疲劳裂纹扩展以及对应的数值模拟研究进行了总结,阐述了缺陷表征、后处理加工等因素与疲劳性能之间的关联分析,为我国金属3D打印行业提供参考依据。     

3D打印粗骨料混凝土力学性能

研发了一种可以连续、稳定的打印最大粒径10 mm的粗骨料混凝土3D打印系统。对比测试了3D打印粗骨料混凝土与浇筑混凝土的力学性能,发现3D打印粗骨料混凝土抗压强度呈现细微的各向异性特征(差异在5%以内),而抗折强度呈现显著的各向异性特征(差异在20%～25%之间);与浇筑混凝土相比其抗压强度降低10%～15%,垂直于打印方向的抗折强度(F_y与F_z)降低10%～15%,平行于打印方向的抗折强度(F_x)降低30%～35%。通过微观结构分析发现,3D打印粗骨料混凝土的总孔隙率与浇筑混凝土总孔隙率相近,但3D打印粗骨料混凝土存在明显的层间薄弱区,其灰度值比平均灰度值低25%,说明在层间薄弱区的孔隙分布更加密集,3D打印混凝土中体积在10 mm³以上的大孔隙率较浇筑混凝土高出10.6%。特有的层间结构和较高的大孔隙率导致3D打印混凝土力学性能的各向异性特征和强度的降低。对比发现,3D打印粗骨料混凝土的水泥用量比以往研究中3D打印砂浆的水泥用量减少17.8%～49.6%。     

面向3D打印的纤维混凝土材料的发展现状

3D打印建筑是以数据模型文件为基础,由打印机喷嘴将材料层层挤出,通过分层加工和叠加成型的方式实现建筑物打印建造,是目前最为热点的先进制造技术之一.水泥基复合材料被广泛应用于3D打印建造工程中,但其固有的高脆性是造成结构安全性差的主要原因之一.由于纤维的桥联作用可限制微观裂缝及宏观裂缝的发展,所以将纤维加入水泥基体,可大幅度提高水泥基复合材料的韧性.本文从材料配合比、可打印性、可建造性、使用性能和工程应用5个方面全面综述了面向3D打印的纤维混凝土材料的研究进展,探讨了3D打印纤维混凝土存在的问题和发展趋势.     

贫混凝土基层与水泥混凝土面板层间界面抗剪特性研究

为了得到贫混凝土基层与水泥混凝土面层层间界面的抗剪特性，通过大量的室内直剪试验来模拟路面结构的实际工作环境，模拟了三种不同的层间接触状况，分析了贫混凝土基层与水泥混凝土面层的界面抗剪特性，得到了不同接触状况下的粘聚力和内摩擦角的变化规律。研究结果表明：贫混凝土基层与水泥混凝土面层的层间接触状况对路面结构的抗剪性能具有显著的影响，综合摩擦系数较好地反映了这一变化特性，研究可为贫混凝土基层水泥混凝土路面的设计提供理论依据。     

爆炸复合金属靶抗侵彻性能分析

针对弹体侵彻爆炸复合金属靶的问题,提出了用固连．失效模型反映爆炸复合板层间结合的方法。利用非线性有限元程序LS-DYNA3D对爆炸复合靶的弹道侵彻过程进行了数值模拟。结合弹击实验分析了靶板的破坏机理和吸能方式。借助于数值模拟结果定性地分析了靶板层间结合强度和厚度分布对抗侵彻性能的影响。结果表明：采用该固连-失效模型可较好地模拟爆炸复合靶在弹体侵彻下的变形过程;较硬的面板对弹丸的破坏作用和较软的背板对弹丸能量的吸收作用将使得复合板的抗侵彻性能提高;面板与背板厚度比约为2：1时抗侵彻性能最好;界面结合强度的存在也将提高复合靶的抗侵彻性能。     

