高模量玄武岩纤维-钢丝复合筋的力学性能

玄武岩纤维筋作为一种耐腐蚀性能优良的新型复合材料筋,因其抗拉弹性模量低以及延性差的不足,限制了它的推广应用.针对此问题,根据复合原理,将钢丝和玄武岩纤维原丝一起拉挤成型,研制出高模量玄武岩纤维-钢丝复合筋.从理论上分析了玄武岩纤维-钢丝复合筋受力机理,并对其进行了单向拉伸试验研究.试验结果表明,掺杂钢丝可以显著提高玄武岩纤维筋的抗拉弹性模量,并改善其延展性;玄武岩纤维-钢丝复合筋应力应变关系曲线具有双线性特征;复合筋抗拉弹性模量与钢丝掺量呈线性关系,掺杂钢丝24%时,复合筋抗拉弹性模量可达76 580 MPa.     

考虑内部缺陷的FRP拉索力学行为仿真分析

通过扫描电子显微镜观测了纤维增强树脂基复合材料(FRP)拉索的内部原始缺陷形态与结构,基于Python-ABAQUS建立了含孔洞缺陷的微观模型来分析拉索的多尺度力学行为.结果 表明:孔隙率与孔洞长径比是影响纤维丝等效弹性模量的主要因素,在相同孔隙率和孔洞体积下,等效弹性模量随孔洞横截面积减小而增大.由于孔洞分布位置的随机性,数值模拟得到的纤维丝等效弹性模量比Mori-Tanaka理论计算值偏高.当纤维丝内部的孔洞的长径比小于1时,孔洞分布位置对等效弹性模量的影响最大.基于纤维束的随机破坏本构关系,采用用户自定义子程序建立了宏观尺度拉索和单筋的多尺度有限元模型,探究了微观和细观尺度的缺陷对宏观性能的影响.最后,采用不同Weibull参数与含内部缺陷的纤维束力学参数,发现FRP单筋和拉索模型的仿真结果与试验结果比较相符.     

钢绞线拉索弹性模量修正及其对缆索体系桥梁的影响

大跨度缆索体系桥梁有限元仿真模拟分析过程中,通常将钢绞线拉索等效为等截面均值圆杆,未考虑钢丝不同绞捻方式对钢绞线拉索整体弹性模量的影响。基于钢绞线拉索的钢丝空间几何形态和钢丝复合受力特点推导其等效弹性模量系数及n丝钢绞线弹性模量修正通用公式,并以洪鹤大桥为工程背景,分析钢绞线拉索弹性模量的修正对斜拉桥主梁位移、应力及拉索索力的影响。分析结果表明:对拉索弹性模量进行修正后,二期调索工况下的主梁跨中挠度变化量达78.9 mm,钢梁最大应力变化比值达9.0%。在采用平行钢绞线拉索的大跨度缆索体系桥梁分析计算中,应考虑钢绞线拉索弹性模量的修正。     

钢丝帘线／橡胶复合材料弹性模量散斑测定法

由钢丝帘线和橡胶组成的子午线轮胎带束层是属于一种特殊的复合材料。此复合材料中的钢丝帘线与橡胶两者的弹性模量相差十分悬殊，两者的刚度比很大，测定此类复合材料的弹性模量较为困难。本文叙述了用激光散斑法测定子午线轮胎带束层部位的材料弹性模量的原理、方法和结果     

钢绞线静力拉伸模型建立和截面特性分析

基于Love曲杆理论建立钢丝静力拉伸模型,由外荷载作用下单根钢丝平衡方程推导出钢丝轴力、弯矩、扭矩计算公式以及钢绞线截面弹性模量、抗弯刚度计算公式.利用Fortran编写程序,考察轴力变化时,钢丝螺旋角及钢绞线弹性模量、抗弯刚度等截面特性的变化规律.进一步研究了钢绞线弹性模量变化对结构受力性能影响及抗弯刚度变化对基频法计算拉索内力的影响.结果表明:随着钢绞线总轴力增加,钢丝螺旋角逐渐减小,钢绞线弹性模量和抗弯刚度逐渐增加;在外层钢丝螺旋角为0°即外层钢丝被拉直后,钢丝螺旋角和钢绞线弹性模量均不再变化;随着钢绞线总轴力进一步增加,钢丝半径和钢绞线抗弯刚度由于泊松效应影响略有减小.     

