超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能理论研究

超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）无论在拉伸还是弯曲荷载作用下都表现出明显的应变硬化特征并且其极限拉伸应变稳定地达到3%以上,同时将传统水泥基材料在单轴抗拉荷载下单一裂纹的宏观开裂模式转化为多条细密裂纹的微观开裂模式,并且在极限荷载时其平均裂缝宽度仅为60μm.依据功能梯度这一概念,利用其优秀的裂缝控制能力,将普通钢筋混凝土梁的受拉区纵向钢筋周围部分混凝土替换为UHTCC,开展了超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁受弯性能的研究工作,先后完成了受弯理论分析、无腹筋复合长梁实验研究、试验研究与理论分析验证对比、裂缝控制分析等方面研究.结果表明,使用UHTCC控裂的功能梯度复合梁不仅承载力较普通钢筋混凝土梁有所提高,并且能够有效地防止钢筋锈蚀破坏的发生,从而提高结构的耐久性.对整个加载过程中复合梁的内力变化和裂缝开展进行了探讨,并按照弹性理论给出了正截面受弯各阶段内力分析、加载至破坏整个过程的弯矩-曲率关系的确定,以及跨中挠度、截面延性指标的计算,同时通过试验结果对理论公式进行了验证.     

钢筋增强超高韧性水泥基复合材料RUHTCC受弯梁的计算理论与试验研究

UHTCC（ultrahigh toughness cemenfitious composite）是一种超高韧性新型水泥基复合材料，具有应变硬化的受拉特性和优良的裂缝分散能力，可显著提高结构的力学性能和耐久性，被有关权威专家认为对防裂、限裂及抗震要求较高的结构能极大提高其耐久性和抗震性，具有重大的突破意义和较广泛的推广应用前景．本文着眼于该新型材料，研究了钢筋增强超高韧性水泥基复合材料即RUHTCC梁的弯曲性能．以平截面假设为依据，根据物理方程、变形几何方程以及力与弯矩的平衡方程，导出了RUHTCC梁从加载开始到极限破坏整个过程中受压区按折线应力分布图计算的正截面承载力基本方程，并给出了便于工程设计的按等效矩形应力分布图计算的简化公式，确定了等效矩形中两个等效参数的取值，并进一步推出了界限配筋率、正截面抗弯刚度以及韧性指数的计算公式．进行了两组不同配筋率的RUHTCC梁和普通钢筋混凝土RC梁的弯曲试验，结果与理论公式较为吻合，延性指数试验值与计算值存在一定差异．与RC梁的比较发现，RUHTCC梁有高的承载力、延性和控裂能力，且配筋率越小，其提高的幅度越大．     

纤维编织网联合钢筋增强混凝土梁受弯性能解析理论

纤维编织网增强混凝土（TRC）是一种新型的高性能纤维增强水泥基复合材料，其不但有良好的耐腐蚀性，还可以有效限制混凝土的裂缝发展，使混凝土的裂缝宽度和间距变得更小．但由于纤维本身的脆性特征，使TRC结构达到极限荷载时没有明显的破坏预兆，而普通钢筋混凝土结构则由于特殊保护层厚度的限制，具有较大的自重，且不能有效限制结构的主裂缝发展．为克服二者的不足，本文创新性地提出纤维编织网联合钢筋增强混凝土结构，其充分利用了TRC和RC的优点．采用TRC替代其受拉区保护层的部分混凝土，同时减掉纤维编织网所替代钢筋用量，以发展一种自重小、使用安全、耐久性好的结构．分析了这种结构适筋梁的受弯发展过程，基于平截面假定按非线性分析理论给出了整个受力过程不同阶段梁的承载力，M-φ关系和跨中挠度的解析计算公式．最后通过与试验结果的对比，验证公式的合理性．     

混凝土强度等级对全珊瑚海水钢筋混凝土梁抗剪性能的影响

通过对全珊瑚海水钢筋混凝土梁(coral aggregate reinforced concrete beam, CARCB)和普通钢筋混凝土梁(ordinary aggregate reinforced concrete beam, OARCB)进行斜截面抗剪性能试验,研究了混凝土强度等级对CARCB的裂缝发展、破坏形态、跨中变形及抗剪承载能力的影响,建立了弯矩-跨中挠度、挠度-梁长、荷载-最大裂缝宽度的关系,探讨了CARCB抗剪承载力(Vcs)的计算模型.结果表明:随着混凝土强度等级的提高, CARCB正截面开裂荷载(Vcr)、斜截面Vcr和Vcs均逐渐增大.不同混凝土强度等级的CARCB,其裂缝宽度均随着荷载的增大而增长,加载初期,在梁跨中附近出现正截面弯曲裂缝,裂缝宽度开展非常缓慢,随着荷载的增加,在支座向集中力作用点处出现斜裂缝,斜裂缝宽度迅速增大,最终导致梁破坏.在C60的CARCB中采用有机新涂层钢筋能有效抑制钢筋锈蚀.最后,综合考虑箍筋锈蚀和高强珊瑚混凝土(coral aggregate concrete, CAC)的影响,提出了更加合理的CARCB抗剪承载力计算模型.     