钢板不同加固方式加固锈蚀钢筋混凝土梁试验研究与有限元分析

针对桥梁工程中钢筋锈蚀引起RC结构承载性能退化现象,设计了5片试验梁,采用粘钢加固的方式对锈蚀RC梁进行抗弯加固、抗剪加固和抗弯-抗剪组合加固。通过抗弯性能试验研究分析了这3种加固方式对锈蚀RC梁承载性能的影响,并用ABAQUS有限元软件对试验梁进行了数值模拟分析。研究结果表明:3种加固方式均能提高锈蚀RC梁的极限承载力和抗变形能力;不同的加固方式将导致不同的破坏模式;抗弯加固的锈蚀RC梁,其延性和刚度相比于锈蚀梁都得到了提高;组合加固梁的延性对比锈蚀梁延性降低了30.94%;抗剪加固梁的延性最好;采用的有限元数值模拟的方法能合理地反映试验结果。     

服役预应力混凝土空心板梁抗剪承载性能

为分析服役多年的预应力混凝土空心板梁的实际抗剪承载能力及破坏模式,开展了先张法预应力混凝土空心板梁的试验研究和数值模拟.首先对某高速公路拆除的13 m空心板梁进行两点对称加载的破坏试验,然后利用有限元软件ABAQUS对加载全过程进行精细化数值模拟,分析了空心板梁的预应力损失以及后浇层、铰缝与预制梁间的黏结滑移行为对抗剪承载性能的影响,结果表明:服役近20 a的空心板梁抗剪承载力仍能满足规范的抗剪设计要求,并具有较好的延性,但安全富余量仅为6％;后浇层及铰缝对空心板梁抗剪承载力贡献达15％以上,但其与预制梁间的黏结滑移行为对抗剪承载力的影响较小;预应力损失虽会加快空心板梁的裂缝开展进程,但对抗剪极限承载力影响较小.     

自密实混凝土加固碳化混凝土界面剪切性能试验

为研究混凝土构件长期暴露大气中表面形成的碳化层对自密实混凝土加固混凝土黏结界面剪切性能的影响,为该类结构加固设计提供依据,设计不同碳化程度Z形黏结试件进行直剪试验,考察混凝土碳化深度、混凝土强度和界面处理方式等对黏结试件破坏形式和抗剪强度的影响,并在试验基础上建立碳化混凝土黏结界面抗剪强度预测模型。研究结果表明:混凝土碳化引起黏结界面剪切裂缝分布形式的改变;混凝土碳化后强度和弹性模量均有所增强,在黏结界面间形成一个局部强化区域,剪切裂缝由原来的界面裂缝逐渐向老混凝土内部转移,扩展至碳化强化区与未碳化区交界面;混凝土碳化使得黏结界面抗剪强度增强,碳化初期,黏结界面抗剪强度增长迅速,达到一定碳化深度后,其增长幅度变小;黏结界面抗剪强度与新老混凝土的强度、界面处理方式等也密切相关,对于Ⅰ类和Ⅱ类界面,一定范围内增大新混凝土强度对于提高界面抗剪强度具有积极作用;当新老混凝土强度相差超过2个标号时,继续提高新混凝土强度作用不大;Ⅲ类界面植筋能有效提高抗剪强度,且其抗剪强度由较低强度混凝土控制。     

新型混凝土喷层试验研究及工程应用

根据聚丙烯纤维混凝土结构力学原理,研究聚丙烯纤维混凝土喷层在煤矿锚喷巷道支护中适用性,结合淮北桃园矿区典型锚喷巷道工程,完成聚丙烯纤维混凝土喷层的合理配比及抗拉、抗压、抗剪等指标的室内试验.数值模拟结果表明,与普通混凝土喷层相比,聚丙烯纤维混凝土喷层中的应力分布较均匀,有较好的让压能力;工业性试验证明聚丙烯纤维混凝土喷层抗拉强度高、韧性好、回弹量低及工艺简单等特点,具有较高的推广应用价值.     