基于裂纹扩展的锈蚀拉索疲劳寿命评估

将平行钢丝索视为一个多裂纹竞争的串-并联模型,通过点蚀不均匀系数确定锈蚀钢丝的初始裂纹尺寸. 基于疲劳裂纹扩展速率模型各参数的概率分布,采用疲劳失效全过程Monte-Carlo模拟法计算了不同断丝率下拉索的疲劳寿命,并通过试验数据对计算结果进行了验证. 结果表明：拉索断丝率随疲劳次数增加符合幂级数的增长规律,当拉索的断丝率达到10%之后,拉索的断丝率迅速增长而失去抵抗疲劳荷载的能力. 纤维束模型中串联钢丝单元划分越多,拉索的疲劳寿命越短,但这种趋势会随着钢丝单元数的增加而逐渐趋于稳定. 锈蚀拉索的疲劳寿命服从Weibull分布,点蚀效应缩短了钢丝裂纹萌生寿命,随锈蚀程度的增加,拉索疲劳寿命均值大幅下降,变异性减小,其抗疲劳性能快速劣化. 通过雨流计数法将随机荷载历程转化为疲劳荷载谱块的重复作用,基于钢丝的腐蚀发展规律计算了不同腐蚀程度拉索的疲劳寿命,建立了随机荷载作用下拉索腐蚀程度与疲劳寿命劣化之间的关系模型. 根据P-dc-N曲线可对锈蚀拉索服役期的疲劳可靠性进行评估,应用时需要准确掌握拉索钢丝的缺陷或腐蚀细节信息.     

基于刚度及经济的CFRP与钢组合拉索设计理论

基于钢斜拉索、碳纤维增强塑料(CFRP)斜拉索适用跨径研究结果,针对1 400~2 800 m主跨斜拉桥整体刚度不足提出一种新型结构方案,即基于刚度及经济性能的CFRP与钢组合拉索方案.该方案将CFRP斜拉索与传统钢斜拉索同时应用于斜拉桥中,将２种材料高强轻质及弹性模量高的优点进行组合,以充分提高斜拉索的等效刚度,进而提高斜拉桥的整体刚度.详细介绍该组合方案设计思路与方法,通过比较等效刚度以及经济性能给出２种材料斜拉索推荐组合比例.最后,通过一座1 400 m主跨CFRP与钢组合拉索斜拉桥试设计说明该方案相对传统方案整体刚度上的优势,证明其工程应用的可行性,是主跨为1 400~2 800 m斜拉桥的优选方案之一.     

建筑结构用钢丝束拉索的抗力分项系数研究

为了使用概率极限状态法对拉索进行设计，收集了由高强度钢丝扭绞形成的钢丝束拉索的试验数据，采用概率方法研究了拉索的抗力分项系数取值，提出了建筑结构设计中考虑长期荷载效应和短期荷载效应时拉索的设计计算方法及建议．     

锈蚀断丝对拉索力学性能影响的数值研究

钢丝锈蚀、断裂损伤是影响拉索力学性能的主要因素.首先,建立了钢丝径向、索长方向锈蚀损伤分布模型;然后,基于锈蚀钢丝断口形态,分析锈蚀及荷载联合作用下钢丝断裂规律,建立了基于应力强度因子的锈蚀钢丝断裂准则;最后,考虑钢丝间摩擦作用,采用有限元法对拉索钢丝锈蚀、断裂过程进行模拟,研究了拉索中钢丝逐层锈蚀断裂对拉索力学性能的影响.结果表明:拉索钢丝锈蚀断裂后,钢丝应力重分布,断丝对拉索钢丝应力的影响沿截面径向逐渐减小,紧邻断丝层的锈蚀钢丝应力增幅最大,最内层钢丝应力增幅最小;由于钢丝间摩擦作用,断丝应力在恢复长度内呈对数形式恢复且基本同步;恢复长度随断丝百分比增大而增大,与断丝百分比呈二次抛物线关系,并将收敛于3. 3m;拉索索力损失率随断丝百分比增大而增大,拉索少量钢丝的锈蚀断裂对索力影响较小,当拉索锈蚀断丝百分比小于10%时,引起的索力损失率小于4%.     