钢筋混凝土断裂全过程声发射特征辨识及相关参量影响

以声发射参量为切入点,通过开展带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件声发射试验,采用振铃计数率-时间曲线、累计振铃计数-时间曲线、能量-时间曲线和累计能量-时间曲线等,研究了不同设计强度等级和不同配筋率混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程声发射参量基本特性.研究结果表明:通过振铃计数-时间曲线和能量-时间曲线相互结合,可以更加准确地判断三点弯曲梁试件的起裂荷载和失稳荷载;初始设计强度对混凝土和钢筋混凝土断裂过程声发射参量具有一定影响;配筋率不同,钢筋混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程也不相同,其对应的声发射信号也存在有一定差别.为进一步研究混凝土三点弯曲梁断裂破坏过程提供了一定的试验依据.     

落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的实验研究

钢筋混凝土结构在受到爆炸、冲击等荷载作用时的设计及安全性受到越来越多的关注.本文采用落锤三点弯曲实验方法对具有不同黏结强度的钢筋混凝土梁进行研究,探讨不同速度冲击下混凝土结构的破坏机理及钢筋黏结强度作用,实验结果显示:(1)钢筋混凝土梁的冲击力响应曲线峰值与钢筋黏结强度无关,为混凝土结构的响应,随速度提高而提高;(2)裂纹分布和发展模式与冲击速度相关,在较低速度冲击下,钢筋混凝土梁主要呈现弯曲破坏模式,随加载率提高向剪切破坏模式为主转变,更高速度下为冲切破坏控制;(3)钢筋黏结强度对破坏模式转变有影响,钢筋混凝土黏结强度低,越易产生剪切破坏,且易出现混凝土的块状破碎崩落,塑性铰破坏也会提前.     

基于梁-颗粒模型的钢筋混凝土结构爆炸破坏数值研究

钢筋混凝土在爆炸载荷下的力学行为研究是防灾减灾与防护工程领域的重要研究课题.在离散元框架内,开发了模拟钢筋混凝土结构;在爆炸载荷下破坏过程的三维梁-颗粒模型,在弹性范围内,用矩阵位移法描述梁的变形与受力的关系,提出了用应力表达梁的强度准则.基于Cowper-Symonds理论,开发了描述钢筋在高加载率荷载下变形的梁-颗粒模型.采用C＋＋语言开发了模拟程序.进行了钢筋混凝土板在爆炸载荷下破坏规律的实验研究,同时用开发的模型进行了数值模拟,模拟结果与实验结果的对比表明：模拟结果与实验结果基本一致,所开发的模型可以反应爆炸载荷下钢筋混凝土材料的破坏特征,能够真实地体现爆坑的形成、裂纹的扩展、层裂等现象.     

梯度功能材料结构的广义当量反对称弯曲理论

根据结构与材料的特性, 将梯度功能材料(FGM)结构定义为一个广义当量反对称结构, 这是为将成熟的板壳理论和复合材料层合理论应用于FGM结构而提出的一种新概念和新思想. 在此基础上, 提出一种用于梯度功能材料结构特性分析的新理论——广义当量反对称弯曲理论, 结合广义双重Fourier级数解法, 对有着实际应用背景的FGM结构进行具体的分析计算, 并与现有的理论和实验进行对比.     

超高强度活性粉末混凝土的韧性与表征方法

通过不同钢纤维掺量RPC200的三点弯曲和断裂实验，研究了RPC的韧性机制与韧性特征，分析了梁不同变形方式下钢纤维对提高RPC抗裂能力、耗能能力和韧性所起的作用．根据RPC200初裂变形、峰值变形及其增幅随钢纤维含量增加而变化的事实，以及梁变形方式对初裂和峰值行为的影响，提出用素RPC200峰值变形作为初始参考变形来计算RPC200韧性．针对RPC200的P-6和P-CMOD响应分别定义了韧性指标T2（n-1）（n）和FT2（n-1）（n），该指标以理想弹塑性材料的韧性水平2（n-1）为基准，表述了不同变形方式下相比理想弹塑性材料RPC的韧性水平．分析表明：韧性指标T2（n-1）（n）可以反映整体变形时钢纤维对提高RPC韧性的作用，但指标T2（n-1）（n）放大了钢纤维对提高RPC峰值后韧性的作用，未能反映出钢纤维对提高初裂至峰值阶段RPC韧性的贡献．韧性指标FT2（n-1）（n）反映了变形集中在断裂面上时钢纤维对阻滞RPC基体裂纹扩展而吸收能量的作用，较好地反映出钢纤维对提高RPC初裂至峰值阶段以及峰后阶段韧性的贡献．本文方法直观地反映了RPC的韧性特征与韧性水平，为建立统一的RPC韧性指标体系和方便工程应用提供了参考．     