纤维增强多层水泥板结构性能研究的试验方法

随着社会科学技术的进步,土木工程结构学科的发展,在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展,通过对加压水泥板的抗弯、抗折、抗冲击性等性能和研究纤维增强复合材料的抗拉、抗剪、抗疲劳等性能的研究,研发一种可用于建筑外墙、楼板的结构板.纤维(碳纤维,芳纶纤维或玄武岩纤维)增强多层水泥板由2～3层水泥加压板和1～2层网状纤维由粘结剂粘接组成结构板.通过试验研究不同纤维配置和粘结剂对其结构性能的影响,提出纤维增强多层水泥板的设计、制造方法和构造措施.     

栓接装配式钢-混凝土组合梁及其抗剪键的力学性能研究

为了探究摩擦型高强度螺栓在装配式钢-混凝土组合梁中的适用性,采用ABAQUS有限元软件建立了推出试件和简支梁试件的有限元模型。在试验结果验证模拟可靠性的基础上,研究了螺栓预拉力、螺栓孔径、混凝土强度和螺栓强度等因素对单个抗剪键及整体组合梁的影响。分析结果表明：抗剪键的受力过程分为摩擦、滑移、承压和破坏四个阶段;螺栓预拉力、混凝土强度的增大有利于提高摩擦型高强度螺栓的极限承载力和承压抗剪刚度,较大的混凝土孔隙显著降低了螺栓抗剪刚度;提高螺栓预紧力或提高混凝土强度均可增强钢与混凝土部件的组合作用,相反,在抗剪连接程度不变的情况下,提高螺栓等级导致界面刚度分布不均,不利于滑移控制。     

水性环氧树脂微表处的层间抗剪性能

为改善路面加铺微表处薄层罩面后新旧路面间的层间抗剪性能,采用水性环氧树脂(WER)对微表处进行改性。依据直剪试验,研究环氧树脂掺量、油石比、黏层油种类及用量、旧路面类型及水分对环氧树脂微表处层间抗剪性能的影响。结果表明,在微表处中加入水性环氧树脂能改善混合料的抗剪性能;与丁苯橡胶(SBR)改性乳化沥青相比,水性环氧改性乳化沥青高温及黏结性能更好,作为黏结材料对于提高路面层间抗剪性能更有优势;当微表处掺15%水性环氧树脂,油石比为7.7%,黏层油选用水性环氧乳化沥青且用量为0.6 kg/m2 时,结构层层间抗剪性能较好;在沥青混合料与水泥混凝土两种界面上,微表处与沥青混合料的层间抗剪性能更好。     

纤维网片复合方式对纤维增强水泥基材料性能的影响

在分析渍浆纤维混凝土(SIFCON)和渍浆网片混凝土(SIMCON)各自优缺点的基础上，研究了不同性质乱向短纤维和定向纤维网片复合及不同性质网片组合方式对纤维增强混凝土性能的影响．实验结果表明：各种纤维体积分数下定向网片与乱向短纤维复合增强混凝土各项性能明显优于单用乱向短钢纤维增强混凝土；当纤维总体积分数为8％时，由2层细孔编织钢丝网和3层细孔玻纤网组合网片型式B(网片体积分数为0．7％)与乱向短纤维(体积分数为7．3％)复合增强混凝土，其抗弯强度、抗剪强度、弯曲韧性(I5)比短切钢纤维增强混凝土(SIFCON)分别提高了45％，25％和46％，从而揭示了高弹模与低弹模纤维复合、乱向纤维与定向纤维网复合，优化纤维分布和取向，使其在材料层次和结构层次协同作用的优势得以发挥，并以较低的成本和较方便的施工工艺制备了高性能纤维增强水泥基复合材料。     