竹木复合单板层积材中加捻竹束的预应力效应

根据纺织及复合材料理论给出了描述加捻竹束在竹木复合单板层积材中产生预应力的力学模型.通过试验对比了不配置竹束、配置不加捻竹束、配置加捻竹束3种单板层积材的水平剪切强度和弯曲性能.结果表明:3种单板层积材的水平剪切强度无显著差异.配置竹束使单板层积材弹性模量和静曲强度明显增加,弹性模量增加22.8%,静曲强度增加18.6%;配置加捻竹束的竹木复合单板层积材弹性模量的提高较为明显,较配置不加捻竹束的层积材弹性模量增加17.6%,静曲强度增加11.0%.竹木复合单板层积材中加捻竹束预应力的存在能改善板材的刚度和强度,其预应力效应表现为正效应.     

CFRP布加固受弯钢梁试验研究与理论分析

为进一步研究碳纤维布（carbon fiber reinforced polymers,以下简称CFRP）加固钢结构抗弯力学性能,在现有研究的基础上,设计两根试验钢梁,对CFRP布加固钢梁与未加固钢梁进行力学性能对比分析.试验表明：碳纤维加固有效提高了钢梁的承载能力,且对屈服载荷影响更为明显;经加固后的组合钢梁,刚度提高,这是由于当超过屈服载荷时,CFRP布开始承担一部分载荷.另一方面,对加固钢梁进行受力分析,并进行承载力推导.弹性工作阶段,采用截面等效代换方法对加固钢梁进行承载力计算;弹塑性工作阶段,根据塑性铰区位置不同分别对两种受力状态下的加固钢梁进行受力分析与承载能力计算,将试验结果与理论计算对比,吻合良好.     

预应力钢与高强混凝土组合梁徐变效应分析

在长期荷载作用下,预应力钢与高强混凝土组合梁中的混凝土将产生徐变和收缩变形,从而导致带有柔性剪力连接件的组合梁中混凝土板和钢梁的应力发生重分布·采用按龄期调整有效模量与平均应力相结合的方法,利用预应力组合梁中混凝土板、钢梁及预应力钢索之间变形关系,分别建立了简支预应力组合梁的弹性分析和考虑混凝土徐变效应影响的黏弹性分析数学模型,研制了其数值计算模拟程序·通过计算示例,分析不同时间段内预应力组合梁内力变化、应变分布、弯曲变形及交接面相对滑移及其随时间的变化等·     

外包角钢与CFRP复合加固中长柱承载力分析

通过9根外包角钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土中长柱的轴心受压试验，研究了复合加固中长柱的破坏特征和受力性能，提出了合理的约束模型和核心混凝土的本构关系．在试验研究的基础上，结合折算模量理论．建立了外包角钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土中长柱的折算模量计算方法，并推导了复合加固中长柱的非弹性屈曲临界承载力计算公式。公式中考虑了柱长细比、碳纤维布置、缀板量和角钢量等因素的影响，同时编制了承载力的电算程序，其计算结果与试验结果吻合较好，可为实际工程应用提供参考．     

泥石流冲击作用下CFRP加强型柔性索网体系动力响应分析

为了使泥石流柔性防护索网体系具有更好的耐久性和抗冲击性,将轻质高强、耐腐蚀性较好的碳纤维复合材料(CFRP)与索网结合,提出一种加强型柔性索网体系.通过九组静力拉伸试验、并运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,研究CFRP材料对筋材静力性能的影响,研究冲击荷载作用下单索、组合索以及索网在粘贴碳纤维布后的动力响应,探讨碳纤维布对柔性索网抗冲击性能的影响,并与无碳纤维布的情况进行对比分析.结果表明:在拉伸试验中,碳纤维布对于筋材的屈服强度有明显的提升作用,但对拉伸强度的提升不明显;在模拟的冲击过程中,粘贴碳纤维布的钢索整体刚度有一定的提升,同时在各级冲击荷载作用下的位移有所减小;碳纤维布在不发生失效的情况下能分担一部分钢索应力;冲击点附近以及钢索固定端处的碳纤维布容易发生失效破坏,致使钢索应力产生“突变”现象.     