钛合金室温和高温三维复合型断裂实验研究

钛合金结构在复杂载荷和工况下的损伤容限对现代飞行器安全十分重要,但至今没有结构三维几何尺寸因素对材料高温断裂性能的影响结果报道.利用新发展的光测断裂试验技术,对航空结构材料TC11高温钛合金制成的紧凑拉伸剪切试样,在3种不同温度条件下进行了多种厚度（1.8～7.1mm）的I/II复合型断裂试验,系统分析了温度、厚度和复合载荷对断裂承载力和裂纹起裂角的影响.结果表明,TC11材料在室温下断裂承载力随厚度增加单调降低;在高温下则呈现与室温下不同的厚度效应：温度明显降低2mm试样的承载能力,而增强7mm试样的承载能力,4mm试样的承载能力则较少变化.I/II复合加载时起裂角在室温和高温条件下都存在一定的厚度效应和温度效应.这些复杂的厚度-温度耦合效应不能用已有断裂理论准确预测,必须发展新的三维复合型断裂理论和评定技术.     

高等级油气管线钢的断裂韧性测试方法

本文对目前管线钢断裂韧性的测试方法做了综合性的比较，得出测试高等级管线钢断裂韧性最合适的参数是CTOD（裂纹尖端张开位移）或CTOA（裂纹尖端张开角）。CTOD试验按国际通用规范BS7448，可以按实际厚度制作试样，保存了原结构的尺寸效应，所测得的韧性会比较准确、可靠；CTOA是目前用于反映高钢级输气管线止裂性能的参数，通过高速摄影机拍摄张开的角度直接测量，能方便直观的反映管材的止裂韧性。     

增强相对镁基复合材料性能的影响分析

在AZ91D镁合金中仅添加Al_4Sr增强相,或复合添加Al_4Sr和石墨烯增强相,分析不同增强相对镁基复合材料的显微组织、耐磨损性能、耐腐蚀性能和高温力学性能的影响。结果表明,复合添合Al_4Sr和石墨烯增强相不仅明显提高材料的高温强度、耐磨损性能和耐腐蚀性能,还能改善材料的塑韧性。与未添加增强相的AZ91D镁合金相比,复合添合Al_4Sr和石墨烯增强相可使合金的150℃抗拉强度提高98.9%、屈服强度提高175.2%、断后伸长率基本不变,室温磨损体积减小85.5%,室温腐蚀电位正移198 m V。     

金属基复合材料界面层阻尼功能研究

采用CVD技术制备了具有不同界面层的C-f/Al金属基复合材料，获得了一种界面层阻尼功能设计的新方法. 研究发现具有特殊界面层的C-f/Al复合材料的抗拉强度、弹性模量和阻尼性能比无界面层时都有明显增加，并且不同界面层的效果不同. 碳层对复合材料阻尼性能的提高效果最大，硅层的提高效果不如碳层，碳硅混合层的效果居中. 涂层的厚度也影响了阻尼提高的效果，较厚的碳层效果更好，这是由于提高了复合材料的阻尼应变振幅效应而产生的. 研究认为发生在界面层的微滑移是其主要的阻尼机制.     

新型可测量大变形的弯曲型光纤光栅裂缝传感器

光纤光栅传感技术以其自身的优势,在结构裂缝监测等工作中得到了广泛的应用,然而由于其自身很容易折断的特点,其测量的范围较小.在前人研究成果的基础上,设计了一种简易弯曲型光纤光栅裂缝传感装置,并通过实验对此传感装置的性能进行了验证.实验结果表明,本裂缝传感装置切实可行,可明显提高普通光栅光纤传感器的测量范围,而且具体良好的重复使用能力,以应对实际工程中裂缝开展情况的不确定性.     

现代有轨电车嵌入式轨道复合地基优化分析

为分析有轨电车嵌入式轨道复合地基关键参数并获得最优参数组合,采用有限单元法,建立嵌入式轨道复合地基计算模型.在既有研究的基础之上,采用正交试验方法研究了道床板厚度、支承层厚度、桩身弹性模量、桩径、桩纵向间距这5个关键影响因素对嵌入式轨道复合地基受力和变形的影响,并分别采用极差分析和方差分析对计算结果进行了分析,从而得到了关键影响因素和最优参数组合.结果表明:采用正交试验方法,可以在保证分析结果正确性的基础之上大大减少试验次数;桩身弹性模量对钢轨竖向位移影响最大,支承层厚度对道床板纵向弯矩影响最大,桩径对钢轨竖向位移影响较大;桩纵向间距对钢轨竖向位移、轨道纵向弯矩和支承层纵向拉应力的影响均极显著,故在确定桩纵向间距取值时,应综合考虑轨道结构的服役性能和复合地基的工程造价;最佳有轨电车嵌入式轨道水泥土搅拌桩复合地基设计方案为道床板厚度0.20 m、支承层厚度0.26 m、桩身弹性模量280 MPa、桩径0.75 m、桩纵向间距1.40 m.本研究成果对有轨电车嵌入式轨道复合地基设计具有参考价值.     