HPFL加固预制空心板的数值模拟与试验研究

对HPFL加固预制混凝土空心板抗弯性能和抗剪性能进行了试验研究,以此为基础利用ANSYS有限元计算软件对HPFL加固预制空心板进行了数值模拟.与试验结果进行比较分析,研究加固构件的抗弯性能和抗剪性能.通过有限元建模进一步研究了HPFL加固层砂浆强度、HPFL加固层钢筋网尺寸、HPFL加固条带宽度和预制空心板板体拼装方向等因素对HPFL加固预制空心板抗剪性能的影响.结果表明,有限元计算结果与试验结果基本一致,用HPFL加固预制空心板是一种提高预制空心板抗弯性能和抗剪性能的有效加固方法.HPFL加固层砂浆强度和HPFL加固条带宽度对预制空心板抗剪性能影响最大,随着HPFL加固层砂浆强度提高和HPFL加固条带宽度增大,预制空心板抗剪极限承载力显著提高;HPFL加固层钢筋网尺寸对预制空心板抗剪性能影响不明显;HPFL能同时提高预制空心板平面内横、竖两个方向的抗剪极限承载力.     

纤维织物增强高延性混凝土加固RC短柱抗剪性能试验研究

为研究纤维织物增强高延性混凝土（TR-HDC）加固钢筋混凝土短柱的抗剪性能，设计了6根钢筋混凝土柱，包括2个对比柱和4个TR-HDC加固柱. 通过低周反复荷载试验，对比分析剪跨比、纤维织物层数对试件破坏形态、变形、承载力和耗能能力的影响. 结果表明：采用TR-HDC加固钢筋混凝土短柱，可显著提高其抗剪承载力；TR-HDC与原混凝土柱协同工作性能良好，加固后的混凝土柱的变形、承载力和耗能能力明显提高；增加纤维织物的层数对钢筋混凝土短柱的抗剪承载力提高幅度较小，但可大幅增强柱的耗能和变形能力；剪跨比较大时，更有利于发挥TR-HDC加固材料的力学性能. 基于桁架-拱模型，提出TR-HDC加固钢筋混凝土短柱的抗剪承载力计算方法，计算结果较准确.     

沥青混凝土芯样层间抗剪性能试验的研究

沥青混凝土路面各层结构间的联结状态,直接影响沥青混凝土路面是否会产生变形、推移类病害.钻孔芯样代表着沥青混凝土路面的真实状态,通过对其层间抗剪能力的评价,可以评价整个路面的层间抗剪性能.开发了适用于MTS机械的剪切模具,并确定了试验参数,可以较理想地评价圆柱形芯样的层间抗剪性能.     

自保温再生混凝土砌块砌体抗剪性能数值模拟

为探讨研制的自保温再生混凝土砌块砌体的抗剪性能,选取10.6 MPa和4.5 MPa两种强度砌块及15 MPa、7.5 MPa和5.0 MPa三种强度砂浆,分析了不同材料在ABAQUS数值模拟中本构模型和相应参数的选取,进行了不同强度的砌块与砂浆组合砌筑砌体抗剪性能的数值模拟分析.结果表明:砌块和砂浆的强度较为一致时,有利于砌体发挥较好的受剪性能;单独提高砌块或砂浆的强度,对砌体受剪性能的提升效果有限;但砂浆强度高时,砌体受剪破坏后仍能保持较高的残余应力;砂浆强度过低时,砌体受剪性也随之急剧降低.     

开孔钢板铰缝连接构造推出试验与数值模拟

目的针对公路空心板混凝土铰缝易损坏现象,提出了开孔钢板连接构造,从而解决混凝土铰缝破坏后单板受力的安全问题.方法通过铰缝结构的推出试验,并观察试件的破坏过程和破坏形态,分析开孔板铰缝连接构造的破坏机理;针对铰缝结构的抗剪性能,采用有限元与推出试验相结合的方法,对开孔板铰缝连接构造进行数值模拟.结果在试验荷载刚开始作用于试件时,由于本身静摩擦力存在,结合面未发生滑移;随着荷载增加,结合面内部开始产生微裂纹,并逐步形成较大裂缝,开孔板、贯穿钢筋、混凝土榫及铰缝结合面共同承受外荷载;铰缝结合面产生贯穿裂缝,界面剪力完全由开孔板、钢筋混凝土榫承担,直至完全破坏.结论推出试验荷载-滑移曲线及试件的破坏形态验证了数值模拟方法的正确性,可为进一步对该新型结构抗剪性能及计算方法研究提供依据.