CFRP约束圆钢管高强混凝土短柱轴压试验研究

为研究混凝土强度、径厚比、CFRP(碳纤维增强复合材料)层数及CFRP包裹方式等参数对CFRP约束圆钢管混凝土轴压静力性能的影响,进行了6个圆钢管混凝土短柱和18个CFRP-钢管混凝土短柱的轴压对比试验.研究发现CFRP的约束对圆钢管混凝土承载力有较显著的提升,且承载力的提高幅度随着CFRP的增加而增加.钢管高强、超高强混凝土短柱的破坏形态呈现为剪切破坏,延性较差,CFRP的约束可以改善其延性,且CFRP层数越多延性越好.半包CFRP试件性能接近于全包CFRP试件性能.随径厚比增大,CFRP约束效果下降.若黏结良好,试件失效前,CFRP与钢管能保持协同工作;最后选取了3个经典的CFRP约束钢管混凝土轴压承载力公式进行验算,发现基于CFRP和钢管双重约束的公式能较好地预测其承载力.     

华东自然环境下CFRP片材的耐久性能

在华东地区自然暴露环境条件下,对土木工程加固常用的2种碳纤维增强复合材料(CFRP)片材共40个试件进行自然老化3 a的耐久性能试验.考察碳纤维片材的抗拉强度、弹性模量、伸长率等主要的力学性能指标随老化时间的变化.结果表明,随着老化时间的延长,两种片材的抗拉强度和伸长率均略有降低,并且其伸长率的变化趋势与抗拉强度的变化趋势类似;随着老化时间的延长,两种片材的弹性模量变化不大.     

约束条件下CFRP筋单轴抗压性能试验

对约束条件下3种直径的碳纤维增强复合材料(CFRP)筋进行单轴抗压性能试验,分析筋材长细比、直径对抗压强度、极限应变及抗压弹性模量的影响.结果表明:CFRP筋为典型的脆性材料,其破坏形态主要有剪切破坏、劈裂破坏、压碎破坏、屈曲破坏;直径相同的CFRP筋的抗压强度、极限应变及抗压弹性模量均随长细比的增大而降低;当长细比一定时,CFRP筋的极限应变随直径的增大而降低,但直径的变化对抗压强度和抗压弹性模量的影响甚微.     

均匀化方法对单向碳/铝复合材料弹性性能预测

基于均匀化方法,预测单向碳/铝复合材料的等效弹性模量,得到单向碳/铝复合材料等效弹性常数的预测公式.首先,采用均匀化方法对单向玻纤/环氧复合材料等效弹性模量进行预测,得到玻纤/环氧复合材料的等效弹性常数,并与NASA经验公式的计算结果进行比较.结果表明,均匀化方法计算得到的等效弹性常数与NASA经验公式的计算结果相吻合,验证了周期性边界条件以及均匀化方法预测单向复合材料弹性性能的正确性.然后,采用均匀化方法对不同纤维含量的单向碳/铝复合材料等效弹性模量进行预测,并与NASA经验公式和混合法则的计算结果进行比较.结果表明,NASA经验公式和混合法则的计算公式可以预测单向碳/铝复合材料的纵向拉伸模量和纵向泊松比,但无法预测其横向拉伸模量和剪切模量.最后,采用最小二乘法拟合均匀化方法的计算结果对NASA经验公式进行修正,得到了单向碳纤维增强铝基复合材料横向拉伸模量和剪切模量的预测公式.     

施加预应力阶段CFRP布加固组合梁界面剪应力计算

在预应力CFRP布加固钢与混凝土组合梁过程中,CFRP布与钢的粘结力在很多情况下决定构件是否破坏.胶结层剪切模量和CFRP布弹性模量是影响粘结力的重要因素.利用弹性理论,结合预应力CFRP布加固钢与混凝土组合梁受力特征,建立了施加预应力阶段界面剪应力的计算公式.计算结果表明,加固时组合梁跨中界面剪应力最小趋于零,越靠近CFRP布端部界面剪应力增大越快,在CFRP布端部出现明显的应力集中现象;界面剪应力随胶结层剪切模量的增大而减小,随着CFRP布弹性模量和胶结层厚度的增大而增大.