非均质梯度功能材料复合结构的Kantorovich宏细观精化解法

研究的梯度功能材料复合结构, 为一个有着实际应用背景的由圆转轴局部固支的三角形悬臂板结构, 采用Kantorovich解法及二类独立变量广义变分原理建立板的弯曲控制方程, 并结合广义Euler方程和广义自然边界条件求解. 与以往问题大不相同的是, 考虑了3个广义力学因素和FGM宏细观非均质性, 提出了理论初值问题化为半解析边值问题精化求解的新概念, 研究了梯度应力场的参加效应. 由此, 拓展为Kantorovich宏细观精化新解法.     

活性粉末混凝土钢纤维增强增韧的细观机理

活性粉末混凝土(RPC)是一种新型超高强度水泥基复合材料, 掺入钢纤维可改善RPC韧性, 弥补脆性大的不足. 通过8字型RPC200试件的轴向拉伸试验, 应用带扫描电镜的实时加载和CCD技术详细地观测了钢纤维黏结－滑移拔出过程、RPC基体细观结构变化和物理力学特征, 分析了基体钢纤维掺量对单根钢纤维拔出时表面黏结物的形态、初裂荷载、极限荷载、界面黏结强度以及拔出功的影响, 给出了各物理量随基体纤维含量变化关系的统一表达形式. 分析了界面黏结力的构成以及钢纤维对RPC的增强增韧作用. 指出基体纤维对单根纤维黏结性能的影响存在最优掺量ρ_v,opt=1.5%.     

玄武岩纤维布加固钢筋混凝土柱抗压对比试验研究

本文对玄武岩纤维布与碳纤维布加固钢筋混凝土柱进行了对比试验,研究了加固后其承载力、延性、应变发展、裂缝及破坏特征等变化。并对混凝土柱上黏贴一层纤维布和两层纤维布进行了对比试验,分析了各种参数对玄武岩纤维布加固柱承载力和变形的影响。对相应工程应用提出建议。     

大型飞机复合材料机翼壁板气动弹性优化设计

以大型飞机复合材料机翼为对象进行气动弹性综合优化设计研究,以机翼蒙皮壁板及相关构件复合材料铺层厚度为设计变量,在满足多种气动弹性与强度/应变约束下对结构重量进行最小化设计,并分析了优化中三种强度/应变约束和蒙皮铺层比例的影响.研究表明：不同组合约束下优化后的复合材料机翼较金属机翼减重效果显著,综合考虑应变与失效准则约束能在兼顾减重效果的同时提高机翼整体刚度水平;铺层比例优化结果表明机翼内段与中段较高的0°铺层比例和外段较高的±45°铺层比例分布能使刚度分布更加高效合理.     

PDMS/SiC功能梯度衬底3D打印制备和性能研究

针对当前柔性电子、电子皮肤、可穿戴电子、软体机器人等领域使用的衬底面临挑战性的难题:难以同时满足一侧具有很好的柔性而另一侧具有较高刚度(变刚度功能梯度特性),以及散热性能和材料生物兼容性差的问题,本文提出一种PDMS/SiC功能梯度衬底,以PDMS为基体材料, SiC为增强相(填料);并且SiC含量在PDMS基体中从一侧到另一侧逐渐增大,呈现连续功能梯度和变刚度特性.为了解决现有技术难以制造PDMS/SiC功能梯度衬底的问题,提出一种基于多材料主动混合3D打印制造新方法,它能实现PDMS/SiC功能梯度衬底高效低成本制造.通过实验揭示了打印速度、背压、打印平台加热温度等主要工艺参数对打印衬底质量和性能的影响及其规律.利用提出的制备方法并结合优化的工艺参数,制造出高性能的PDMS/SiC功能梯度衬底.与传统的PDMS衬底相比,新型衬底其热导率提高了2.5倍; SiC含量50%一侧的杨氏模量增加了2.9倍,电学性能稳定;而且新型衬底刚度的空间变化呈现连续梯度特性.实验结果显示, PDMS/SiC功能梯度同时具有较好的柔性和较高刚度,而且还具有优良的散热性能,良好的绝缘性和生物兼容性,变刚度功能梯度特性,为柔性电子、电子皮肤、可穿戴电子、软体机器人等领域亟需的新一代高性能衬底提供了一种新的解决方案.